基本概念
Windows 2000 使用基于分页机制的虚拟内存。每个进程有4GB的虚拟地址空间。基于分页机制，这4GB地址空间的一些部分被映射了物理内存，一些部分映射硬盘上的交换文件，一些部分什么也没有映射。程序中使用的都是4GB地址空间中的虚拟地址。而访问物理内存，需要使用物理地址。
下面我们看看什么是物理地址，什么是虚拟地址。
物理地址 (physical address): 放在寻址总线上的地址。放在寻址总线上，如果是读，电路根据这个地址每位的值就将相应地址的物理内存中的数据放到数据总线中传输。如果是写，电路根据这个地址每位的值就将相应地址的物理内存中放入数据总线上的内容。物理内存是以字节(8位)为单位编址的。
虚拟地址 (virtual address): 4G虚拟地址空间中的地址，程序中使用的都是虚拟地址。
如果CPU寄存器中的分页标志位被设置，那么执行内存操作的机器指令时，CPU会自动根据页目录和页表中的信息，把虚拟地址转换成物理地址，完成该指令。比如 mov eax,004227b8h ，这是把地址004227b8h处的值赋给寄存器的汇编代码，004227b8这个地址就是虚拟址。CPU在执行这行代码时，发现寄存器中的分页标志位已经被设定，就自动完成虚拟地址到物理地址的转换，使用物理地址取出值，完成指令。对于Intel CPU 来说，分页标志位是寄存器CR0的第31位，为1表示使用分页，为0表示不使用分页。对于初始化之后的 Win2k 我们观察 CR0 ，发现第31位为1。表明Win2k是使用分页的。
使用了分页机制之后，4G的地址空间被分成了固定大小的页，每一页或者被映射到物理内存，或者被映射到硬盘上的交换文件中，或者没有映射任何东西。对于一般程序来说，4G的地址空间，只有一小部分映射了物理内存，大片大片的部分是没有映射任何东西。物理内存也被分页，来映射地址空间。对于32bit的Win2k，页的大小是4K字节。CPU用来把虚拟地址转换成物理地址的信息存放在叫做页目录和页表的结构里。
物理内存分页，一个物理页的大小为4K字节，第0个物理页从物理地址 0x00000000 处开始。由于页的大小为4KB，就是0x1000字节，所以第1页从物理地址 0x00001000 处开始。第2页从物理地址 0x00002000 处开始。可以看到由于页的大小是4KB，所以只需要32bit的地址中高20bit来寻址物理页。
页表，一个页表的大小为4K字节，放在一个物理页中。由1024个4字节的页表项组成。页表项的大小为4个字节(32bit)，所以一个页表中有1024个页表项。页表中的每一项的内容（每项4个字节,32bit）高20bit用来放一个物理页的物理地址，低12bit放着一些标志。
页目录，一个页目录大小为4K字节，放在一个物理页中。由1024个4字节的页目录项组成。页目录项的大小为4个字节(32bit)，所以一个页目录中有1024个页目录项。页目录中的每一项的内容（每项4个字节）高20bit用来放一个页表（页表放在一个物理页中）的物理地址，低12bit放着一些标志。
对于x86系统，页目录的物理地址放在CPU的CR3寄存器中。
CPU把虚拟地址转换成物理地址：
一个虚拟地址，大小4个字节(32bit)，包含着找到物理地址的信息，分为3个部分：第22位到第31位这10位（最高10位）是页目录中的索引，第12位到第21位这10位是页表中的索引，第0位到第11位这12位（低12位）是页内偏移。对于一个要转换成物理地址的虚拟地址，CPU首先根据CR3中的值，找到页目录所在的物理页。然后根据虚拟地址的第22位到第31位这10位（最高的10bit)的值作为索引，找到相应的页目录项(PDE,page directory entry),页目录项中有这个虚拟地址所对应页表的物理地址。有了页表的物理地址，根据虚拟地址的第12位到第21位这10位的值作为索引，找到该页表中相应的页表项(PTE,page table entry),页表项中就有这个虚拟地址所对应物理页的物理地址。最后用虚拟地址的最低12位，也就是页内偏移，加上这个物理页的物理地址，就得到了该虚拟地址所对应的物理地址。
一个页目录有1024项，虚拟地址最高的10bit刚好可以索引1024项（2的10次方等于1024）。一个页表也有1024项，虚拟地址中间部分的10bit，刚好索引1024项。虚拟地址最低的12bit（2的12次方等于4096），作为页内偏移，刚好可以索引4KB，也就是一个物理页中的每个字节。
一个虚拟地址转换成物理地址的计算过程就是，处理器通过CR3找到当前页目录所在物理页，取虚拟地址的高10bit,然后把这10bit右移2bit（因为每个页目录项4个字节长，右移2bit相当于乘4）得到在该页中的地址，取出该地址处PDE（4个字节），就找到了该虚拟地址对应页表所在物理页，取虚拟地址第12位到第21位这10位，然后把这10bit右移2bit（因为每个页表项4个字节长，右移2bit相当于乘4）得到在该页中的地址，取出该地址处的PTE（4个字节），就找到了该虚拟地址对应物理页的地址，最后加上12bit的页内偏移得到了物理地址。
32bit的一个指针，可以寻址范围0x00000000-0xFFFFFFFF,4GB大小。也就是说一个32bit的指针可以寻址整个4GB地址空间的每一个字节。一个页表项负责4K的地址空间和物理内存的映射，一个页表1024项，也就是负责1024*4k=4M的地址空间的映射。一个页目录项，对应一个页表。一个页目录有1024项，也就对应着1024个页表，每个页表负责4M地址空间的映射。1024个页表负责1024*4M=4G的地址空间映射。一个进程有一个页目录。所以以页为单位，页目录和页表可以保证4G的地址空间中的每页和物理内存的映射。
每个进程都有自己的4G地址空间，从 0x00000000-0xFFFFFFFF 。通过每个进程自己的一套页目录和页表来实现。由于每个进程有自己的页目录和页表，所以每个进程的地址空间映射的物理内存是不一样的。两个进程的同一个虚拟地址处（如果都有物理内存映射）的值一般是不同的，因为他们往往对应不同的物理页。
4G地址空间中低2G，0x00000000-0x7FFFFFFF 是用户地址空间，4G地址空间中高2G，
0x80000000-0xFFFFFFFF 是系统地址空间。访问系统地址空间需要程序有ring0的权限。
进程的页目录和页表在虚拟地址空间中的位置
