在 c 中表示内存

Question

我正在尝试用 C 语言编写指令集模拟器来模拟运行 ARM 的机器。 我需要能够有效地表示 4GB 内存，经过一番挖掘后，我找到了创建一个由 1024 个指针组成的数组的解决方案，每个指针指向一个 4MB 的块，该块在第一次使用时动态分配

#define MEMSIZE 1024    //1024 * 2Mb = 4Gb
#define PAGESIZE 4194304    //4 Mb
#define PAGEEXP 22      //2^PAGEEXP = PAGESIZE

uint32_t* mem[MEMSIZE];

我的问题是如何访问某个内存地址？

我尝试将地址分解为索引和偏移量，如下所示，但这似乎只为索引和偏移量返回 0。 （memAdd 是我要访问的地址）

memIdx = memAdd >> PAGEEXP;
memOfs = memAdd & PAGESIZE;

获得地址后我用来读/写的功能如下：

void memWrite(uint32_t idx, uint32_t ofs, uint32_t val)
{
    if(mem[idx] == 0)
        mem[idx] = malloc(PAGESIZE);
    *(mem[idx] + ofs) = *(mem[idx] + ofs) & val;
}

uint32_t memRead(uint32_t idx, uint32_t ofs)
{
    if(mem[idx] == 0)
        return 0;
    else
        return *(mem[idx] + ofs);
}

这些在我的脑海中似乎是正确的，但是我仍然不是 100% 对指针感到满意，所以这可能是错误的。

对不起，如果这已经在某个地方讨论过，但我找不到任何与我需要的东西相关的东西（我的关键字非常广泛）

Answer 1

从逻辑上而不是位级别开始。

每个页面有 4,194,304 字节。

然后，在算术上，要将线性地址转换为（页，偏移量）对，除以 4,194,304 得到页码，然后取余数得到页的偏移量。

page = address / PAGESIZE;
offset = address % PAGESIZE;

由于您想高效地执行此操作并且这些是 2 的幂，您可以用 PAGESIZE 的以 2 为底的对数（即 22）右移代替除以 PAGESIZE：

page = address >> PAGEEXP;

所以你的那部分代码是正确的。但是，要获得偏移量，您想要做的是屏蔽除刚刚移出页码的位之外的所有位。为此，您必须与 PAGESIZE - 1 进行 AND 操作。

offset = address & (PAGESIZE - 1);

这是因为在二进制中，您开始使用的是一个看起来像这样的数字（其中 p 是页码位，o 是偏移位）：

address = ppppppppppoooooooooooooooooooooo

您想自己获取页码和偏移量。您显然想右移 22 位以获取页码：

page = addresss >> 22 = 0000000000000000000000pppppppppp

但是，如果您与页面大小（二进制中的 00000000010000000000000000000000）进行与运算，则答案中最多只有一个 1 位，它只会告诉您页码是奇数还是偶数。没用。

您想要与的结果是比它少一位，即二进制 00000000001111111111111111111111，因此：

  ppppppppppoooooooooooooooooooooo 
& 00000000001111111111111111111111
-----------------------------------
= 0000000000oooooooooooooooooooooo

这是您获得偏移量的方式。

这是一个通用规则：如果 N 是 2 的整数次幂，则除以 N 与右移 log(N)/log(2) 相同，并且这种除法的余数由下式给出与 (N-1) 进行与运算。

Answer 2

如果PAGESIZE 是 2 的幂，则它只设置了 1 位。因此，将其与另一个值进行与运算只能在结果中设置零或一个位。两个可能的值。但是您将它用作数组索引。

此外，您的 memWrite(uint32_t idx, uint32_t ofs, uint32_t val) 函数始终与 val 的值进行“与”运算。因此，例如，如果val 是uint32_max，则对该函数的任何调用都将无效。

