第四讲 物理存储器与进程逻辑地址空间的管理

操作系统实验
院(系) : 计算机科学与技术学院 研究所: 软件与数据科学研究所 教 师: 王红滨
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主要内容
1.实验目的 2.分页管理物理存储器 3.“pm”命令的源代码 4.虚拟地址描述符及Vm命令 5.分配虚拟页和释放虚拟页的函数
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1.实验目的
• 通过查看物理存储器的使用情况，并练习 分配和回收物理内存，从而掌握物理存储 器的管理方法。 • 通过查看进程逻辑地址空间的使用情况， 并练习分配和回收虚拟内存，从而掌握进 程逻辑地址空间的管理方法。
“pm”命令执行的结果
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4.虚拟地址描述符 及Vm命令 整页分配 虚拟地址描述符管理
进程的4G虚拟地址空间
0x00000000 不可访问的64KB缓冲区域。用于捕捉对空 指针的非法访问。 0x00010000 用户进程可用的虚拟地址空间。 用户进程的可执行映像被加载到地址 0x400000处，用户进程的堆和栈也位于这 段区域内。 用户进程调用VirtualAlloc函数进行虚拟 内存分配时，也是在这段区域分配。 0x7FFF0000 不可访问的64KB缓冲区域。用于捕捉对空 指针的非法访问。 0x80000000 物理内存的约1/8被映射到此处，映射的总 量不超过256MB，且向上4M地址对齐。 被映射的物理内存使用如下： 0-64KB：用作I/O缓冲区。 64KB-640KB：用于加载kernel.dll。 640KB-1MB：BIOS区域，不可用。 1MB-?：用于页框号数据库，大小根据 物理页面数量而定。 ?-?：系统内存池。 ?-?：最后8K用作ISR专用栈。 0x90000000
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3.“pm”命令的源代码 (显示当前物理页的使用情况)
// 输出物理页数量和物理内存数量（以字节为单位） fprintf(StdHandle, "Page Count: %d.\n", MiTotalPageFrameCount); fprintf(StdHandle, "Memory Count: %d * %d = %d Byte.\n", MiTotalPageFrameCount, PAGE_SIZE, MiTotalPageFrameCount * PAGE_SIZE); // 输出零页数量和空闲页数量 fprintf(StdHandle, "\nZeroed Page Count: %d.\n", MiZeroedPageCount); fprintf(StdHandle, "Free Page Count: %d.\n", MiFreePageCount);
STATUS MiAllocateAnyPages(//分配物理页 IN ULONG_PTR NumberOfPages,//要申请的物理页个数 OUT PULONG_PTR PfnArray//返回分配好的物理页框号 )
STATUS MiAllocateZeroedPages(//从0页中分配物理页 IN ULONG_PTR NumberOfPages, OUT PULONG_PTR PfnArray )
} // 统计虚拟页框总数、已分配的虚拟页框和未分配的虚拟页框 TotalVpnCount = pVadList->EndVpn - pVadList->StartingVpn + 1; fprintf(StdHandle, "\nTotal Vpn Count: %d.\n", TotalVpnCount); fprintf(StdHandle, "Allocated Vpn Count: %d.\n", AllocatedVpnCount); FreeVpnCount = TotalVpnCount - AllocatedVpnCount; fprintf(StdHandle, "Free Vpn Count: %d.\n", FreeVpnCount);
用户地址空间 （低2G）
按照请求的大小分配
保留未用
整页分配 虚拟地址描述符管理
0xA0000000 供系统动态管理分配的虚拟地址空间，这 段区域的大小为物理内存大小的1/4，最大 512MB。 这段区域在初始化时，需全部安装PTE，避 免各进程的页目录项不一致。 0xC0000000 0xC0400000 进程页表被映射到此4MB区域。 页表有效PTE计数器被映射到此4KB区域。
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2.分页管理物理存储器
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使用页框号数据库管理物理页
typedef struct _MMPFN { ULONG Unused : 9; ULONG PageState : 3; ULONG Next : 20; }MMPFN, *PMMPFN;
// 未用 // 物理页的状态 // 下一个物理页的页框号
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“vm”命令执行的结果
系 统 进 程
用 户 进 程
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5.分配虚拟页和释放虚拟页的内核函数
STATUS MmAllocateVirtualMemory( IN OUT PVOID *BaseAddress,//需要分配的基址 IN OUT PSIZE_T RegionSize, //分配区大小，以4K对齐 IN ULONG AllocationType, //虚拟页,物理页 IN BOOL SystemVirtual//用户区还是系统区分配 ) STATUS MmFreeVirtualMemory( IN OUT PVOID *BaseAddress, IN OUT PSIZE_T RegionSize,//为0 IN ULONG FreeType,//MEM_DECOMMIT为只释放物理 页,MEM_RELEASE为虚拟地址和物理页都释放 IN BOOL SystemVirtual )
typedef enum _PAGE_STATE { ZEROED_PAGE, // 零页 FREE_PAGE, // 自由页 BUSY_PAGE, // 占用页 } PAGE_STATE;