当执行一条访问内存的指令时，如果寄存器中的分页标志位已经被设置，CPU就自动完成虚拟地址到物理地址的转换，来完成该指令。CPU在转换地址过程中，并不需要页目录和页表的虚拟地址。但是分页标志位被设置之后，CPU会把所有指令中的地址当做虚拟地址转换成物理地址。所以程序中使用的都是虚拟地址。一个进程的页表和页目录是由系统维护的，比如一个进程申请或者释放内存，系统就需要设置对应的一些页表项。系统需要访问页目录和页表，但是系统只能使用虚拟地址，所以系统必须把页目录和页表映射到地址空间中。对应4G地址空间的1024个页表被顺序映射到了从0xC0000000到0xC03FFFFF的4M地址空间。对应第一个4M地址空间的页表，被映射到了0xC0000000开始的第一个4K地址空间（0xC0000000开始的4K）。对应第二个4M地址空间的页表，被映射到了0xC0000000开始的第二个4K地址空间（0xC0001000开始的4K），以此类推。页目录被映射到了0xC0300000开始处的4K地址空间。0xC0000000到0xC03FFFFF的4M地址空间位于高2G的系统地址空间内，需要ring0的权限才能访问。
有效页目录项和有效页表项
页目录项和页表项的最低位，第0位，指明了一页是否映射了物理内存。最低位为1，有效(Valid)，表示该页映射了物理内存。页目录项和页表项，4个字节，32bit，有着差不多的结构。使用 Win2k DDK 所附带的内核调试器，Kernel Debugger (KD) ，我们可以得到有效的页目录项和页表项的结构定义，对于使用 X86 CPU 的系统，该结构定义如下
!strct HARDWARE_PTE_X86
struct _HARDWARE_PTE_X86 (sizeof=4)
+0 bits0-0 Valid
+0 bits1-1 Write
+0 bits2-2 Owner
+0 bits3-3 WriteThrough
+0 bits4-4 CacheDisable
+0 bits5-5 Accessed
+0 bits6-6 Dirty
+0 bits7-7 LargePage
+0 bits8-8 Global
+0 bits9-9 CopyOnWrite
+0 bits10-10 Prototype
+0 bits11-11 reserved
+0 bits12-31 PageFrameNumber
bits12-31 PageFrameNumber:
页目录项或者页表项的第12到第31位，长20位。物理页的页帧号。（将这32位和0xFFFFF000做与运算，就得到了该4KB物理页第一个字节的地址）由于页的大小是4KB，所以只需要20位，就可以寻址4G大小范围内的每一页。对于页目录项来说，所得的物理页中放着的是一个页表。
bits0-0 Valid:
为0无效，该页没有映射物理内存。为1有效。该页映射了物理内存。
bits1-1 Write:
为0该页只读。为1该页可以读写。
bits2-2 Owner:
为0访问该页需要ring0权限，只有核心态(kernel-mode)的代码才可以访问。
为1访问该页ring3权限就可以，用户态(user-mode)代码就可以访问。
bits3-3 WriteThrough:
为0 对相关页使用 write-back caching 策略。为1 对相关页使用 write-through caching 策略。
直写式(Write-through)，在CPU向Cache写入的同时，也把数据写入相应内存单元。保证Cache和内存中相应单元数据的一致性。直写式速度慢，而且有些操作是不必要的，比如CPU连续多次更新一个Cache单元的内容，将导致相应内存单元连续多次被写入，而效果其实和写入最后一次更新是一样的。
回写式(Write-back)，CPU修改了Cache的内容后，并不立即修改内存中相应的单元。只有当回写操作被执行的时候，才修改相应内存单元。比如该Cache单元的内容从Cache中撤销时触发回写操作。回写式速度快，也避免了一些不必要的操作。
如果CR0中的CD (cache disable)标志为1，则处理器忽略WriteThrough标志。CD标志,CR0寄存器的第30bit
。观察发现，初始化之后的Win2k中，该位为0。也就是说页目录项和页表项中的WriteThrough标志是起作用的。
bits4-4 CacheDisable:
为0 允许Cache该页。为1 禁止Cache该页。
如果CR0中的CD (cache disable)标志为1，则处理器忽略CacheDisable标志。CD标志,CR0寄存器的第30bit
。观察发现，初始化之后的Win2k中，该位为0。也就是说页目录项和页表项中的CacheDisable标志是起作用的。
bits5-5 Accessed:
为0 该页没有被访问（读出或者写入）过。为1 该页被访问（读出或者写入）过。
bits6-6 Dirty:
为0 该页中的内容没有被改动过。 为1 该页中的内容已经被改动过了（被写过）。
bits7-7 LargePage:
为0 表示页大小为4K,为1 表示页大小为4M。
bits8-8 Global:
为0 表示不是 global page。为1 表示是一个 global page。
如果CR4中的 page global enable (PGE) 标志为1 ，表示允许 page global，那么当进程转换时在 TLB(Translation lookaside buffer ) 高速缓存中的 global page 不会失效。用来防止常用页（比如内核或者操作系统的执行代码所在页）被换出TLB高速缓存。寄存器CR4的PGE标志是第7位。观察发现，初始化之后的Win2k中，该位为1。
bits9-9 CopyOnWrite:
用于 Copy-on-Write 机制。
bits10-10 Prototype:
用于 进程间内存共享 机制。
bits11-11 reserved:
保留
页目录和页表
我们可以使用 SoftICE 获得指定进程的页目录，方法如下，首先不加参数的 addr 命令，将列出当前系统中的进程。然后 addr 进程名 ,切换到该进程的地址空间。然后 dd c0300000 l 1000 ,将会在命令窗口输出0xc0300000处的0x1000字节（16进制，也就是4K字节）。然后退出 SoftICE,使用 Symbol Loader 的菜单中的 File -> Save SoftICE History AS.. 就可以把刚才输出的内容保存到文件中。每个进程的页目录都映射到了0xc0300000处，所以我们就得到了页目录的内容。
我也写了一个叫 JiurlPdPtSee 的程序，可以输出指定进程的页目录和页表。以下的内容就来自这个程序。
打开的一个记事本进程的页目录:
c0300000: 05f5b067 058ae067 067b5067 00eae067
c0300010: 03bfa067 00000000 00000000 00000000
