16_TLB与流水线

Posted 2020-11-16 leibso-cy

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了16_TLB与流水线相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 前面做的实验起始有缺陷

访问内存之后，后面执行两句代码后；并不能保证刚才访问的代码还在TLB中；有可能被刷新出去了；

实验验证缺陷：

代码不连续 TLB 被淘汰：

2万次中有1次被淘汰；由于访问代码不连续

代码：

// 7_TLB_test.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//
?
#include "pch.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<Windows.h>
?
#define PTE(x) ( (DWORD*)(0xc0000000 + ((x >> 12) << 3)))
#define PDE(X) ( (DWORD*)(0xc0600000 + ((x >> 21) << 3))) 
DWORD g_out;
DWORD g_OldPte[2];
#pragma section("data seg", read, write)
_declspec(allocate("data seg"))DWORD pagel[1024]; //41d000
_declspec(allocate("data seg"))DWORD page2[1024]; //41c000
//0x401000
void _declspec(naked) IdtEntry()
{

// 保存旧的pte ，以用来恢复pte 解决不蓝屏
g_OldPte[0] = PTE(0x41c000)[0];
g_OldPte[1] = PTE(0x41c000)[1];
?
PTE(0x41c000)[0] = PTE(0x41d000)[0];// 不设置G位
PTE(0x41c000)[1] = PTE(0x41d000)[1];
?
__asm invlpg ds : [0x41c000] // 带有 g 位的刷新；
?
// 刷新虚拟地址在TLB中
__asm
{
    mov eax, ds: [0x41c000];// 这个时候到快表中了 TLB[0x41c000] 中的值因该是 1；
}
?
// pte 修改回来，但是TLB 中存在所以应该还是 1
PTE(0x41c000)[0] = g_OldPte[0];
PTE(0x41c000)[1] = g_OldPte[1];
?
__asm
{
    mov eax,ds:[0x41c000]
    mov g_out,eax
}                // 如果前面访问之后还在快表中，那么这里应该是 [0x41d000] 中的 1；
                    // 如果不再快表中了 那么是修改回来的 ，本来的 [0x41c000] 中的 2；
?
/*__asm {
    mov eax, cr3
    mov cr3, eax
}*/
__asm invlpg ds : [0x41c000] // 带有 g 位的刷新；
//// 调用调用；确保在 TL B  中
//__asm mov eax, ds:[0x41c000];
?
//// 恢复到原来的pte  
////---- 这样
//// 按道理 后面一旦后面刷新 TLB 将 普通 TLB 刷新出去，
//// 那么 g_out = page2[0] 的值就 应该是 正常 的原 pte 对应的数据 -- 2。
//PTE(0x41c000)[0] = g_OldPte[0];
//PTE(0x41c000)[1] = g_OldPte[1];
?
//__asm
//{
//mov eax, cr3
//mov cr3, eax
//}
?
?
//g_out = page2[0]; // 讲道理 在非G位下 应该是2（原PTE解析出的） -- 但是这里我们设置了PTE 的G位，
//              // so 这里应该是 TLB快表中 对应的 1；
?
?
__asm {
    iretd
}
}
void _declspec(naked) go() {
{
    pagel[0] = 1; //确保物理页存在
    page2[0] = 2;
?
}
__asm int 0x20
__asm ret
}
//eq 8003f500 0040ee00~ 00081000
void main()
{
if ((DWORD)IdtEntry != 0x401040)
{
    printf("wrong addr: %p", IdtEntry);
    exit(-1);
}
for (int i = 0; i < 200000; i++)
{
    go();
    if (g_out == 2)
    {
        printf("%d  ： %d ==== ",i, g_out);
        printf("%d  ： %d
", i, page2[0]); // 打印出来 还是有小概率 不相同；说明还是在快表中的。
    }
}

system("pause");
}
?

G位即使存在访问代码不连续也可能被淘汰：

我这里循环了20000次，有1次G位即使在也被TLB淘汰了。

代码：

// 7_TLB_test.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//
?
#include "pch.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<Windows.h>
?
#define PTE(x) ( (DWORD*)(0xc0000000 + ((x >> 12) << 3)))
#define PDE(X) ( (DWORD*)(0xc0600000 + ((x >> 21) << 3))) 
DWORD g_out;
DWORD g_OldPte[2];
#pragma section("data seg", read, write)
_declspec(allocate("data seg"))DWORD pagel[1024]; //41d000
_declspec(allocate("data seg"))DWORD page2[1024]; //41c000
//0x401000
void _declspec(naked) IdtEntry()
{

