启用PAE机制下虚拟地址到物理地址的转换

最近突然想起用softice手工计算一下虚拟地址到物理地址的转换，理论的东西如段表、页表等已经很熟悉了，但真正实际操作就碰到了大问题，特别是分页机制，根本不是从cr3到页目录表到页表再到物理地址这么简单，后来读了一下《Intel® 64 and IA-32 Architectures
Software Developer’s Manual》（Volume 3A: System Programming Guide, Part 1）的第三章“PROTECTED-MODE MEMORY MANAGEMENT”，才发现原先的认识还停留在80386的基础上，没有考虑PAE、PSE-36等机制，所以这里用一个实际例子简单解释一下， 具体的内容还得去看上述的那本手册（强烈推荐）。

先写一个简单的用于实验的例子，只要用vc++6.0建一个MFC的对话框程序（我把工程取名为“memory”），界面只要留下默认生成的“确认”按钮，该按钮的消息函数写成这样：

void CMemoryDlg::OnOK()
{
     // TODO: Add extra validation here
     int test = 0x12345;
     CDialog::OnOK();
}
生成一个应用程序memory.exe，就可以开始实验了。

 

开启softice后，用symbol loader转换memory.exe以实现源码调试。呼出softice窗口，键入file memorydlg.cpp(包含按钮消息函数的cpp)，代码窗口即出现该cpp文件的源码，寻找代码中的CMemoryDlg::OnOk函数，对CDialog::OnOK()一句设断点。用ctrl-d隐藏窗口，即弹出memory.exe程序的对话框，单击“确定按钮”，即弹出sofice窗口。

1、输入 d test,察看数据窗口，发现test(即0x12345)在0023：0012f698处

2、键入 gdt，发现0023对应的段基址为0x00000000，因此test的线性地址为0012f698

3、如果是双核的机器，则如下操作：键入cpu,发现高亮行为cpu0（不一定，可能为cpu0,也可能为cpu1），再键入cpu0（若高亮行为cpu1，则键入cpu1），查找对应的CR4寄存器，发现有PSE、PAE标志，说明已启用了PAE机制（PSE被PAE屏蔽）。再看CR3，为0x06c80260。如果是单核的直接键入cpu即可。

 

4、因为启用了PAE，故如下分解线性地址：

0x0012f698 :

[00] (用于选择页目录指针表项)  [00 0000 000]（用于选择页目录表项） [1 0010 1111]（用于选择页表项） [0110 1001 1000]（偏移）

或者：

[00] (用于选择页目录指针表项)  [00 0000 000]（用于选择页目录表项） [1 0010 1111 0110 1001 1000]（偏移）

到底取哪一种具体要看页目录表项的PS（Page Size）位。

5、页目录指针表项地址：06c80260(cr3按32byte对齐)+8（页目录指针表项为8字节长）*0（线性地址高2位） = 06c80260

peek  d 06c80260: 0x2a1d7801

peek  d 06c80264: 0x00000000

因此，页目录指针表项低字为0x2a1d7801，高字为0x00000000

6、页目录表项地址：2a1d7000(页目录指针表项按4k对齐)+8（页目录表项为8字节长）* 0（线性地址21-29位） = 2a1d7000

peek d 2a1d7000: 0x36a60867

peek d 2a1d7005: 0

因此，页目录表项低字为0x36a60867，高字为0x00000000

由于页目录表项的第7位（PS位）为0（......,1000,0000,0001）,故页目录表项指向页表而非指向4M大小的页（即线性地址采用第一种分解方法）

7、页表项地址： 36a60000（页目录表项按4k对齐）+ 8（页目录表项为8字节长）* 0x12f（线性地址12-20） = 36a60978

peek d 36a60978: 0x25e25867

peek d 36a6097c : 0x80000000

（手册中说64页表项的高地址28被保留为零，但不知为何最高位是1，可能这几年最高位已被用作某种标志，我看的是06年的版本，知道的不吝赐教，这里暂且不管）

因此，页表项低字为0x36a60867，高字为0x00000000

8、物理地址：25e25000(页表项按4k对齐（63位的1暂且看作0吧）) +0x698（线性地址低12位） = 25e25698

于是我们得到了物理地址：0x25e25867

peek d 25e25698: 0x00012345

果然得到了在虚拟地址0023：0012f698处的变量test(0x12345) 的物理地址。

关于PAE机制下的线性地址转换和各种表项如下：