Windows虚拟地址转物理地址（原理+源码实现，附简单小工具）

2021-07-15 15:15

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　　　　　 By Lthis

上个月就想写了，一直没时间...网上大概搜了一下，原理与操作倒是一大堆，一直没看到源码实现，总得有人动手，这回轮到我了。东西写得很烂，请大牛勿喷。一直觉得靠源码的方式驱动学习是非常好的一种学习方法，比较直观！声明一下，本教程只有讨论开启PAE与关闭PAE两种，至于PSE是否开启没有管...我的虚拟机默认PSE貌似是开启滴？不知是不是写的小工具有问题....对于x64下的等我有时间再写吧。

东西都上传在压缩包中了，Codes文件夹下是工程源码，Demo文件夹下是测试案例，Tool文件夹放的是小工具的Demo和源码。

我的环境：开发环境（win7 sp1 x64 + vs2013社区版 update5 + wdk8.1）

测试环境（vm10 + win7 sp1 x86）

一、先说说未开启PAE的情况，祭出intel手册的经典图例：

技术分享图片

这幅图就是虚拟地址转为物理地址的原理图（4k页面），看图说话，用伪代码描述一下：

1.Directory Entry(PDE) = PDBR[Directory];

2.Page-Table Entry(PTE) = PDE + Table * 4;

3.Physical Address = PTE + Offset;

由上可知，Linear Address(线性地址)中的Directory和Table其实就是个索引，在未开启PAE的情况下，PDE、PTE均是32bit（4字节，所以要Table*4），以上只是原理上的描述，实际上，PDE、PTE的后3位是属性值，所以需要把后3位抹掉。

下边上关键代码，基本都步骤都写了注释了，有需要的可以封装成函数。此外，本段代码只是测试用，写的很不规范，比如，在调用MmMapIoSpace应该调用MmUnMapIoSpace释放内存。

            // 得到ring3传入的虚拟地址
            size_t* pOutAddress = (size_t*)MmGetSystemAddressForMdlSafe(pIrp->MdlAddress, NormalPagePriority);
            VIRTUAL_ADDRESS virtualAddress = { 0 };
            virtualAddress.ulVirtualAddress = *pOutAddress;
            ULONG pdbr;

            _asm{
                mov eax,  cr3;
                mov pdbr, eax;
            }
            
            PHYSICAL_ADDRESS phyAddress = { 0 };
            phyAddress.LowPart = pdbr;
            PULONG pPdbr = (PULONG)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            KdPrint(("pdbr = 0x%08X, 映射后的地址0x%p\n", pdbr, pPdbr));
            
            // pPdbr[ulDirBaseIdx] 页目录项
            ULONG ulDirBaseIdx = virtualAddress.stVirtualAddress.dirBaseIndex;
            ULONG ulDirIdx = virtualAddress.stVirtualAddress.dirIndex;
            KdPrint(("第一级，已找到页目录所在项:pPdbr[%d]:0x%08X", ulDirBaseIdx,pPdbr[ulDirBaseIdx]));
            ULONG ulDir = pPdbr[ulDirBaseIdx] & 0xFFFFF000;            // 抹去后3位得到真正的页目录项


            ULONG ulDirPlus = ulDir + ulDirIdx * 4;                    // 页表项
            phyAddress.LowPart = ulDirPlus;
            PULONG pDirPlus = (PULONG)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            KdPrint(("第二级，已找到页表项:ulDirPlus = 0x%08X, 映射后的地址0x%p\n", ulDirPlus, pDirPlus));
            ULONG ulPageTable = *pDirPlus & 0xFFFFF000;                // 抹去后3位得到真正的页表项

            // 得到物理地址
            ULONG ulPhyAddress = ulPageTable + virtualAddress.stVirtualAddress.offset;

            // 映射为虚拟地址，获取其值进行验证
            phyAddress.LowPart = ulPhyAddress;
            PWCHAR pPhyAddress = (PWCHAR)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            KdPrint(("虚拟地址：0x%08X, 对应物理地址：0x%08X, Value:%S\n", *pOutAddress, ulPhyAddress, pPhyAddress));

            // 传出对应物理地址
            *pOutAddress = ulPhyAddress;

二、开启PAE的情况

技术分享图片

同样是4k页面的，伪代码描述如下：

1.Dir.Pointer Entry(PDPTE) = PDPTR[Directory Pointer];

2.Director Entry(PDE) = PDPTE + Directory * 0x8;

3.Page-Table Entry(PTE) = PDE + Table * 0x8;

4.Physical Address = PTE+Offset;

在开启PAE的情况下，PDE、PTE均是64bit（8字节，所以要*8），同样PDE、PTE的后3位是属性值，所以需要把后3位抹掉。

关键代码如下：

            // 得到传入的ring3层虚拟地址
            size_t* pOutAddress = (size_t*)MmGetSystemAddressForMdlSafe(pIrp->MdlAddress, NormalPagePriority);
            VIRTUAL_ADDRESS virtualAddress = { 0 };
            virtualAddress.ulVirtualAddress = *pOutAddress;
            ULONG pdbr;

            // 得到页目录指针物理地址
            _asm{
                mov eax,  cr3;
                mov pdbr, eax;
            }
            
            // 映射为虚拟地址以便取值
            PHYSICAL_ADDRESS phyAddress = { 0 };
            phyAddress.LowPart = pdbr;
            PULONG pPdbr = (PULONG)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            KdPrint(("pdbr = 0x%08X, 映射后的地址0x%p\n", pdbr, pPdbr));
            
