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combojiang
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[原创]透过MmIsAddressValid看Windows分页机制

2008-3-16 00:53 46199

[原创]透过MmIsAddressValid看Windows分页机制

2008-3-16 00:53
46199
这两天在逆向分析MmIsAddressValid这个函数,学习了下PAE分页机制,并且也发现了一个问题。就是本机ntoskrnl中导出的MmIsAddressValid函数是采用非PAE方式的,而本机XP SP2系统采用的却是PAE方式的分页机制。这个可以通过windbg中看到。 在这里写出来与大家分享。关于PAE (Physical Address Extension 物理地址扩展)是 Intel x86 Pentium Pro处理器引入的一种内存映射模式。在此模式下CPU可以访问多达64GB的物理内存。
在PAE模式下PDE和PTE为64位,而不是原来的32位。其结构如下:
lkd> dt _hardware_pte
nt!_HARDWARE_PTE
   +0x000 Valid            : Pos 0, 1 Bit
   +0x000 Write            : Pos 1, 1 Bit
   +0x000 Owner            : Pos 2, 1 Bit
   +0x000 WriteThrough     : Pos 3, 1 Bit
   +0x000 CacheDisable     : Pos 4, 1 Bit
   +0x000 Accessed         : Pos 5, 1 Bit
   +0x000 Dirty            : Pos 6, 1 Bit
   +0x000 LargePage        : Pos 7, 1 Bit
   +0x000 Global           : Pos 8, 1 Bit
   +0x000 CopyOnWrite      : Pos 9, 1 Bit
   +0x000 Prototype        : Pos 10, 1 Bit
   +0x000 reserved0        : Pos 11, 1 Bit
   +0x000 PageFrameNumber  : Pos 12, 26 Bits
   +0x000 reserved1        : Pos 38, 26 Bits
   +0x000 LowPart          : Uint4B
   +0x004 HighPart         : Uint4B
以上具体理论部分可以看下intel的v3.System Programming Guide。上面有这两种分页方式的介绍。

非PAE分页,理论部分,看图,分4K 和 4M两种页。




下面是ida 看到的ntoskrnl.exe中导出的MmIsAddressValid。
.text:0040C661 ; BOOLEAN __stdcall MmIsAddressValid(PVOID VirtualAddress)
.text:0040C661                 public MmIsAddressValid
.text:0040C661 MmIsAddressValid proc near              ; CODE XREF: sub_40D65E+Cp
.text:0040C661                                         ; sub_415459:loc_415470p ...
.text:0040C661
.text:0040C661 VirtualAddress  = dword ptr  8
.text:0040C661
.text:0040C661 ; FUNCTION CHUNK AT .text:0041B84E SIZE 00000007 BYTES
.text:0040C661 ; FUNCTION CHUNK AT .text:0044A4F2 SIZE 00000019 BYTES
.text:0040C661
.text:0040C661                 mov     edi, edi
.text:0040C663                 push    ebp
.text:0040C664                 mov     ebp, esp
.text:0040C666                 mov     ecx, [ebp+VirtualAddress]
.text:0040C669                 mov     eax, ecx
.text:0040C66B                 shr     eax, 14h        ; 右移20位
.text:0040C66E                 mov     edx, 0FFCh      ; 取高10位
.text:0040C673                 and     eax, edx
.text:0040C675                 sub     eax, 3FD00000h  ; 加上0xc0300000
.text:0040C675                                         ; PDE = ((VA >> 22) << 2 )& 0xffc + 0xc0300000
.text:0040C67A                 mov     eax, [eax]
.text:0040C67C                 test    al, 1           ; present位
.text:0040C67E                 jz      loc_41B84E
.text:0040C684                 test    al, al
.text:0040C686                 js      short loc_40C6AC ; 判断page size位
.text:0040C688                 shr     ecx, 0Ah        ; 右移10位
.text:0040C68B                 and     ecx, 3FFFFCh
.text:0040C691                 sub     ecx, 40000000h
.text:0040C697                 mov     eax, ecx        ; PTE = ((VA >> 12) << 2 ) & 0x3FFFC + 0xc0000000
.text:0040C699                 mov     ecx, [eax]      ; ecx = PTE Context
.text:0040C69B                 test    cl, 1           ; 判断present位
.text:0040C69E                 jz      loc_41B84E
.text:0040C6A4                 test    cl, cl
.text:0040C6A6                 js      loc_44A4F2      ; 判断page size位
.text:0040C6AC
.text:0040C6AC loc_40C6AC:                             ; CODE XREF: MmIsAddressValid+25j
.text:0040C6AC                                         ; MmIsAddressValid+3DE9Fj
.text:0040C6AC                 mov     al, 1
.text:0040C6AE
.text:0040C6AE loc_40C6AE:                             ; CODE XREF: MmIsAddressValid+F1EFj
.text:0040C6AE                 pop     ebp
.text:0040C6AF                 retn    4
.text:0040C6AF MmIsAddressValid endp
.text:0040C6AF

