📄 jiurl玩玩win2k内存篇 分页机制 (三).htm
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<P align=center><FONT face=宋体>JIURL玩玩Win2k内存篇 分页机制
(三)</FONT></P></TD></TR></CENTER>
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<P align=center><FONT face=宋体>作者: <A
href="mailto:jiurl@mail.china.com">JIURL</A> </FONT></P></TD></TR>
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<P align=center><FONT face=宋体> 日期: 2003-7-30</FONT>
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<TD height=1066 vAlign=top width="131%"><FONT
face=宋体><B>8种转换</B><BR><BR>由于页表被映射到了0xc0000000
开始的4MB地址空间。<BR>所以我们也可以象CPU那样完成虚拟地址到物理地址的转换。<BR><BR>系统按照对应虚拟空间的先后顺序，把一个进程的页表映射在0xc0000000
开始的4MB地址空间中，把页目录映射在0xc0300000 开始的4KB地址空间中。于是我们可以做如下几种地址的相互转换。<BR><BR>1
虚拟地址->虚拟地址对应的PDE地址<BR><BR>PDE_Address=(VirtualAddress>>22)*4+0xC0300000 <BR><BR>2
虚拟地址->虚拟地址对应的PTE地址<BR><BR>PTE_Address=(VirtualAddress>>12)*4+0xC0000000 <BR><BR>3
虚拟地址->物理地址<BR><BR>如果 虚拟地址大于等于0x80000000 并且小于0xa0000000（在 Large Page
部分），<BR>直接用虚拟地址减去0x80000000就得到了物理地址。<BR>其他情况<BR>取得该虚拟地址的PDE,判断是否有效。<BR>有效的话，取得该虚拟地址的PTE，判断是否有效。<BR>有效的话，将PTE的低12位清0加上虚拟地址的低12位就得到了物理地址。<BR>由于页表和页目录在系统地址空间中，访问需要程序运行在ring0，所以要测试的话，需要写驱动程序。<BR><BR>unsigned
int PDE;<BR>unsigned int PTE;<BR><BR>if(VirtualAddress>=0x80000000
&&
VirtualAddress<0xa0000000)<BR>{<BR>PhysicalAddress=VirtualAddress-0x80000000;<BR>}<BR>else<BR>{<BR>PDE=*(unsigned
int*)((VirtualAddress>>22)*4+0xC0300000);<BR>if(PDE&0x00000001)<BR>{<BR>PTE=*(unsigned
int*)((VirtualAddress>>12)*4+0xC0000000);<BR>if(PTE&0x00000001)<BR>{<BR>PhysicalAddress=((PTE&0xFFFFF000)+(VirtualAddress&0x00000FFF));<BR>}<BR>}<BR>}<BR><BR>4
一个PDE的地址->相应的虚拟地址范围<BR><BR>VirtualAddressStart=((PDE_Address-0xC0300000)/4)<<22<BR>VirtualAddressEnd=VirtualAddressStart+0x003FFFFF<BR><BR>5
一个PTE的地址->相应的虚拟地址范围<BR><BR>VirtualAddressStart=((PTE_Address-0xC0000000)/4)<<12<BR>VirtualAddressEnd=VirtualAddressStart+0x00000FFF<BR><BR>6
物理地址->虚拟地址<BR><BR>一个物理地址常常会对应多个虚拟地址。转换方法就是遍历所有页表和页目录，如果有效就比较该项的高20bit是否等于我们提供的物理地址的高20bit,如果相等，就找到了一个。比如该项是第i个PDE的，第j个PTE，那么虚拟地址等于，i*4M+j*4K+物理地址的低12bit。遍历所有页表和页目录找到每一个。<BR><BR>7
