实验名称：地址映射与共享

实验日期：7.7

班级：物联网194

姓名：舒文杰

学号：1930110734

一、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。

二、实验环境

本操作系统实验的硬件环境是 IA-32（x86） 架构的 PC 机，主要软件环境是 Bochs + gcc + Linux 0.11 源代码。

三、实验内容

1. 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；

2. 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；

3. 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。

四、实验过程及数据记录

1.准备环境

cd /home/shiyanlou/oslab
tar -zxvf hit-oslab-linux-20110823.tar.gz -C /home/shiyanlou
ls -al
copy

2.进入Linux-0.11目录内make编译系统，然后回到oslab目录

3.挂载hdc文件系统，在usr/root目录内增加test.c文件用于测试地址映射

4.使用汇编级调试

./dbg-asm
copy

输入c开始运行，编译并运行test.c

gcc -o test test.c
./test
copy

5.进入死循环，按下Ctrl+C暂停bochs进行调试,

6.寻找LDT表： GDT（全局描述符表，操作系统使用的段表）中保存着 LDT 的物理地址，而ldtr 寄存器中记录着LDT物理地址在GDT表中的位置。

输入sreg命令后，显示出各寄存器的信息 ldtr的值是 0x0068，转换成二进制是0000000001101000，其中1101这四位表示LDT的物理地址在GDT表中的位置，1101转换成十进制是13。 下图中gdtr的值是GDT表的物理地址，即0x00005cb8。

7.用 xp /32w 0x00005cb8 命令查看从GDT表的物理地址开始，32 个单位的内容，即 GDT 表的前 16 项

8.0x10003004 的页目录号是 64，页号 3，页内偏移是 4。 页目录表的位置由 CR3 寄存器指引。输入“creg”命令可以看到CR3=0x00000000，

9.此机器对于物理地址为 0x00fa6004 输入setpmem 0x00fa7004 4 0 切回boch界面

10.修改unistd.h

11.sys.h修改

12.添加shm.c

13.修改Kernel下的Makefile文件

14.编写生产者消费者 生产者：

/*producer*/ 
#define __LIBRARY__
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/sem.h>

_syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,int,value);
_syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem);
_syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem);

_syscall1(int, shmat, int, shmid);
_syscall2(int, shmget, unsigned int, key, size_t, size);

#define PRODUCE_NUM 200
#define BUFFER_SIZE 10
#define SHM_KEY 2018

int main(int argc, char* argv[])
{
    sem_t *Empty,*Full,*Mutex;    
    int i, shm_id, location=0;
    int *p;

    Empty = sem_open("Empty", BUFFER_SIZE);
    Full = sem_open("Full", 0);
    Mutex = sem_open("Mutex", 1);

    if((shm_id = shmget(SHM_KEY, BUFFER_SIZE*sizeof(int))) < 0)
        printf("shmget failed!");    

    if((p = (int * )shmat(shm_id)) < 0)
        printf("shmat error!");
    for(i=0; i<PRODUCE_NUM; i++)
    {
        sem_wait(Empty);
        sem_wait(Mutex);

        p[location] = i;

        sem_post(Mutex);
        sem_post(Full);
        location  = (location+1) % BUFFER_SIZE;
    }
    return 0;    
}
copy

消费者：

/*consumer*/ 
#define __LIBRARY__
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/sem.h>

_syscall2(sem_t *,sem_open,const char *,name,int,value);
_syscall1(int,sem_post,sem_t *,sem);
_syscall1(int,sem_wait,sem_t *,sem);
_syscall1(int,sem_unlink,const char*,name);

_syscall1(int, shmat, int, shmid);
_syscall2(int, shmget, unsigned int, key, size_t, size);

#define PRODUCE_NUM 200
#define BUFFER_SIZE 10
#define SHM_KEY 2018

int main(int argc, char* argv[])
{
    sem_t *Empty,*Full,*Mutex;    
    int used = 0, shm_id,location = 0;
    int *p;

    Empty = sem_open("Empty", BUFFER_SIZE);
    Full = sem_open("Full", 0);
    Mutex = sem_open("Mutex", 1);

    if((shm_id = shmget(SHM_KEY, BUFFER_SIZE*sizeof(int))) < 0)
        printf("shmget failed!\n");    

    if((p = (int * )shmat(shm_id)) < 0)
        printf("link error!\n");
    while(1)
    {
        sem_wait(Full);
        sem_wait(Mutex);

        printf("pid %d:\tconsumer consumes item %d\n", getpid(), p[location]);
        fflush(stdout);

        sem_post(Mutex);     
        sem_post(Empty);
        location  = (location+1) % BUFFER_SIZE;

        if(++used == PRODUCE_NUM)
            break;
    }

    sem_unlink("Mutex");
    sem_unlink("Full");
    sem_unlink("Empty");
    return 0;    
}
copy

14.运行bochs，输入： gcc -o pro producer.c gcc -o con consumer.c 编译这两个程序， 然后输入 pro > proOutput & con > conOutput & 来同时运行这两个程序，并将结果保存到proOutput和conOutput中。 最后输入sync。

五、实验结果分析 用 Bochs 调试工具跟踪 Linux 0.11 的地址翻译（地址映射）过程正确，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，结果正确无误；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，运行结果正确

六、实验心得

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：1.输入命令u/7反汇编，查看变量i对应的逻辑地址。

2.逻辑地址找虚拟地址要通过段表，也就是IDT表，然后IDT表要根据LDTR寄存器和GDT表，对应的命令就是sreg。

3.根据ds(代码段)寄存器查找IDT表，得到基址，然后通过基址 + 逻辑地址 = 虚拟地址。

4.根据虚拟地址找到物理地址，核心就是查找页表。

问题2.test.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：首先再运行一次程序，相当于一切都是重来的，变量i重新被赋非0值，所以仍然还是会死循环。 继续进行地址跟踪，根据虚拟地址找到物理地址，发现物理地址和第一次运行时的不一样了，因为在这个进程没有被运行时，内存是会被释放的，所以其他进程是可以利用这个内存的，虽然还是给它这个虚拟地址，但是重新分配内存的时候，物理地址并不一定还是那个地址。

本次实验深入理解了操作系统的段、页式内存管理，段表、页表、逻辑地址、线性地址、物理地址等概念。