还原为c代码为:
BOOLEAN MmIsAddressValid ( PVOID VirtualAddress )
{
    BYTE PresentSign = 0x1;
        BYTE PageSizeSign = 0x80;
        BYTE PresentAndPageSizeSign = 0x81;
        PVOID lVirtualAddress;
        ULONG PDE,PDEContext;
        ULONG PTE,PTEContext;
        lVirtualAddress = VirtualAddress;
        PDE = (((ULONG)lVirtualAddress>>22)<<2) & 0xffc + 0xC0300000;
        PDEContext = (ULONG)*(PVOID)PDE;
        if(!(PDEContext & PresentSign))
                return FALSE;

        if(PDEContext & PageSizeSign)
                return TRUE;

    PTE = (((ULONG)lVirtualAddress>>12)<<2) & 0x3FFFc + 0xC0000000;
        PTEContext = (ULONG)*(PVOID)PTE;
        if(!(PTEContext & PresentSign ))
                return FALSE;

        if(!(PTEContext & PageSizeSign))
                return TRUE;
        else
        {
         PDE = (ULONG)PTE & 0xffc  + 0xc0300000;
                 PDEContext = (ULONG)*(PVOID)PDE;
                 if(PDEContext & PresentAndPageSizeSign)
                         return TRUE;

        }

    return FALSE;
}

它是非PAE分页模式.从代码中得出PDE,PTE的计算公式为:
PDE = ((VA >> 22) << 2 ) & 0xffc + 0xc0300000;
PTE = ((VA >> 12) << 2 ) & 0x3FFFFC + 0xc0000000;


PAE分页,理论部分,看图,分4K 和 2M两种页。




接下来看看Windbg中反编译得到的。
lkd> u MmIsAddressValid l 50
nt!MmIsAddressValid:
80510fa0 8bff            mov     edi,edi
80510fa2 55              push    ebp
80510fa3 8bec            mov     ebp,esp
80510fa5 51              push    ecx           ;申请空间 EBP - 4
80510fa6 51              push    ecx           ;申请空间 EBP - 8

80510fa7 8b4d08          mov     ecx,dword ptr [ebp+8] ; 取参数,虚拟地址
80510faa 56              push    esi
80510fab 8bc1            mov     eax,ecx
80510fad c1e812          shr     eax,12h ; 右移12H(18位,相当于>>21<<3),即线性地址高11位(32- 21)代表页目录索引,而页目录中每

                                         ; 个索引占8个字节,故该索引在页目录中的相对偏移位置是页目录索引*8,也就是<<3。找到其
                                         ; PDE

80510fb0 bef83f0000      mov     esi,3FF8h ;3FF8H = 11 1111 1111 1 000 ,标示取高11位
80510fb5 23c6            and     eax,esi
80510fb7 2d0000a03f      sub     eax,3FA00000h ; 页目录对应的虚拟地址 0 - 3FA00000 = c0600000h,页目录地址 + 原有的eax的偏移 =

                                               ; PDE,每个PDE中有8字节,代表64位的页表

80510fbc 8b10            mov     edx,dword ptr [eax]   ;取PDE低4字节
80510fbe 8b4004          mov     eax,dword ptr [eax+4] ;取PDE高4字节
80510fc1 8945fc          mov     dword ptr [ebp-4],eax ;暂存

80510fc4 8bc2            mov     eax,edx
80510fc6 57              push    edi
80510fc7 83e001          and     eax,1    ;页面存在标志 Present位
80510fca 33ff            xor     edi,edi
80510fcc 0bc7            or      eax,edi
80510fce 7461            je      nt!MmIsAddressValid+0x91 (80511031) ;如果页面存在标志Present位 = 0,表示该页没有加载到对应的

