Windows 95/98下直接访问物理内存

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 95/98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 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
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GetThreadSelec
torEntry()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,
    // 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;
    union {
    struct {
    BYTE BaseMid;
    BYTE Flags1;
    BYTE Flags2;
    BYTE BaseHi;
    } Bytes;
    struct {
    DWORD BaseMid : 8;
    DWORD Type : 5;
    DWORD Dpl : 2;
    DWORD Pres : 1;
    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 +=8 ) {
    if (::GetThreadSelectorEntry ( theApp.m_hThread,
    DWORD ( sel ), &ldtEntry ) ) {
    baseMid = ldtEntry . HighWord . Bytes . BaseMid;
    baseMid <<= 16;
    baseHigh = ldtEntry . HighWord . Bytes . BaseHi;
    baseHigh <<= 24;
    base = ldtEntry . BaseLow + baseMid +
     baseHigh;
    limitHigh = m_ldtEntry . HighWord . Bits . LimitHi;
    limitHigh <<= 24;
    limit = limitHigh + m_ldtEntry . LimitLow;
    if ( 0xFFFF == limit )
    if ( BASE_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, const char * str, UINT length)
{
    char cWrite;
    for ( UINT i = 0; i < length; i ++ )
    {
     cWrite = str [i];
     _asm { 　　　　push es 　　　　mov ax, sel 　　　　mov es, ax
　　　　mov ebx, dwOffset 　　　　mov al, cWrite 　　　　mov byte ptr es:[ebx], al
　　　　inc 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
    　　　　mov ebx, dwOffset
    　　　　mov al, byte ptres:[ebx]
    　　　　mov cRead, al
    　　　　inc dwOffset
    　　　　pop es
    }
    　　str [i] = cRead;
    }
}
    本文所用操作系统为中文Windows 95 OSR 2.0以及中文Windows
98,编程环境为Vis ual C++ 5.0。

原文转自：http://www.ltesting.net