Windows98下直接访问物理内存

1、Windows98下直接访问物理内存哈尔滨工业大学 刘俊强 李冬梅 在很多情况下,我们都有直接访问物理内存的要求,如在实时高速数据采集系统中,对I/O板上配置的存储器的访问。但是,为了保证系统的安全性和稳定性,操作系统并不提倡应用程序直接访问硬件资源, 因此,随着操作系统的进步,导致了目前存在的这样一个不幸的事实: 以前在DOS下很容易实现的特定物理内存的读写操作,在Windows下却变得相当困难。 本文主要讨论如何在Windows 95/98下实现物理内存的直接读写操作。为了论述清楚这个问题,有必要叙述保护模式的寻址方式以及W indows 95/98的内存管理方式。Windows 95/9

2、8内存管理方式 Windows 95/98工作在32位保护模式下,保护模式与实模式的根本区别在于CPU寻址方式上的不同:尽管两者对应的内存地址均为"段地址:偏移量"形式,但在保护模式下,"段地址"代表的值已不再是实模式中段的起始基准地址了;对于CS、DS、ES、SS寄存器,在实模式下,这些寄存器的值左移4位,再加上偏移量,即得到物理地址,而在保护模式下,这些寄存器的值为"段选择符",它实际上是一个查全局描述符表(G DT或局部描述符表(LDT的索引,据此在GDT或LDT找到对应的段描述符,从而获得段的基址及类型等信息,再根据偏移量,才

3、能得到线性地址。如果操作系统没有采用分页机制,那么得到的线性地址即为物理地址,否则,线性地址需要进一步经过分页机制才能得到物理地址。这就是保护模式下的"段页式寻址机制"。 Windows 95/98使用4GB的虚拟内存地址空间,应用程序访问内存使用虚拟地址,从虚拟地址到物理地址的转换过程如图1所示: 图1 虚拟地址到物理地址的转化过程 对于图1中的分页机制,Windows 95/98采用两级页表结构,如图2 所示。图2 采用的分页机制的两级页表结构 从图2可知,线性地址被分割成页目录条目(PDE、页表条目(PTE 、页偏移地址(Off set三个部分。当建立一个新的WIN

4、32进程时,Wi ndows 95/98会为它分配一块内存,并建立它自己的页目录、页表,页目录的地址也同时放入进程的现场信息中。当计算一个地址时,系统首先从控制寄存器CR3中读出页目录所在的地址(该地址为物理地址, 并且是页对齐的,然后根据PDE得到页表所在的地址,再根据PTE得到包含了实际Code或Data的页帧, 最后根据Offset访问页帧中的特定单元。 常用内存段的段选择符 从上述所介绍的Windows 95/98采用的分段、分页机制可看出,要想在Windows 95/98下直接访问物理内存,关键是得到欲访问物理内存所在的内存区域对应的段选择符。 一般说来,要求直接访问的物理内存都与实

5、模式下能够寻址的内存有关(即DOS能直接访问的1M物理内存。在Windows 3.X中,Microso ft给出了DOS常用段的段选择符,如_000 0H(未公开,_B800H,_F000H( 已公开,等等,均可以在KERNEL中找到,应用程序可以直接使用这些段选择符,实现物理内存的直接访问。而在Windows 95/98中,Microsoft 却不在任何文档中提供这些段的预定义,在KERNEL中也不提供相应的段选择符。但是,Windows 95 /98确实给DOS下的这些常用内存段定义了相应的段描述符。通过SoftIce 3.02 for Win dows 95/98,我们得到了关于LDT的

6、如下信息: . :ldt LDTbase=80003000 Limit=3FFF 1007 Data16 00000C90 0000FFFF 3 P RW 100F Data16 00000000 0000FFFF 3 P RW 1017 Data16 00000400 0000FFFF 3 P RW 101F Data16 000F0000 0000FFFF 3 P RW 1027 Data16 000A0000 0000FFFF 3 P RW 102F Data16 000B0000 0000FFFF 3 P RW 1037 Data16 000B8000 0000FFFF 3 P RW

