一实验目的 1. 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； 2. 实践段、页式内存管理的地址映射过程； 3. 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。二、实验内容和要求（1）实验内容本次实验包括如下内容：  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。 1、跟踪地址翻译过程首先以汇编级调试的方式启动 Bochs，引导 Linux 0.11，在 0.11 下编译和运行 test.c。它是一个无限循环的程序，永远不会主动退出。然后在调试器中通过查看各项系统参数，从逻辑地址、LDT 表、GDT 表、线性地址到页表，计算出变量 i 的物理地址。最后通过直接修改物理内存的方式让 test.c 退出运行。 2、基于共享内存的生产者—消费者程序本项实验在 Ubuntu 下完成，与信号量实验中的 pc.c 的功能要求基本一致，仅有两点不同：  不用文件做缓冲区，而是使用共享内存；  生产者和消费者分别是不同的程序。生产者是 producer.c，消费者是 consumer.c。两个程序都是单进程的，通过信号量和缓冲区进行通信。 Linux 下，可以通过 shmget() 和 shmat() 两个系统调用使用共享内存。 3、共享内存的实现进程之间可以通过页共享进行通信，被共享的页叫做共享内存。本部分实验内容是在 Linux 0.11 上实现上述页面共享，并将上一部分实现的 producer.c 和 consumer.c 移植过来，验证页面共享的有效性。（2）提交形式书面报告+电子报告三、实验步骤和结果 1. 编译好 Linux 0.11 后，首先通过运行 ./dbg-asm 启动调试器，此时 Bochs 的窗口处于黑屏状态如图：直接输入命令 c，continue 程序的运行，Bochs 一如既往地启动了 Linux 0.11。 2. 编写test.c程序，并放置oslab中代码如下： #include int i = 0x12345678; int main(void) { printf("LQD The logical/virtual address of i is 0x%08x", &i); fflush(stdout); while (i) ; return 0; } 如图： sudo ./mount-hdc //安装hdc目录里面的内容 cp test.c hdc/usr/root //将oslab中的test.c文件移动到hdc/usr/root下 3. 在Linux 0.11上编译test.c得到可执行文件，然后运行test.c: gcc -o test test.c ./test 4. 命令行窗口会出现如下信息，显示的下一条指令不是 cmp ，就用 n 命令单步运行几步，直到停在 cmp ldtr 的值是0x0068，表示 LDT 表存放在 GDT 表的 1101（二进制）=13（十进制）号位置。而 GDT 的位置已经由 gdtr 明确给出，在物理地址的 0x00005cb8，查看从该地址开始，32 个字的内容，及 GDT 表的前 16 项。GDT 表中的每一项占 64 位，所以要查找的项的地址是 0x00005cb8+13*8，输入 xp /2w 0x00005cb8+13*8 就是 LDT 表的前 4 项内容了，如图段基址+段内偏移，就是线性地址。所以 ds:0x3004 的线性地址就是： 0x10000000 + 0x3004 = 0x10003004 首先需要找出页目录号 + 页表号 + 页内偏移，它们分别对应了32位线性地址10位 + 10位 + 12位，所以0x10003004的页目录号=64,页号=3,页内偏移=4。物理地址在IA-32下，页目录表的位置由CR3寄存器指引，用creg命令可以看到说明页目录表的基址为0，看看其内容用命令: xp /68w 0 5. 页目录表和页表中的内容是1024个32位数，这32位中前20位是物理页框号，后面是一些属性信息，其中第65个页目录项就是要找的内容。用命令查看: xp /w 0 + 64*4 6. 已经找到了物理地址，但是还有最后一步: 直接修改物理地址的值，使得变量i为0 命令: 7. 页表所在的物理页框号为0x00fa6，即页表在物理内存为0x00fa6000处，从该位置开始查找 3号页表项(每个页表项4个字节) 用命令：xp /w 0x00fa6000 + 3*4 8. 已经找到了物理地址，但是还有最后一步: 直接修改物理地址的值，使得变量i为0 输入命令： setpmem 0x00fa3004 4 0 然后输入c 如图：继续从调试状态的程序运行下去，就会看到在Bochs中程序顺利退出: 9. 在 Linux 0.11 中实现共享内存在unistd.h中添加如下代码： #define SHM_SIZE 64 typedef struct shm_ds { unsigned int key; unsigned int size; unsigned long page; }shm_ds; int sys_shmget(unsigned int key,size_t size); void * sys_shmat(int shmid); 10. 完成后将该文件复制到usr/include中 11. 定义两个系统调用： #define __NR_shmget 76 #define __NR_shmat 77 12. 在sys.h中添加函数声明 extern int sys_shmget(); extern int sys_shmat(); 在system_call.s中把nr_system_calls改为78（系统调用个数） 13. 接下来在kernel下添加shm.c，代码如下： #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); } 14. 然后修改Kernel下的Makefile文件 15. 编译，运行 16. Linux 的 shell 有后台运行程序的功能。只要在命令的最后输入一个 &，命令就会进入后台运行，前台马上回到提示符，进而能运行下一个命令，例如： $ sudo ./producer & $ sudo ./consumer 当运行 ./consumer 的时候，producer 正在后台运行四、实验分析与回答问题 ①对于地址映射实验部分，列出你认为最重要的那几步（不超过 4 步），并给出你获得的实验数据。答：最重要的：获取 i 的虚拟地址；获取 LDT 表的地址；获取物理地址；获取线性地址。 ②test.c 退出后，如果马上再运行一次，并再进行地址跟踪，你发现有哪些异同？为什么？答：逻辑地址和虚拟地址不变，页目录地址是操作系统放置的，物理分页变了，所以物理地址也变了。原因是每次进程加载后都有64M的虚拟地址空间，而且，逻辑地址没有变化。操作系统加载程序时，由于虚拟地址是按nr分配64M，两次运行nr一致，所以虚拟地址没变。段基址可能会变化，因为操作系统为每个进程分配的 64M 空间位置不同，导致段基址不同。而数据段偏移量不变，这是编译时就设置完毕的。

“操作系统原理实验”实验报告