# 实验目的 * 深入理解操作系统的段、页式内存管理，深入理解段表、页表、逻辑地址、线性地址、物理地址等概念； * 实践段、页式内存管理的地址映射过程； * 编程实现段、页式内存管理上的内存共享，从而深入理解操作系统的内存管理。 # 实验内容 * 用 Bochs 调试工具跟踪 Linux 0.11 的地址翻译（地址映射）过程，了解 IA-32 和 Linux 0.11 的内存管理机制； * 在 Ubuntu 上编写多进程的生产者—消费者程序，用共享内存做缓冲区； * 在信号量实验的基础上，为 Linux 0.11 增加共享内存功能，并将生产者—消费者程序移植到 Linux 0.11。 # 实验过程和分析 ## 跟踪地址映射的过程 * 1.准备实验环境 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625537165260) * 2.在oslab/linux-0.11下新建文件test.c ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625537239857) 执行make all命令 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625537299074) * 3.挂载，将test.c复制到hdc/usr/root里 ``` sudo ./mount-hdc mv linux-0.11/test.c hdc/usr/root ``` * 4.使用汇编调试 ``` ./dbg-asm ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625538196629) 输入c后，开始调试test.c ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625538281831) ``` gcc -o test test.c ./test ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625538341335) 这时候会进入死循环，我们按下Ctrl+C暂停bochs进行调试其中的 000f 如果是 0008，则说明中断在了内核里。那么就要 c，然后再 ctrl+c，直到变为 000f 为止。如果显示的下一条指令不是 cmp ...（这里指语句以 cmp 开头），就用 n 命令单步运行几步，直到停在 cmp ...。使用命令 u /8，显示从当前位置开始 8 条指令的反汇编代码 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625538582370) 这就是 test.c 中从 while 开始一直到 return 的汇编代码。变量 i 保存在 ds:0x3004 这个地址，并不停地和 0 进行比较，直到它为 0，才会跳出循环。 * 5.ds:0x3004 是虚拟地址，ds 表明这个地址属于 ds 段。首先要找到段表，然后通过 ds 的值在段表中找到 ds 段的具体信息，才能继续进行地址翻译。每个在 IA-32 上运行的应用程序都有一个段表，叫 LDT，段的信息叫段描述符。 LDT 在哪里呢？ldtr 寄存器是线索的起点，通过它可以在 GDT（全局描述符表）中找到 LDT 的物理地址。用 sreg 命令:可以显示所有寄存器的信息（是在调试窗口输入）： ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625539002955) 可以看到ldtr中的值是0x0028,gdt表显示0x00005cb8 接下来，使用xp /32w 0x00005cb8 查看从该地址开始，32 个字的内容，及 GDT 表的前 16 项 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625539166268) GDT 表中的每一项占 64 位（8 个字节），所以我们要查找的项的地址是 0x00005cb8+13*8。 ``` xp /2w 0x00005cb8+13*8 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625539326638) 上两步看到的数值可能和这里给出的示例不一致，这是很正常的。如果想确认是否准确，就看 sreg 输出中，ldtr 所在行里，dl 和 dh 的值，它们是 Bochs 的调试器自动计算出的，你寻找到的必须和它们一致。 “0x52d00068 0x000082fd” 将其中的加粗数字组合为“0x00fd52d0”，这就是 LDT 表的物理地址（为什么这么组合，参考后文介绍的段描述符） ``` xp /8w 0x00005d20 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625539773085) 这里的LDT表前四项的内容，其实也就是找到的段表。段内偏移=0x3004，可以用 ``` calc ds:0x3004 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625540084397) 实验到这里，就已经找到了该进程在虚拟内存中的线性地址。 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625540231934) 可以得到页目录表的基址为0， ``` xp /68w 0 # 查看内容的命令 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625540331216) 页目录表和页表中的内容很简单，是 1024 个 32 位（正好是 4K）数。这 32 位中前 20 位是物理页框号，后面是一些属性信息（其中最重要的是最后一位 P）。其中第 65 个页目录项就是我们要找的内容，查看用 ``` xp /w 0+64*4 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625540462156) 不知道为什么这里返回的地址好像有点问题。0x00000000可能存在错误。原来是命令敲错了，应该是 ``` xp /w 0+64 # 获取页目录项 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625540742434) 可以发现页表基地址为0x00ffe000 得到物理地址 ``` xp /w 0x00ffe000+3*4 page 0x10003004 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625541732005) 不应该呀，本来这个地址返回的是test.c文件中值，但是这里返回的0x74890000..... 如果这里的地址回显正确的话，则可以通过dbg来修改该地址的值让test.c运行的时候跳出循环。。 ``` setpmem 0x00fa6004 4 0 ``` ## 在 Linux 0.11 中实现共享内存 1.在unitsd.h添加系统调用 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625551930194) 2.定义两个系统调用 ``` #define __NR_sem_open 72 #define __NR_sem_wait 73 #define __NR_sem_post 74 #define __NR_sem_unlink 75 #define __NR_shmget 76 #define __NR_shmat 77 ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625552027935) 3.完成后将该文件复制到usr/include中在sys.h中添加函数声明: 在system_call.s中把nr_system_calls改为78（系统调用个数） ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625552716645) ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625552811197) 4.修改Makefile文件 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625553162510) 5.在kernel下创建shm.c文件 ``` #define __LIBRARY__ #include #include #include #include #include static shm_ds shm_list[SHM_SIZE] = {{0,0,0}}; int sys_shmget(unsigned int key, size_t size) { int i; void *page; if(size > PAGE_SIZE) return -EINVAL; page = get_free_page(); if(!page) return -ENOMEM; printk("shmget get memory's address is 0x%08x\n",page); for(i=0; ildt[2]); printk("current's data_base = 0x%08x,new page = 0x%08x\n",data_base,shm_list[shmid].page); brk = current->brk + data_base; current->brk += PAGE_SIZE; if(put_page(shm_list[shmid].page, brk) == 0) return (void *)-ENOMEM; return (void *)(current->brk - PAGE_SIZE); } ``` ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625553368325) * 6.producer.c文件编写 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625553777978) * 7.consumer.c文件编写 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625553933681) * 8.编译 ``` make all ``` 这里报错了，报错了。。sem.c ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625554957778) 这里需要修改原来makefile文件，删除sem.o即可 ![图片描述](https://dn-simplecloud.shiyanlou.com/courses/uid1696640-20210706-1625555613392) * 9.生成消费文件gcc编译 ``` gcc -o pro producer.c gcc -o con consumer.c pro > proOutput & con > conOutput & sync ``` 又报错了，由于前面没有编写sem.c和sem.h文件，现在这里报错找不到。大问题呀。。。??? # 实验心得 * 通过做实验发现了平常忽视的很多问题，在地址映射实验过程中，容易混淆地址之间的关系。特别是共享内存实验，gcc编译总是会报错，无法正确编译。虽然没有完全完成实验，但是对地址映射和内存共享有了更加深刻的理解。

“操作系统实验”实验报告