// 保存旧的pte ，以用来恢复pte 解决不蓝屏
g_OldPte[0] = PTE(0x41c000)[0];
g_OldPte[1] = PTE(0x41c000)[1];
?
PTE(0x41c000)[0] = PTE(0x41d000)[0]| 0x100;// 设置G位
PTE(0x41c000)[1] = PTE(0x41d000)[1];
?
__asm invlpg ds : [0x41c000] // 带有 g 位的刷新；
?
// 刷新虚拟地址在TLB中
__asm
{
    mov eax, ds: [0x41c000];// 这个时候到快表中了 TLB[0x41c000] 中的值因该是 1；
}
?
// pte 修改回来，但是TLB 中存在所以应该还是 1
PTE(0x41c000)[0] = g_OldPte[0];
PTE(0x41c000)[1] = g_OldPte[1];
?
__asm
{
    mov eax,ds:[0x41c000]
    mov g_out,eax
}                // 如果前面访问之后还在快表中，那么这里应该是 [0x41d000] 中的 1；
                    // 如果不再快表中了 那么是修改回来的 ，本来的 [0x41c000] 中的 2；
?
//__asm invlpg ds : [0x41c000] // 带有 g 位的刷新；即前面如果还在快表中，这里刷新pte再返回3环程序后再次输出。做测试用的没有意义了。
__asm {
    iretd
}
}
void _declspec(naked) go() {
{
    pagel[0] = 1; //确保物理页存在
    page2[0] = 2;
?
}
__asm int 0x20
__asm ret
}
//eq 8003f500 0040ee00~ 00081000
void main()
{
if ((DWORD)IdtEntry != 0x401040)
{
    printf("wrong addr: %p", IdtEntry);
    exit(-1);
}
for (int i = 0; i < 20000; i++)
{
    go();
    if (g_out == 2)
    {
        printf("%d  ： %d ==== ",i, g_out);
        printf("%d  ： %d
", i, page2[0]); // 打印出来 还是有小概率 不相同；说明还是在快表中的。
    }
}

system("pause");
}
?

总结：注意啊：：：切换 cr3 刷新TLB G位的无影响；得使用

__asm invlpg ds : [0x41c000] // 无视 g 位的刷新；

3 流水线指令TLB 和数据TLB 得相互影响

前置知识：如果我们的页面没有可执行属性的话；在没有TLB中时，我们修改pte后，第一次访问绝对时修改pte之后的对应的物理页数据；但是如果有可执行属性，那么在cpu 流水线技术( 执行指令的时候，也在取指令，且根据将会执行的可能性提前取指令)：

现象：

没有可执行属性的时候；且没有主动加入快表的时候；坑定是可预计的数据：

但是一旦加入了可执行属性，流水线的预先取指令，可能执行到这儿，取后面的指令：

发现后面的指令有 0x405000 ，而且 0x405000 有可执行属性，可能就预先取了这个指令；继而访问；加入了TLB。（但是即使这样这里也是指令TLB ，但是这里影响到了数据TLB,但是概率也不高）

代码：

#include "pch.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<Windows.h>
?
#define PTE(x) ( (DWORD*)(0xc0000000 + ((x >> 12) << 3)))
#define PDE(X) ( (DWORD*)(0xc0600000 + ((x >> 21) << 3))) 
DWORD g_out;
DWORD g_OldPte[2];
#pragma section("data seg", read, write)
_declspec(allocate("data seg"))DWORD pagel[1024]; //41d000
_declspec(allocate("data seg"))DWORD page2[1024]; //41c000
//0x401000
void _declspec(naked) IdtEntry()
{
// 保存旧的pte ，以用来恢复pte 解决不蓝屏
g_OldPte[0] = PTE(0x41c000)[0];
g_OldPte[1] = PTE(0x41c000)[1];
__asm{
    mov eax,cr3
    mov cr3,eax
}
//__asm mov eax, ds :[0x41b000]
PTE(0x41c000)[0] = PTE(0x41d000)[0];
PTE(0x41c000)[1] = PTE(0x41d000)[1];
__asm {
    mov eax, ds :[0x41c000]
    mov g_out, eax
}
PTE(0x41c000)[0] = g_OldPte[0];
PTE(0x41c000)[1] = g_OldPte[1];
_asm {
    mov eax, cr3
    mov cr3, eax
    iretd
}
}
void _declspec(naked) go()
{
?
pagel[0] = 0xc3; //
page2[0] = 0xc390;
((void(*)())(DWORD)pagel)();
((void(*)())(DWORD)page2)();
__asm int 0x20
__asm ret
}
//eq 8003f500 0040ee00 00081000
void main()
{
if ((DWORD)IdtEntry != 0x401040)
{
    printf("wrong addr: %p", IdtEntry);
        exit(-1);
}
?
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    go();
    if (g_out != 0xc3)
        printf("%d: %p
",i, g_out);
    
}
system("pause");
}
?
?