在 Linux x86-64 模式下分析內存映射流程

前言

在上一篇中我們分析了 Linux 在 x86-32 模式下的虛擬內存映射流程，本章主要繼續分析 Linux 在 x86-64 模式下的虛擬內存映射流程。

討論的平台是 x86-64， 也可以稱為 AMD64， IA-32e， 是現在廣泛使用的 64 位架構，可以向前兼容 16位和 32 位的 x86. 另外一種獨立的 64 位架構 IA-64與現有架構不同而且貌似發展不好，一般是接觸不到的，我們平常討論的 64 位基本就是指 x86-64.

現在的 CPU 基本都是支持 64 位的，根據處理器強大的兼容性，我們可以配置為 long mode 和 legacy mode, 根據安裝的操作系統的模式可以使用不同的模式。

從 wikipedia 的截圖可以看出， 我們下面要測試的是 Operating mode = Long mode， Operating sub-mode = 64-bit mode 下的虛擬內存映射流程。

映射流程簡述

分段的存在更多就是為了兼容性，所以在 x86-64 下的 64位程序該功能近似於 bypass。處理器默認 CS， DS， ES， SS的段基址為 0，所以我們下面就不討論邏輯地址到線性地址的轉換了，因為基址為0，經過運算後線性地址和邏輯地址是一樣的，和上一章的扁平模式一樣。

分頁過程會將 48-bit 的線性地址轉換為 52-bit 的物理地址, 可以看出雖然是 64bit 的操作系統但在處理器層面並沒有提供 2^64 大小的訪問范圍。48-bit 線性地址可以有以下 3 種映射分配.

4-KByte 頁面

2-MByte 頁面

1-GByte 頁面

我們暫時還不知道 linux 使用哪種分頁，但是知道了每種模式下各個寄存器和page structure entry的格式，可以下面慢慢分析。

格式

驗證方案

本文整個流程參考了網上的另一篇文章，我會在文章末尾列出鏈接。

整個驗證流程和上一篇在 x86-32 下的測試流程一樣，這裡就不說明了。

驗證過程

編譯加載

編譯文件，加載 sys_reg.ko, phy_mem.ko 模塊

運行 running-prog

運行後可以得到以下輸出:

可以看到變量 a， 這就是我們要尋找物理地址的變量，我們給變量 a 賦了個特殊值方便確認。由於我的操作系統和 running-prog 都是64位的，所以對 a 的地址翻譯是遵循 x86-64 下的機制的。a 的邏輯地址已經打印出來，而且也就是 a 的線性地址，我們先將 48bit 的線性地址分段.

PML4

控制寄存器 CR3 存儲的是 PML4 的基址， bits 47~39 為 PML4E 的序號，對應的 PML4E 地址為：

0x275A1000 + 0 * 8 = 0x275A1000

PML4E 的值為 0x275DA067.

PDPT

PDPT 的基址為 0x275DA000, bits 38~30 為 PDPTE 序號，計算出的 PDPTE 地址為：

0x275DA000 + 0 * 8 = 0x275DA000

PDPTE 的值為 0x623A4067, bit7 = 0 說明指向的是 page directory.

PD

PD 的基址為 0x623A4000, bits 29~21 為 PDE 的序號，計算出 PDE 的地址為：

0x623A4000 + 3 * 8 = 0x623A4018

PDE 的值為 0x692BB067， bit7 = 0 說明指向的是 page table.

PT

PT 的基址為 0x692BB000, bits 20 ~12 為 PTE 的序號， 計算出 PTE 的地址為：

0x692BB000 + 1 * 8 = 0x692BB008

PTE 的值為 0x800000004AD6F867.

page frame

page frame 的基址為 0x4AD6F000, bits 11~0 為在 page frame內的偏移，計算出變量的物理地址為：

0x4AD6F000 + 120 = 0x4AD6F078.

熟悉的 0xA5A5AA550000FFFF, 說明我們找到了變量 a 的實際物理地址。

結束

感謝 Linux內核在x86_64 CPU中地址映射 一文，我的整個流程參考了原作者的文檔和代碼， 再次感謝原作者的分享。

下面是源代碼下載.study-linux-vm-64bit

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免費下載地址在 http://linux.linuxidc.com/

用戶名與密碼都是www.linuxidc.com

具體下載目錄在 /2015年資料/2月/8日/在 Linux x86-64 模式下分析內存映射流程/

下載方法見 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-07/87684.htm

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使用方式

make

make install

加載模塊

sudo insmod ./output/sys_reg.ko

sudo insmod ./output/phy_mem.ko

running-prog

./output/running-prog

read-phy-mem

因為讀寫 /dev/phy_mem 設備的權限問題請使用 sudo 運行.

sudo ./read-phy-mem addr len

status

本程序在 x86-64 linux mint 17, kernel 3.13.0-24 模式下測試通過.