            // 定位页目录指针表并获取页目录表物理页地址
            // ulDirAddress 为页目录表物理页地址
            ULONG ulPointerIdx = virtualAddress.stVirtualAddress.dirPointer;
            ULONG ulDirBaseAddress = pPdbr[ulPointerIdx];
            ulDirBaseAddress &= 0xFFFFF000;            // 中间物理地址

            // 定位页表项
            ULONG ulDirAddress = ulDirBaseAddress + virtualAddress.stVirtualAddress.dirIndex * 0x8;
            phyAddress.LowPart = ulDirAddress;
            PULONG pPageTable = (PULONG)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            ULONG ulPageTable = *pPageTable;
            ulPageTable &= 0xFFFFF000;                 // 中间物理地址

            // 定位物理页面
            ulPageTable += virtualAddress.stVirtualAddress.tableIndex * 0x8;
            phyAddress.LowPart = ulPageTable;
            PULONG pPageBase = (PULONG)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            ULONG ulPageBase = *pPageBase;
            ulPageBase &= 0xFFFFF000;

            // 得到物理地址
            ULONG ulPhyAddress = ulPageBase + virtualAddress.stVirtualAddress.offset;
            
            // 映射为虚拟地址，获取其值进行验证
            phyAddress.LowPart = ulPhyAddress;
            PWCHAR pPhyAddress = (PWCHAR)MmMapIoSpace(phyAddress, sizeof(PHYSICAL_ADDRESS), MmNonCached);
            KdPrint(("虚拟地址：0x%08X, 对应物理地址：0x%08X, Value:%S\n", *pOutAddress, ulPhyAddress, pPhyAddress));

            // 传出对应物理地址
            *pOutAddress = ulPhyAddress;

            pIrp->IoStatus.Information = cout;

以上代码步骤是参考安于此生的文章写的，看不懂的可以先看看安于此生的文章《启用PAE后虚拟地址到物理地址的转换》

另附上小工具源码，该工具用于检测系统是否开启PAE、PSE等。

#define BUFFERSIZE    0x3000
char g_szMemInfo[BUFFERSIZE] = { 0 };
    
// 以下code在 DriverEntry 中
    
    DWORD dwPE  = 0;                // Protection Enable    cr0[0]
    DWORD dwWP  = 0;                // Write Protect        cr0[16]
    DWORD dwPG  = 0;                // Paging                cr0[31]
    DWORD dwPAE = 0;                // 物理地址扩展            cr4[5]
    DWORD dwPSE = 0;                // Page Size Extension    cr4[4]
    DWORD dwCr0 = 0;
    DWORD dwCr4 = 0;

    // 注册卸载函数
    pDriverObj->DriverUnload = driverUnload;

    _asm{
        pushad;
        mov eax, cr0;
        mov dwCr0, eax;

        // PE标志位
        and eax, 0x01;
        mov dwPE, eax;
        mov eax, cr0;

        // WP标志位
        and eax, 0x10000;
        mov dwWP, eax;
        mov eax, cr0;

        // PG标志位
        and eax, 0x80000000;
        mov dwPG, eax;

        // PAE
        //mov eax, cr4; 机器码如下
        _emit 0x0F;
        _emit 0x20;
        _emit 0xE0;
        mov dwCr4, eax;
        and eax, 0x20;
        mov dwPAE, eax;
        
        // PSE
        _emit 0x0F;
        _emit 0x20;
        _emit 0xE0;
        and eax, 0x10;
        mov dwPSE, eax;

        popad;
    }
    
    KdPrint(("PE  = 0x%08X\r\n",dwPE));
    KdPrint(("WP  = 0x%08X\r\n",dwWP));
    KdPrint(("PG  = 0x%08X\r\n",dwPG));
    KdPrint(("PAE = 0x%08X\r\n",dwPAE));
    KdPrint(("PSE = 0x%08X\r\n",dwPSE));
    KdPrint(("Cr0 = 0x%08X\r\n",dwCr0));
    KdPrint(("Cr4 = 0x%08X\r\n",dwCr4));

    //----------------------------------------------------------------------------
    // PE标志位
    if (0 != dwPE){
        RtlStringCchCatNA(
            g_szMemInfo, 
            BUFFERSIZE, 
            "----------------------保护模式(PE=1)-------------------\r\n",
            BUFFERSIZE - sizeof("----------------------保护模式(PE=1)-------------------\r\n"));
    }
    else{
        RtlStringCchCatNA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE ,
            "----------------------实地址模式(PE=0)-------------------\r\n",
            BUFFERSIZE - sizeof("----------------------实地址模式(PE=0)-------------------\r\n"));
    }

    //----------------------------------------------------------------------------
    // WP标志位
    if (0 != dwWP){
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "内存写保护(WP)开启...\r\n"
            );
    }
    else{
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "内存写保护(WP)禁止...\r\n"
            );
    }

    //----------------------------------------------------------------------------
    // PG标志位
    if (0 != dwPG){
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "页机制(PG)启用\r\n"
            );
    }
    else{
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "页机制(PG)禁止\r\n"
            );
    }

    //----------------------------------------------------------------------------
    // PAE标志位
    if (0 != dwPAE){
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "物理地址扩展(PAE)已开启\r\n"
            );
    }
    else{
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "物理地址扩展(PAE)未启用\r\n"
            );
    }

    //----------------------------------------------------------------------------
    // PSE标志位
    if (0 != dwPSE){
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "页面大小扩展(PSE)已开启\r\n"
            );
    }
    else{
        RtlStringCchCatA(
            g_szMemInfo,
            BUFFERSIZE,
            "页面大小扩展(PSE)未启用\r\n"
            );
    }

    KdPrint(("%s\r\n", g_szMemInfo));