Bochs源码分析-MEM类

因为学习需要，要看虚拟机Bochs的源代码。写随笔主要为了学习总结，其次是分享大家共同研究，大神勿喷，欢迎评论。

手头资料：bochs源代码，下于：bochs.sourceforge.net，还有喻强写的源码分析电纸书。

计算机系统最主要的两个部件是CPU和内存。CPU负责不断读取内存里面的指令进行工作。一块固定大小的内存条（2G）和能由很多ROM，RAM，SDRAM通过位扩展法、字扩展法共同组合而成，有的外部设备的驱动的各种特殊功能控制器也被编址到内存空间，也就是说：内存集成了很多功能，虽然同样是内存空间的地址访问，可能对应不同的设备，有着不同的处理办法。CPU对外界的访问是通过地址线和内存线，只管把要访问的地址交与总线，具体是有南北桥这样的设备，进行地址到各种不同设备、处理办法之间的转换。Bochs需要模拟整个内存空间，就要相应的申请相同大小的变量来模拟器状态的变化，具体上Bochs把内存分成三块主存SDRAM，256KB ROM，和另外一个附加的空间（特殊功能寄存器）。具体的代码是在memory/misc_mem.cpp:init_memorty(int memsize)来实现，调用是在main函数，bx_init_hardware()中：BX_MEM(0)->init_memory(memSize)；在函数中内存变量的具体申请是：alloc_vector_aligned(memsize+ BIOSROMSZ + EXROMSIZE  + 4096, BX_MEM_VECTOR_ALIGN);BX_MEM_THIS rom = &BX_MEM_THIS vector[memsize];
  BX_MEM_THIS bogus = &BX_MEM_THIS vector[memsize + BIOSROMSZ + EXROMSIZE];可以看出变量vector指向内存初始地址（表示主内存SDRAM），rom指向memsize向后的一段地址（表示ROM），bogus指向更后面一段（为特殊功能寄存器使用），分开处理，就是为了，模拟对不同的内存空间对用的具体操作和安全限制是不一样的。对于固定的体系架构（如X86）内存空间具体每部分地址空间的用途都已经设计好了，约定熟成，这样方便操作系统的开发，当然模拟机也要遵循这样的约定管理不同的地址空间，以便不加修改就能运行x86对应的操作系统。具体表现在mem类最主要的两个函数：memory/memory.cpp writePhysicalPage(BX_CPU_C *cpu, bx_phy_address addr, unsigned len, void *data)和readPhysicalPage(BX_CPU_C *cpu, bx_phy_address addr, unsigned len, void *data)主要工作就是对要访问的地址，按约定熟成进行划分，对应到具体的某项用途，调用相应的处理方法。其x86内存约定比如：(1m之内的内存使用)

// 0x00000 - 0x7ffff    DOS area (512K)
// 0x80000 - 0x9ffff    Optional fixed memory hole (128K)
// 0xa0000 - 0xbffff    Standard PCI/ISA Video Mem / SMMRAM (128K)
// 0xc0000 - 0xdffff    Expansion Card BIOS and Buffer Area (128K)
// 0xe0000 - 0xeffff    Lower BIOS Area (64K)
// 0xf0000 - 0xfffff    Upper BIOS Area (64K)

这两个函数其实是模拟了南北桥这样设备的功能。

因为各种外部设备可能把自己控制器的特殊功能控制器，映射到内存空间上（统一地址映射），统一管理，Bochs也是这样处理的， 具体是维持很多mem_handler链表，具体数据结构是：struct  memory_handler_struct {
  struct memory_handler_struct *next;      // 下一个的pointer,  用来构成链表
  unsigned long begin;       // 受管理的内存端开始地址
  unsigned long end;        // 受管理的内存端结束地址
 memory_handler_t read_handler ;  // 读函数
 memory_handler_t write_handler;  // 写函数
 void *read_param;
 void *write_param;
};

可见,当Bochs新添加一个设备时，要让它的特殊功能控制器，在内存空间申请一段空间，注册相应的mem_handler链表，说明申请空间的地址范围，和自己想要注册的回调函数。当CPU通过上面两个函数访问内存时，会首先遍历mem_handler链表，如果地址落到其中之一，就调用里面的注册函数。

当然我上面提到的访问地址都已经是物理地址，而从软件指令使用的逻辑地址要经过逻辑地址->线性地址->物理地址，之间的转换，也就是CPU开启，分段、分页功能。主要的实现代码是在：CPU/page.cpp中，其中最主要的函数是：translate_linear(bx_address laddr, unsigned pl, unsigned rw, unsigned access_type)；

主要过程是，分别获取页目录项、页表项，获取物理页的地址，其中对每个表项会有特权级等安全方面的检测，同时还会涉及TLB数据结构的查询、更新等管理。其中TLB数据项的结构(cpu.h)

typedef struct {
  bx_address lpf;     // linear page frame
  bx_phy_address ppf; // physical page frame
  Bit32u accessBits;  // Page Table Address for updating A & D bits
  bx_hostpageaddr_t hostPageAddr;
} bx_TLB_entry;

struct {    

bx_TLB_entry entry[BX_TLB_SIZE]  BX_CPP_AlignN(16);

} TLB;