                                                                    ;物理页面,不是有效地址。

80510fd0 bf80000000      mov     edi,80h ; 80H = 1000 0000
80510fd5 23d7            and     edx,edi                ;取Page size位,Page size位 = 1,表示LargePage  
80510fd7 6a00            push    0
80510fd9 8955f8          mov     dword ptr [ebp-8],edx
80510fdc 58              pop     eax                    ;EAX = 0
80510fdd 7404            je      nt!MmIsAddressValid+0x43 (80510fe3) ; 最高位 = 0 ,非LargePage
80510fdf 85c0            test    eax,eax                              
80510fe1 7452            je      nt!MmIsAddressValid+0x95 (80511035) ;最高位 = 1,LargePage的情况,跳转

80510fe3 c1e909          shr     ecx,9  ;ecx=线性地址,右移9位,相当于>>12 <<3 。即地址中的高20位代表pte偏移,低12位表示属性

80510fe6 81e1f8ff7f00    and     ecx,7FFFF8h ;7FFFF8h = 0111 1111 1111 1111 1111 1 000,20位,第31到第12位,即前面20位
80510fec 8b81040000c0    mov     eax,dword ptr [ecx-3FFFFFFCh];  
80510ff2 81e900000040    sub     ecx,40000000h  ;pte=((VA>>12)<<3) &0x7FFFF8 +0xc0000000; (-0x40000000 means +0xc0000000)
80510ff8 8b11            mov     edx,dword ptr [ecx] ;PTE context
80510ffa 8945fc          mov     dword ptr [ebp-4],eax
80510ffd 53              push    ebx
80510ffe 8bc2            mov     eax,edx
80511000 33db            xor     ebx,ebx
80511002 83e001          and     eax,1 ; pte 页面存在标志 Present位
80511005 0bc3            or      eax,ebx
80511007 5b              pop     ebx
80511008 7427            je      nt!MmIsAddressValid+0x91 (80511031);无效位跳转

8051100a 23d7            and     edx,edi ;edx=pte,edi=80h,取Page size位,Page size位 = 1,表示LargePage
8051100c 6a00            push    0
8051100e 8955f8          mov     dword ptr [ebp-8],edx ;暂存
80511011 58              pop     eax
80511012 7421            je      nt!MmIsAddressValid+0x95 (80511035) ;not LargePage,valid
80511014 85c0            test    eax,eax                             ; LargePage
80511016 751d            jne     nt!MmIsAddressValid+0x95 (80511035)

80511018 23ce            and     ecx,esi  ;ecx=pte,esi=3FF8h 3FF8H = 11 1111 1111 1 000 ,表示取高11位 2M分页的情况

8051101a 8b89000060c0    mov     ecx,dword ptr [ecx-3FA00000h] ; 0 - 3FA00000 = c0600000h ;ecx = PDE Context
80511020 b881000000      mov     eax,81h ;判断Page size位和Present位
80511025 23c8            and     ecx,eax
80511027 33d2            xor     edx,edx
80511029 3bc8            cmp     ecx,eax   
8051102b 7508            jne     nt!MmIsAddressValid+0x95 (80511035)
8051102d 85d2            test    edx,edx ;not valid

8051102f 7504            jne     nt!MmIsAddressValid+0x95 (80511035)
80511031 32c0            xor     al,al
80511033 eb02            jmp     nt!MmIsAddressValid+0x97 (80511037)

80511035 b001            mov     al,1
80511037 5f              pop     edi
80511038 5e              pop     esi
80511039 c9              leave
8051103a c20400          ret     4

还原为c的代码为:
BOOLEAN MmIsAddressValid ( PVOID VirtualAddress )
{
    BYTE PresentSign = 0x1;
        BYTE PageSizeSign = 0x80;
        BYTE PresentAndPageSizeSign = 0x81;
        PVOID lVirtualAddress;
        ULONG PDE,PDEContext;
        ULONG PTE,PTEContext;
        lVirtualAddress = VirtualAddress;
        PDE = (((ULONG)lVirtualAddress>>21)<<3) & 0x3FF8 + 0xC0600000;
        PDEContext = (ULONG)*(PVOID)PDE;
        if(!(PDEContext & PresentSign))
                return FALSE;

        if(PDEContext & PageSizeSign)
                return TRUE;

    PTE = (((ULONG)lVirtualAddress>>12)<<3) & 0x7FFFF8 + 0xC0000000;
        PTEContext = (ULONG)*(PVOID)PTE;
        if(!(PTEContext & PresentSign ))
                return FALSE;

        if(!(PTEContext & PageSizeSign))
                return TRUE;
        else
        {
         PDE = (ULONG)PTE & 0x3ff8  + 0xc0600000;
                 PDEContext = (ULONG)*(PVOID)PDE;
                 if(PDEContext & PresentAndPageSizeSign)
                         return TRUE;

