使用windbg观察IA-32处理器启用PAE后内存分页映射关系

目的

    调试代码的过程中，在一些复杂情况下需要查看内存数据的实际物理地址。32位windows xp sp2系统在intel处理器下默认启用了PAE，这里就探讨一下在启用PAE后查看实际物理地址的方法。

原理

    PAE是 Physical Address Extension的缩写，即物理地址扩展。简单来说，就是把IA-32处理器的寻址能力从原来的4GB扩展到64GB。寻址4GB空间，要求物理地址的宽度为32位。类似的，要寻址64GB空间，那么物理地址的宽度就是36位。因为这个原因，PAE又被称为PAE-36bit。

    如果从CPU的引脚来讲，那么支持PAE的CPU原则上应该有36根地址线，但因为IA-32 CPU的前端总线是64位宽，每次可同时传递8个字节数据，所以CPU在访问内存时，它总是向前端总线给出一个低3位为0的地址，因此实际上省略了低三位地址线。这实际上也起到了将地址按8字节对齐的功效。以奔腾4 CPU为例，它的地址线是A[35:3]#。

    当IA-32 CPU工作在32位模式时，软件中使用的是32位宽的虚拟地址和线性地址，因此便产生了一个问题，如何将32位宽的线性地址翻译为36位宽的物理地址，寻址能力从原来的4GB扩展到64GB呢？答案是将原来的二级映射扩展为三级映射，也就是在原来的页目录和页表基础上再增加一级，称为页目录指针表。根据单个内存页的大小不同（4KB或者2MB）又分为两种情况。

　　下图中画出的是4KB内存页的情况。其中的PDPTR是Page Directory Pointer Table Register的缩写，它是启用PAE后CR3寄存器的别名，该寄存器中保存了页目录指针表所在地址。此时，32位线性地址被分割为如下三个部分：

    * 2位（位30和位31）的页目录指针表索引，用来索引本地址在页目录指针表中的对应表项。
    * 9位（位21-29）的页目录表索引，用来索引本地址在页目录表中的对应表项。
    * 9位（位12-20）的页表索引，用来索引本地址在页表中的对应表项。
    * 12位（位0-11）的页内偏移，这与以前是相同的。

图1 启用PAE时将线性地址翻译为物理地址（4KB内存页）（摘自IA-32手册卷3A）

    和没有启用PAE的4KB情况相比，表的数量由两张变成了三张，增加了页目录指针表。

    因为表中的地址都是物理地址，所以三张表的每个表项都有原来的32位变为64位，具体格式如下图所示。

图2 启用PAE时的地址转换表项格式（4KB内存页）（摘自IA-32手册卷3A）

    也就是说，每个64位的表项中有24位是用来代表基地址的，这24位对应的是物理地址的高24位，低12位为0。这意味着，页目录表、页表和每个页的基地址都是按4KB对齐的。

    2MB内存页的情形。与未启用PAE的情况一样，不再需要页表。如下图所示。

图3 启用PAE时将线性地址翻译为物理地址（2MB内存页）（摘自IA-32手册卷3A）

调试观察

    有了上面所说的原理，我们需要观察验证一下。这里使用windbg在Windows XP SP2系统下，利用Windows自带的计算器程序（calc.exe）进行调试。步骤如下。

1.启动计算器程序（calc.exe），键入一串数字（如123456789）以便后面观察。

2.启动Windbg，并附加到计算器程序上开始调试。

3.加载符号表文件，Windows的符号服务器地址为http://msdl.microsoft.com/download/symbols，因此选中File=>Symbol File Path菜单项，加入符号路径SRV*d:\symbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols，然后勾选reload框，加载调试计算器程序所需符号表。

4.在Windbg命令区输入x calc!g*命令列出以g开头所有符号。注意其中包含的gpszNum行。

5.在Windbg命令区输入dd calc!gpszNum l1命令，查看该符号地址内容。我这里该变量地址为000b4650。

6.继续查看地址000b4650处的内容：db 000b4650

0:002> db 000b4650
000b4650 31 00 32 00 33 00 34 00-35 00 36 00 37 00 38 00 1.2.3.4.5.6.7.8.
000b4660 39 00 2e 00 00 00 00 00-00 00 65 00 72 00 00 00 9.........e.r...