7、103F Data16 000C0000 0000FFFF 3 P RW 1047 Data16 000D0000 0000FFFF 3 P RW 104F Data16 000E0000 0000FFFF 3 P RW 其中,每一行对应一个段描述符,第一栏为其段选择符,第二栏为段描述符的类型,第三栏为段的基地址(线性地址,第四栏为段的限长 ,第五栏为段描述符的特权级,第六栏标志对应段是否存在于内存中, 第七栏表示段的访问权限。 可以看出,这些段的基地址与DOS下的常用内存段完全吻合,并且均为16位的数据段,限长为64K(0XFFFF,供应用程序访问,都存在于内存中,可读写。实践证明,这些段就

8、是D OS的常用内存段,也就是说, 这里的线性地址即为物理地址。因此,可以用这些段选择符对相应的物理内存进行访问。 从程序运行的健壮性考虑,不应该直接应用上述段选择符,而应该用GetThreadSelectorEntry(函数得到欲访问物理内存对应的段选择符,该API函数的原型定义为    BOOL GetThreadSelectorEntry (    HANDLE hThread,    / handle of thread that contains selector    DWORD dwSelector,

9、    / number of selector value to look up    LPLDT_ENTRY lpSelectorEntry    / address of selector entry structure    ;    其中,LDT_ENTRY的结构定义如下    typedef struct _LDT_ENTRY / ldte    WORD LimitLow;    WORD BaseLow;  &

10、#160; union     struct     BYTE BaseMid;    BYTE Flags1;    BYTE Flags2;    BYTE BaseHi;    Bytes;    struct     DWORD BaseMid : 8;    DWORD Type : 5;    DWORD Dpl : 2;    DWORD Pres : 1;

11、60;   DWORD LimitHi : 4;    DWORD Sys : 1;    DWORD Reserved_0 : 1;    DWORD Default_Big : 1;    DWORD Granularity : 1;    DWORD BaseHi : 8;    Bits;    HighWord;    LDT_ENTRY, *PLDT_ENTRY;    用下面的代码可以得到基地

12、址为BASE_DESIRED,限长为0XFFFF的内存段对应的段选择符:    .    extern CLDTApp theApp;    WORD wSelector; / 内存段对应的段选择符    LDT_ENTRY ldtEntry;    DWORD base, baseMid, baseHigh;    DWORD limit, limitHigh;    for ( WORD sel = 7; sel <= 0xffff; sel +

13、=8     if (:GetThreadSelectorEntry ( theApp.m_hThread,    DWORD ( sel , &ldtEntry     baseMid = ldtEntry . HighWord . Bytes . BaseMid;    baseMid <<= 16;    baseHigh = ldtEntry . HighWord . Bytes . BaseHi;    baseHigh <<= 24

14、;    base = ldtEntry . BaseLow + baseMid +     baseHigh;    limitHigh = m_ldtEntry . HighWord . Bits . LimitHi;    limitHigh <<= 24;    limit = limitHigh + m_ldtEntry . LimitLow;    if ( 0xFFFF = limit     if ( BAS

15、E_DESIRED = base     / BASE_DESIRED为内存段对应的基地址    wSelector = sel;    break; 直接访问物理内存的实现得到了段选择符之后,即可把该段选择符置于相应的段寄存器中( 不能用CS,DS,用该寄存器进行数据访问。需注意的是,任何非法段选择符写入段寄存器将会导致通用保护错误(General Protection Faul t。下面的代码实现物理内存的读/写操作(段选择符用上述方法得到:void WriteMemory(WORD sel, DWORD dwOffset, co

16、nst char * str, UINT length    char cWrite;    for ( UINT i = 0; i < length; i +          cWrite = str ;     _asm push es mov ax, sel mov es, axmov ebx, dwOffset mov al, cWrite mov byte ptr es:ebx, alinc dwOffset pop es              void ReadMemory ( WORD sel, DWORD dwOffset,char * str, UINT length     char cRead;    for ( UINT i = 0; i < length; i +     _asm     push es    mov ax, sel    mov es, ax