一个PTE的地址->相应PDE的地址<BR><BR>一个PTE的地址可以找到相应的虚拟地址范围，就可以找到虚拟地址对应的PDE地址<BR>PDE_Address=(VirtualAddress>>22)*4+0xC0300000 <BR>PDE_Address=((((PTE_Address-0xC0000000)/4)<<12)>>22)*4+0xC0300000 <BR><BR>8
一个PDE的地址->相应PTE的地址范围<BR><BR>一个PDE的地址可以找到相应的虚拟地址范围的开始地址，就可以找到该虚拟地址对应的PTE地址，<BR>一个PDE对应1024个PTE，4K大小。<BR><BR>PTE_AddressStart=(VirtualAddress>>12)*4+0xC0000000<BR>PTE_AddressStart=((((PDE_Address-0xC0300000)/4)<<22)>>12)*4+0xC0000000 <BR>PTE_AddressEnd=PTE_AddressStart+0x00000FFF<BR><BR><B>无效页与
Page Fault</B><BR><BR>访问的虚拟地址所在页在物理内存中时，该虚拟地址所在页相应的 PDE，PTE 都有效，CPU
自动根据相应的PDE，PTE把虚拟地址转换成物理地址，完成访问。一个虚拟地址所在页不在物理内存中时，比如在硬盘上的交换文件中，该虚拟地址所在页相应的
PDE，PTE 都无效，访问该虚拟地址将引起 Page-Fault 异常（Exception）。从而使 CPU
转去执行异常处理程序，异常处理程序会做相应的处理。对于发现访问的虚拟地址所在的页在硬盘上的交换文件中，就从交换文件中读入该页到物理内存，重新使PTE有效，并指向正确的物理页。最后
CPU
重新执行引起异常的指令，这时该指令所访问的虚拟地址已经在物理内存中了，并且该虚拟地址的PTE也有效了，于是就可以顺利执行。<BR><BR>下面我们针对
x86 CPU 做更详细的说明。<BR><BR>当某条指令访问无效页时，比如指令 MOV EAX,InValidAddress
，执行这条指令时，CPU 会自动通过页目录和页表把虚拟地址 InValidAddress 转换成物理地址，在地址转换过程中，CPU
在从页表项得到物理页地址的同时，会进行页保护检查，比如看该页表项是否有效，是否是只读等等。当CPU发现指令中地址的页表项无效，就会引发异常(Exception)。异常也是由
CPU 实现的。这里引起的是一个 Page Fault 异常，它的中断号是 0xe （十进制14），需要注意的是 Page Fault 的中断号是
0xe 这是由 CPU 定义的（ x86 CPU 的 从 0 - 31 这32个中断是由 CPU 定义的，CPU
将根据这个定义做相应工作）。在发生异常时，CPU
自动把一些寄存器压入堆栈，然后根据中断号，（通过IDTR寄存器找到中断描述符表）在中断描述符表中找到相应的中断描述符，根据中断描述符中的地址，转到异常处理程序。中断描述符是由Win2k设置，异常处理程序也是由Win2k决定。对于
Win2k Build 2195 来说，中断 0xe 的处理程序是 ntoskrnl!KiTrap0E 地址在 804648a4
。当转到KiTrap0E 时，CPU
已经在堆栈中压入了下面的内容<BR><BR>|-------------| <BR>|
EFLAGS |<BR>|-------------|<BR>|
CS
|<BR>|-------------|<BR>| EIP
|<BR>|-------------|<BR>| Error Code |<BR>|-------------|<---- [
ESP ]<BR><BR><BR>page-fault 异常 (#PF) 的 Error Code 定义如下（ CPU 定义
）<BR> |
3 | 2 | 1 | 0
|<BR>+---------------------------------------------------+ <BR>|
Reserved |RSVD|U/S|R/W|
P
|<BR>+---------------------------------------------------+ <BR><BR>P
0 错误由无效页引起<BR> 1 错误由违反页保护引起<BR>W/R 0
引起错误的内存访问是读<BR> 1 引起错误的内存访问是写<BR>U/S 0
访问错误时处理器处在管理模式<BR> 1 访问错误时处理器处在用户模式<BR><BR>需要说明的是堆栈中压入的
EIP 就是引发异常的指令地址，将来将根据这个地址重新执行该指令。而寄存器 cr2 中是引发异常时访问的地址。<BR><BR>#PF异常处理程序
KiTrap0E（由Win2k提供）将会调用 ntoskrnl!MmAccessFault ，MmAccessFault 通过 CR2