可以看到该内存处的具体内容。下面我们看一看如何把这个字符串地址（000b4650）翻译为物理地址。

1.再启动一个Windbg实例，选中File=>Kernel Debug菜单中的local页签，点击确定进入本地内核调试模式，然后如前所述方式加载符号表。

2.列出calc进程的概况：!process 0 0 calc.exe

lkd> !process 0 0 calc.exe
PROCESS 8679f180 SessionId: 0 Cid: 1d6c Peb: 7ffd5000 ParentCid: 01fc
DirBase: 0a4c27e0 ObjectTable: e14594b0 HandleCount: 77.
Image: calc.exe

上面的DirBase便是CR3寄存器的值，即PDPTR的内容，其格式如下，可以看出低5位为0，页目录指针表起始地址是32Byte对齐的。


3.将要转换的线性地址000b4650 显示为二进制：

lkd> .formats 000b4650
Evaluate expression:
Hex: 000b4650
Decimal: 738896
Octal: 00002643120
Binary: 00000000 00001011 01000110 01010000
Chars: ..FP
Time: Fri Jan 09 21:14:56 1970
Float: low 1.03541e-039 high 0
Double: 3.65063e-318

    根据图1，分解为如下4个部分：

    * 最高两位为0，是页目录指针表的索引。
    * 接下来的9位（000000 000）为页目录索引，即0。
    * 再接下来的9位（01011 0100）为页目录索引，即0xb4。lkd> ? 0y010110100 Evaluate expression: 180 = 000000b4
    * 最后的12位（0110 01010000）是页内偏移，即0x650。

4.因为CR3值（0a4c27e0） 的低5位都是0，所以可以知道计算器进程的页目录指针表的基地址就是0x0a4c27e0。观察这一地址附近的内容：

lkd> !dd 0a4c27e0
# a4c27e0 22e14801 00000000 74295801 00000000
# a4c27f0 7d156801 00000000 27053801 00000000
# a4c2800 1e975801 00000000 78e36801 00000000
# a4c2810 282f7801 00000000 394f4801 00000000
# a4c2820 1b78a801 00000000 6bd8b801 00000000

每个页目录指针表共有4个表项，每个表项是8字节（64位），因此，可以知道上面的前两行内容是计算器进程的页目录指针表。

5.根据上面的分解，1b1c0aa0对应的是0号表项，即00000000`22e14801。根据图2，位12到位35是页目录表基地址的高24位，因此，可以知道对应的页目录表基地址是0x22e14000，观察它的0号表项：

lkd> !dq 0x22e14000
#22e14000 00000000'3445a867 00000000'42130867
#22e14010 00000000'77246867 00000000'345c9867
#22e14020 00000000'392e1867 00000000'4830a867
#22e14030 00000000'310d4867 00000000'1c16c867
#22e14040 00000000'7a459867 00000000'00000000

可见，我们要翻译的线性地址对应的页目录表项是00000000`3445a867，其中位12到位35是页表基地址的高24位，因此可以知道我们要寻找的页表基地址是3445a000，观察它的0xb4号表项：

lkd> !dq 0x3445a000+0xb4*8
#3445a5a0 80000000'45505867 80000000'55986867
#3445a5b0 80000000'29e47867 80000000'75008867
#3445a5c0 00000000'00000080 00000000'00000000

这样便得到页表表项：80000000`45505867， 它的位12到位35是内存页基地址的高24位，即线性地址000b4650所对应的内存页基地址是45505000，加上页内偏移0x650便得到最终的物理地址，即0x45505650，显示其内容：

lkd> !db 45505650
#45505650 31 00 32 00 33 00 34 00-35 00 36 00 37 00 38 00 1.2.3.4.5.6.7.8.
#45505660 39 00 2e 00 00 00 00 00-00 00 65 00 72 00 00 00 9.........e.r...

可见，其内容与前面使用用户态调试器观察的线性地址内容是一致的。