        }

    return FALSE;
}
现在PAE模式,PDE,PTE地址的计算公式是:
int   PDE = ((lVirtualAddress>>21)<<3) & 0x3FF8 + 0xC0600000;
int   PTE = ((lVirtualAddress>>12)<<3) & 0x7FFFF8 + 0xC0000000;


以上VA表示virtual address

看看本机pte和pde的基地址
lkd> !pte
               VA 00000000
PDE at 00000000C0600000    PTE at 00000000C0000000
contains 000000004D5C1067  contains 0000000000000000
pfn 4d5c1 ---DA--UWEV

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HSQ 活跃值 8 2008-3-16 07:40
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顶了,最近也在看分页机制, 昨天总算X86下的地址转译完全搞明白了,这篇真是太及时了
sudami
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精彩滴不爹行,鼓掌...
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lOOp 活跃值 2008-3-17 22:52
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lkd> dt _hardware_pte
这个指令我这里怎么不成功啊??  
是不是在内核调试模式下
还是其他啊??
希望指点(有具体的步骤吗) 谢谢
sudami
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sudami 活跃值 25 2008-3-17 22:57
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lkd> dt _hardware_pte
nt!_HARDWARE_PTE
   +0x000 Valid            : Pos 0, 1 Bit
   +0x000 Write            : Pos 1, 1 Bit
   +0x000 Owner            : Pos 2, 1 Bit
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   +0x000 Prototype        : Pos 10, 1 Bit
   +0x000 reserved         : Pos 11, 1 Bit
   +0x000 PageFrameNumber  : Pos 12, 20 Bits

RPWT
forgot
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forgot 活跃值 26 2008-3-17 23:58
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8楼按一下ctrl+S
zhuwg
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zhuwg 活跃值 11 2008-3-18 08:15
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8楼设置好symbol就可以了

lkd> vertarget
Windows XP Kernel Version 2600 (Service Pack 2) UP Free x86 compatible
Product: WinNt, suite: TerminalServer SingleUserTS Personal
Built by: 2600.xpsp_sp2_gdr.070227-2254
Kernel base = 0x804d8000 PsLoadedModuleList = 0x8055b620
Debug session time: Tue Mar 18 08:19:00.774 2008 (GMT+8)
System Uptime: 0 days 0:37:43.294

lkd> dt _hardware_pte
nt!_HARDWARE_PTE
   +0x000 Valid            : Pos 0, 1 Bit
   +0x000 Write            : Pos 1, 1 Bit
   +0x000 Owner            : Pos 2, 1 Bit
   +0x000 WriteThrough     : Pos 3, 1 Bit
   +0x000 CacheDisable     : Pos 4, 1 Bit
   +0x000 Accessed         : Pos 5, 1 Bit
   +0x000 Dirty            : Pos 6, 1 Bit
   +0x000 LargePage        : Pos 7, 1 Bit
   +0x000 Global           : Pos 8, 1 Bit
   +0x000 CopyOnWrite      : Pos 9, 1 Bit
   +0x000 Prototype        : Pos 10, 1 Bit
   +0x000 reserved         : Pos 11, 1 Bit
   +0x000 PageFrameNumber  : Pos 12, 20 Bits
lkd> !pte
               VA 00000000
PDE at   C0300000        PTE at C0000000
contains 118C5067      contains 00000000
pfn 118c5 ---DA--UWEV
lOOp
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lOOp 活跃值 2008-3-18 17:33
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谢谢ls的几位
网速太慢我就下载了ms的符号包
安装在D:\SymbolFile
然后winDbg的symbol path设置也是D:\SymbolFile
环境变量的设置也是一样
不过还是有问题  到底是哪里的问题啊   
是不是symbol路径的问题??  
rp应该没有wt。。。                 谢谢了
lOOp
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lOOp 活跃值 2008-3-18 18:10
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获益匪浅,谢谢各位。。。。
sudami
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sudami 活跃值 25 2008-3-18 20:55
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哎,搜索一下,问题就解决了。。。