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页框号数据库与物理页的关系
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与页框号数据库相关的源代码
// 页框号数据库在内核地址空间中的位置(虚拟4G地址空间) #define PFN_DATABASE ((PMMPFN)0x80100000) // 得到页框号对应的页框号数据库项。 #define MiGetPfnDatabaseEntry(pfn) (PFN_DATABASE + pfn) // 物理页总数量。 ULONG_PTR MiTotalPageFrameCount; // 零页链表头以及零页数量。 ULONG_PTR MiZeroedPageListHead; ULONG_PTR MiZeroedPageCount; // 空闲页链表头以及空闲页数量。 ULONG_PTR MiFreePageListHead; ULONG_PTR MiFreePageCount;
内核地址空间 （高2G）
0xC0401000 系统PTE区域，用于快速将单个物理页框映 射至此，对物理内存进行初始化。 0xC0800000 保留未用
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虚拟地址描述符及描述符链表
// 虚拟地址描述符 typedef struct _MMVAD{ ULONG_PTR StartingVpn;//开始虚拟页框号 ULONG_PTR EndVpn; //结束虚拟页框号 LIST_ENTRY VadListEntry; //链表项 }MMVAD, *PMMVAD; // 虚拟地址描述符链表 typedef struct _MMVAD_LIST{ ULONG_PTR StartingVpn; //开始虚拟页框号 ULONG_PTR EndVpn; //结束虚拟页框号 LIST_ENTRY VadListHead; //链表头 }MMVAD_LIST, *PMMVAD_LIST; 14
// 输出已使用的物理页数量 fprintf(StdHandle, "\Hale Waihona Puke BaiduUsed Page Count: %d.\n", MiTotalPageFrameCount MiZeroedPageCount - MiFreePageCount);
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“pm”命令执行的结果
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分配物理页与释放物理页的函数
系统进程的Vad链表举例
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“vm”命令的源代码
// 获得指定进程的 VAD 链表 …… // 输出 VAD 链表中记录的起始页框号，结束页框号 fprintf(StdHandle, "Total Vpn from %d to %d. (0x%X - 0x%X)\n\n", pVadList->StartingVpn, pVadList->EndVpn, pVadList->StartingVpn * PAGE_SIZE, (pVadList->EndVpn + 1) * PAGE_SIZE - 1); // 遍历 VAD 链表，输出所有 VAD 的起始页框号，结束页框号和包含的虚拟页框数量 Index = AllocatedVpnCount = 0; for(pListEntry = pVadList->VadListHead.Next; pListEntry != &pVadList->VadListHead; pListEntry = pListEntry->Next) { Index++; //根据结构体某个域的地址反推结构体的地址 pVad = CONTAINING_RECORD(pListEntry, MMVAD, VadListEntry); VpnCount = pVad->EndVpn - pVad->StartingVpn + 1; fprintf(StdHandle, "%d# Vad Include %d Vpn From %d to %d. (0x%X - 0x%X)\n", Index, VpnCount, pVad->StartingVpn, pVad->EndVpn, pVad->StartingVpn * PAGE_SIZE, (pVad->EndVpn + 1) * PAGE_SIZE - 1); AllocatedVpnCount += VpnCount;
// 分配一个物理页 MiAllocateAnyPages(1, PfnArray); fprintf(StdHandle, "\n****** After Allocate One Page ******\n"); fprintf(StdHandle, "Zeroed Page Count: %d.\n", MiZeroedPageCount); fprintf(StdHandle, "Free Page Count: %d.\n", MiFreePageCount); fprintf(StdHandle, "Used Page Count: %d.\n", MiTotalPageFrameCount MiZeroedPageCount - MiFreePageCount); // 然后再释放这个物理页 MiFreePages(1, PfnArray); fprintf(StdHandle, "\n****** After Free One Page ******\n"); fprintf(StdHandle, "Zeroed Page Count: %d.\n", MiZeroedPageCount); fprintf(StdHandle, "Free Page Count: %d.\n", MiFreePageCount); fprintf(StdHandle, "Used Page Count: %d.\n", MiTotalPageFrameCount -11 MiZeroedPageCount - MiFreePageCount);
STATUS MiFreePages(//释放物理页 IN ULONG_PTR NumberOfPages, //释放物理页个数 IN PULONG_PTR PfnArray//释放物理页的页框号 )
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在“pm”命令中分配、释放物理页 （添加之后变化） ULONG_PTR PfnArray[1];