中的访问地址，计算出相应的
PDE,PTE地址，通过分析PTE中的内容，可以知道是哪种情况引起的异常，并根据情况作出相应的处理。<BR><BR>当发生异常时，CPU会把一些寄存器压入堆栈，转到相应的异常处理程序（由Win2k提供），Win2k
在异常处理程序中又会把一些寄存器压入堆栈，最后会在堆栈中形成一个 KTRAP_FRAME 结构。这个 KTRAP_FRAME 是
ntoskrnl!MmAccessFault 的参数之一。<BR><BR>!strct KTRAP_FRAME<BR>struct
_KTRAP_FRAME (sizeof=140)<BR>+00 uint32 DbgEbp<BR>+04 uint32 DbgEip<BR>+08
uint32 DbgArgMark<BR>+0c uint32 DbgArgPointer<BR>+10 uint32
TempSegCs<BR>+14 uint32 TempEsp<BR>+18 uint32 Dr0<BR>+1c uint32 Dr1<BR>+20
uint32 Dr2<BR>+24 uint32 Dr3<BR>+28 uint32 Dr6<BR>+2c uint32 Dr7<BR>+30
uint32 SegGs<BR>+34 uint32 SegEs<BR>+38 uint32 SegDs<BR>+3c uint32
Edx<BR>+40 uint32 Ecx<BR>+44 uint32 Eax<BR>+48 uint32
PreviousPreviousMode<BR>+4c struct _EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD
*ExceptionList<BR>+50 uint32 SegFs<BR>+54 uint32 Edi<BR>+58 uint32
Esi<BR>+5c uint32 Ebx<BR>+60 uint32 Ebp<BR>+64 uint32 ErrCode<BR>+68
uint32 Eip<BR>+6c uint32 SegCs<BR>+70 uint32 EFlags<BR>+74 uint32
HardwareEsp<BR>+78 uint32 HardwareSegSs<BR>+7c uint32 V86Es<BR>+80 uint32
V86Ds<BR>+84 uint32 V86Fs<BR>+88 uint32 V86Gs<BR><BR><B>系统，CPU 与
页目录项，页表项的关系</B><BR><BR>一个进程的PDE（页目录项），PTE（页表项）是由系统维护的。地址转换由CPU自动完成。访问无效地址CPU
将产生异常，执行异常处理程序。异常处理程序是系统提供的。<BR><BR>对于有效的 PDE，PTE，他们的格式大部分由CPU定义，CPU
将按照这个格式，根据每一位的值，决定相应的处理方式。CPU
利用这个格式中自己定义的物理页物理地址的部分来进行地址转换，自己定义的一些标志位来实现页的保护。系统必须按照这个格式定义，来维护 PDE 和
PTE。<BR><BR>x86 CPU 的有效页表项，CPU 定义如下<BR><BR>struct _HARDWARE_PTE_X86
(sizeof=4)<BR>bits0-0 Valid<BR>bits1-1 Write<BR>bits2-2 Owner<BR>bits3-3
WriteThrough<BR>bits4-4 CacheDisable<BR>bits5-5 Accessed<BR>bits6-6
Dirty<BR>bits7-7 LargePage<BR>bits8-8 Global<BR>bits9-11
reserved<BR>bits12-31 PageFrameNumber<BR><BR>其中要注意的是 bits9-11 reserved
这3位，CPU 没有定义，留给操作系统使用。<BR><BR>对于无效的 PDE，PTE，他们的格式大部分由系统定义。当 CPU 发现访问的
PDE，PTE
无效时，就会转去执行异常处理程序。异常处理程序是由系统提供的。系统将按照自己定义的格式，根据每一位的值，决定相应的处理方式。<BR><BR>x86
CPU 的无效页表项，CPU 定义如下<BR><BR>struct _HARDWARE_PTE_X86 (sizeof=4)<BR>bits0-0
Valid<BR>bits1-31 reserved<BR><BR>对于无效页来说，CPU只定义了bits0-0，用来判断是否有效。无效页的
bits0-0 值为0。其他位都留给操作系统使用。</FONT>
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