使用WinDBG观察启用PAE后的分页机制

我在《软件调试》一书的2.7节介绍了CPU的分页机制，因为这属于这本书的支持性内容，考虑篇幅限制，没有介绍启用PAE的情况。书出版后，很多读者对这一内容很感兴趣，也有读者遇到了启用PAE的情况。因此决定写这篇短文来介绍一下PAE的概况，以及如何在启用PAE后的系统中做2.7.5节的试验。

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。因此实际上省略了低三位地址线。以奔腾4 CPU为例，它的地址线是A[35:3]#。也就是说，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，这实际上也起到了将地址按8字节对齐的功效。

PAE功能是P6处理器的第一代产品，Pentium Pro所引入的（参见《软件调试》35页），此后的IA-32 CPU都支持这一特征。系统软件可以使用CPUID指令检测当前运行的CPU是否支持PAE。控制寄存器CR4的第5位（CR4[5]）用来启用PAE （参见《软件调试》44页）。

因为当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？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。

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）

上图中画出的是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。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。

与没有启用PAE的4KB情况（参见《软件调试》2.7.4节）相比，有以下不同：

表的数量由原来的两张变为三张。

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。

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）

图3所示的是2MB内存页的情形。与未启用PAE的情况一样，不再需要页表。

有了以上基础后，下面我们来在一个启用了PAE的Windows XP SP2系统上做2.7.5节中的试验。

根据步骤1-4，找到gpszNum变量的地址为000ab048，其内容如下：

0:002> db 000ab048

000ab048  31 00 32 00 33 00 34 00-35 00 36 00 37 00 38 00  1.2.3.4.5.6.7.8.

000ab058  39 00 2e 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00  9...............

000ab068  00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 1e 68 72 28  .............hr(

000ab078  02 00 07 00 3e 01 08 00-90 b0 0a 00 00 b0 0a 00  ....>...........

000ab088  04 00 02 00 20 01 0c 00-01 00 00 00 01 00 00 00  .... ...........

000ab098  00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 57 00 53 00  ............W.S.

000ab0a8  02 00 04 00 24 01 0c 00-30 00 00 00 78 01 0a 00  ....$...0...x...

000ab0b8  02 00 02 00 26 01 08 00-d0 b0 0a 00 f0 b0 0a 00  ....&...........

启动一个本地内核调试会话，观察calc进程的概况：

lkd> !process 0 0 calc.exe

PROCESS 896acb08  SessionId: 0  Cid: 1020    Peb: 7ffd5000  ParentCid: 0fc8

    DirBase: 1b1c0aa0  ObjectTable: e3265fb8  HandleCount:  48.

    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：


将要转换的线性地址000ab048 显示为二进制：

lkd> .formats 000ab048

Evaluate expression:

  Hex:     000ab048

  Binary:  00000000 00001010 10110000 01001000

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（01010 1011）为页目录索引，即0xab。lkd> ? 0y010101011 Evaluate expression: 171 = 000000ab
    * 最后的12位（0000 01001000）是页内偏移，即0x48。

因为CR3值（1b1c0aa0） 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0x1b1c0aa0。观察这一地址附近的内容：

lkd> !dd 0x1b1c0aa0

#1b1c0aa0 6408b001 00000000 34bcc001 00000000

#1b1c0ab0 3d00d001 00000000 4430a001 00000000

#1b1c0ac0 5ae85001 00000000 12a46001 00000000

#1b1c0ad0 41807001 00000000 5e284001 00000000

#1b1c0ae0 35377001 00000000 3bcb8001 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。

根据上面的分解，1b1c0aa0对应的是0号表项，即00000000`6408b001。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0x6408b000，观察它的0号表项：

lkd> !dq 0x6408b000

#6408b000 00000000`42d20067 00000000`3c5b6067

#6408b010 00000000`3f11b067 00000000`1e551067

#6408b020 00000000`0e824067 00000000`2cecc067

#6408b030 00000000`39d4e067 00000000`00000000

#6408b040 00000000`0b6db067 00000000`00000000

#6408b050 00000000`00000000 00000000`00000000

#6408b060 00000000`00000000 00000000`00000000

#6408b070 00000000`00000000 00000000`00000000

可见，我们要翻译的线性地址对应的页目录表项是00000000`42d20067，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42d20000，观察它的0xab号表项：

lkd> !dq 42d20000+0xab*8

#42d20558 80000000`46852067 80000000`2a3db067

#42d20568 80000000`4009c067 80000000`43263067

#42d20578 80000000`444e4067 80000000`7b165067

#42d20588 80000000`0b92e067 80000000`3d12f067

#42d20598 80000000`283b0067 80000000`79871067

#42d205a8 80000000`348ba067 80000000`72cbb067

#42d205b8 80000000`421fd067 80000000`7223e067

#42d205c8 00000000`00000080 00000000`00000000

这样便得到页表表项：80000000`421fd067， 它的位12到位35是内存页基地址的高24位，即线性地址000ab048所对应的内存页基地址是421fd000，加上页内偏移0x48便得到最终的物理地址，即0x421fd048，显示其内容：

lkd> !db 46852048

#46852048 31 00 32 00 33 00 34 00-35 00 36 00 37 00 38 00 1.2.3.4.5.6.7.8.

#46852058 39 00 2e 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00 9...............

#46852068 00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 1e 68 72 28 .............hr(

#46852078 02 00 07 00 3e 01 08 00-90 b0 0a 00 00 b0 0a 00 ....>...........

#46852088 04 00 02 00 20 01 0c 00-01 00 00 00 01 00 00 00 .... ...........

#46852098 00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 57 00 53 00 ............W.S.

#468520a8 02 00 04 00 24 01 0c 00-30 00 00 00 78 01 0a 00 ....$...0...x...

#468520b8 02 00 02 00 26 01 08 00-d0 b0 0a 00 f0 b0 0a 00 ....&...........

可见，其内容与前面使用用户态调试器观察的内容是一致的。

张银奎

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