总是有人问同样的问题,而又不去利用搜索引擎~~~~

http://hi.baidu.com/sudami/blog/item/d62dd22b188968fee6cd40ac.html
lOOp
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lOOp 活跃值 2008-3-18 22:35
15
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“哎,搜索一下,问题就解决了。。。“
谢谢楼上的。。。。
绝对不会有下次了。。
谢谢
jsxuqiang
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jsxuqiang 活跃值 2008-3-26 20:09
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bf风格的发挥得好
winnip
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winnip 活跃值 1 2008-3-26 20:20
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为软的符号包190M吗?各位大大?
zhuliang
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zhuliang 活跃值 5 2008-4-5 13:26
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好强好大啊,才华过人。
trkzrq
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trkzrq 活跃值 2008-4-9 07:52
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太强大了,学习。
vbcs
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vbcs 活跃值 2 2008-4-14 20:45
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楼主的机子是64位的呀。
wowzjj
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wowzjj 活跃值 2008-5-6 21:38
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学习中,但是sub     ecx,40000000h  ;pte=((VA>>12)<<3) &0x7FFFF8 +0xc0000000; (-0x40000000 means +0xc0000000) 这段sub     ecx,40000000h为减法指令是怎么转成+0xc0000000,想了好半天都想不明白,清楚的指点下,谢谢
zhoujiamur
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zhoujiamur 活跃值 1 2008-11-13 23:17
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好东西,又见combojiang好文
安摧
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安摧 活跃值 2 2009-2-7 23:25
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好帖子啊,可惜还是没有怎么看懂的~~~~opps
学习ing
Vxer
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Vxer 活跃值 2009-9-12 22:40
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学习好东西
xianzq
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xianzq 活跃值 2010-3-29 17:59
25
0
我汗,完全不懂的底调路过!
aluke
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aluke 活跃值 2010-4-27 11:44
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不太懂 这个 else
  else
  {
         PDE = (ULONG)PTE & 0xffc  + 0xc0300000;
     PDEContext = (ULONG)*(PVOID)PDE;
     if(PDEContext & PresentAndPageSizeSign)
       return TRUE;

  }
crazybug
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crazybug 活跃值 2 2010-5-4 23:04
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sub ecx,40000000h  等于add ecx, -40000000h  就是0xc0000000(基本的补码:取反加1)
hejiwen
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hejiwen 活跃值 2 2010-7-27 12:40
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Mark一下,看看学习
panderfly
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panderfly 活跃值 2010-9-27 02:57
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学习了
redberries
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redberries 活跃值 2011-7-2 15:28
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mark 一下
zhujiaxi
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zhujiaxi 活跃值 2011-8-2 00:04
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0
还有36 位下4M分页机制呢,干嘛不讨论一下
silence刘
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silence刘 活跃值 2013-1-22 09:55
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好文,让我对Windows的分页机制又有了进一步的了解
vanevane
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vanevane 活跃值 2013-2-9 19:29
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看不懂。。。
liuganchao
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liuganchao 活跃值 2013-4-4 16:47
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错误:
PDE = ((VA >> 22) << 2 ) & 0xffc + 0xc0300000;
PTE = ((VA >> 12) << 2 ) & 0x3FFFFC + 0xc0000000;
正确:
PDE = (((VA >> 22) << 2 ) & 0xffc) + 0xc0300000;
PTE = (((VA >> 12) << 2 ) & 0x3FFFFC) + 0xc0000000;
原因:优先级;(环境:编程表达式,人为逻辑除外。)
凉风
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凉风 活跃值 2013-4-14 15:03
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收藏 MARK
IamHuskar
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IamHuskar 活跃值 4 2014-10-8 16:05
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lukarl
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lukarl 活跃值 2016-1-18 17:59
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感谢,现在还是很有用
RingMENG
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RingMENG 活跃值 2016-5-10 13:32
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还有人告知0x3FF8  0x7FFFF8这两个值得具体含义吗?
zEqueue
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zEqueue 活跃值 2016-9-22 15:27
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学习了,帮助很大
印度硬汉
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印度硬汉 活跃值 2020-5-30 22:29
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aluke 不太懂 这个 else &nbsp;&nbsp;else &nbsp;&nbsp;{ &nbsp; &nbsp;&nbsp; &n ...
2020年也来问问这个else是特么怎么就用PTE转会PDE了?
印度硬汉
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印度硬汉 活跃值 2020-5-30 22:37
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aluke 不太懂 这个 else &nbsp;&nbsp;else &nbsp;&nbsp;{ &nbsp; &nbsp;&nbsp; &n ...
.text:0040C6A6                 js      loc_44A4F2      ; 判断page size位
这个地方是不是判断pte的PAT位啊?
ZwCopyAll
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ZwCopyAll 活跃值 2020-5-30 22:45
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