最后，你不仅不检查malloc()的失败结果，你也不初始化返回的内存块。

尝试这样的方法（不幸的是我无法测试它，我现在手头没有编译器）。

enum { SIM_PAGE_BITS = 22 };   // 2^22 = 4MiB
enum { SIM_MEM_PAGES = 1024 }; // 1024 * 4MiB = 4GiB
enum { SIM_PAGE_SIZE = (1<<SIM_PAGE_BITS) };
enum { SIM_PAGE_MASK = SIM_PAGE_SIZE-1 };
enum { UNINITIALISED_MEMORY_CONTENT = 0 };
enum { WORD_BYTES = sizeof(uint32_t)/sizeof(unsigned char) };

#define PAGE_OFFSET(addr) (SIM_PAGE_MASK & (uint32_t)addr)
// cast to unsigned type to avoid sign extension surprises if addr<0
#define PAGE_NUM(addr) (((uint32_t)addr) >> SIM_PAGE_BITS)
#define IS_UNALIGNED(addr) (addr & (WORD_BYTES-1))

unsigned char* mem[MEMSIZE];

uint32_t memRead(uint32_t addr) {
    if (IS_UNALIGNED(addr)) return handle_unaligned_read(addr);
    const uint32_t page = PAGE_NUM(addr);
    if (mem[page]) {
        const unsigned char *p = mem[page] + PAGE_OFFSET(addr);
        return *(uint32_t*)p;
    } else {
        return UNINITIALISED_MEMORY_CONTENT;
    }
}

void memWrite(uint32_t addr, uint32_t val) {
    if (IS_UNALIGNED(addr)) return handle_unaligned_write(addr, val);
    const uint32_t page = PAGE_NUM(addr);
    if (!mem[page]) {
        if (val == UNINITIALISED_MEMORY_CONTENT) {
            return;
        }
        mem[page] = malloc(SIM_PAGE_SIZE);
        if (!mem[page]) {
            handle_out_of_memory();
        }
        // If UNINITIALISED_MEMORY_CONTENT is always 0 we can 
        // use calloc instead of malloc then memset.
        memset(mem[page], UNINITIALISED_MEMORY_CONTENT, SIM_PAGE_SIZE);
    } 
    const unsigned char *p = mem[page] + PAGE_OFFSET(addr);
    *(uint32_t*)p = val;
}

Answer 3

这会做你想做的事。我用过更小的尺寸。为了清楚起见，我省略了错误检查。它使用您使用索引器数组的方案。

#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <stdint.h>

#define NUMPAGE 1024
#define NUMINTSPERPAGE 4

uint32_t* buf;
uint32_t* idx[NUMPAGE];

void InitBuf()
{
    buf = (uint32_t*) calloc(NUMPAGE, NUMINTSPERPAGE * sizeof uint32_t );
    for ( size_t i = 0; i < NUMPAGE; i++ )
    {
        idx[i] = &buf[i * NUMINTSPERPAGE * sizeof uint32_t];
    }
}

void memWrite(size_t i, size_t ofs, uint32_t val)
{
    idx[i][ofs] = val;
}
uint32_t memRead(size_t i, size_t ofs)
{
    return idx[i][ofs];
}
int main()
{
    InitBuf();
    uint32_t val = 1243;
    memWrite(1, 2, val);
    printf("difference = %ld", val - memRead(1, 2));
    getchar();
}

Answer 4

我认为memOfs 的值计算不正确。例如，PAGESIZE 表示的十进制值4194304 是十六进制的0x400000，这意味着在按位与运算后，您只能得到原始地址的第 22 位，而不是低 22 位。将该值添加到 4MB 页面数组指针实际上会使您超出堆上已分配数组的末尾。将偏移量计算的掩码更改为0x3FFFFF，然后将其与原始内存地址按位与，以便计算到页面的正确偏移量。比如：

memIdx = memAdd >> PAGEEXP;
memOfs = memAdd & 0x3FFFFF;  //value of memOfs will be between 0 and 4194303