c0300020: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300030: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300040: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300050: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300060: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300070: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300080: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300090: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03000f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300100: 043b1067 00000000 00000000 00000000
c0300110: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300120: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300130: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300140: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300150: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300160: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300170: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300180: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300190: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03001f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300200: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300210: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300220: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300230: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300240: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300250: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300260: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300270: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300280: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300290: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03002f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300300: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300310: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300320: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300330: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300340: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300350: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300360: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300370: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300380: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300390: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03003f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300400: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300410: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300420: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300430: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300440: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300450: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300460: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300470: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300480: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300490: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03004f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300500: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300510: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300520: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300530: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300540: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300550: 00000000 00000000 00000000 00000000
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c0300580: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300590: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005c0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005e0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c03005f0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300600: 00000000 00000000 00000000 00000000
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c0300fb0: 0102b163 0102c163 0102d163 0102e163
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c0300fd0: 01033163 01034163 01035163 01036163
c0300fe0: 01037163 01038163 01039163 0103a163
c0300ff0: 0103b163 0103c163 0103d163 00031163
我们来分析一下这个页目录。
4G地址空间，低2G是用户空间，前512项页目录项用于这2G的地址转换。高2G是系统空间，后512项页目录项用于这2G的地址转换。每项32bit,第0bit是有效位，该位为0表示没有该项所对应的虚拟地址空间的页表。在前512项中我们看到了大量的00000000，最低位为0，表示这些项都没有页表。也就是说这项对应的4MB地址空间是没有物理内存映射的。我们看到了在用户地址空间中有大量的页是没有物理页的映射的，什么映射也没有是空的。我们再看另外一个进程的页目录，然后和这个做比较。
System 进程的页目录:
c0300000: 01860067 00000000 00000000 00000000
c0300010: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300020: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0300030: 00000000 00000000 00000000 00000000
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c0300b90: 01745163 01746163 01747163 01748163
c0300ba0: 01749163 0174a163 0174b163 0174c163
c0300bb0: 0174d163 0174e163 0174f163 01750163
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c0300be0: 01739163 0173a163 0173b163 0173c163
c0300bf0: 0173d163 0173e163 0173f163 017a0163
c0300c00: 00030067 01520063 00000000 01670163
c0300c10: 01671163 01672163 01673163 01674163
c0300c20: 01675163 01676163 01657163 01658163
c0300c30: 01659163 0165a163 0165b163 0165c163
c0300c40: 0165d163 0165e163 0165f163 016c0163
c0300c50: 01681163 01682163 01683163 01684163
c0300c60: 01685163 01686163 01687163 01688163
c0300c70: 01689163 0168a163 0168b163 0168c163
c0300c80: 0168d163 0168e163 0168f163 01690163
c0300c90: 01691163 01692163 01693163 01694163
c0300ca0: 01695163 01696163 01677163 01678163
c0300cb0: 01679163 0167a163 0167b163 0167c163
c0300cc0: 0167d163 0167e163 0167f163 016e0163
c0300cd0: 016a1163 016a2163 016a3163 016a4163
c0300ce0: 016a5163 016a6163 016a7163 016a8163
c0300cf0: 016a9163 016aa163 016ab163 016ac163
c0300d00: 016ad163 016ae163 016af163 016b0163
c0300d10: 016b1163 016b2163 016b3163 016b4163
c0300d20: 016b5163 016b6163 01697163 01698163
c0300d30: 01699163 0169a163 0169b163 0169c163
c0300d40: 0169d163 0169e163 0169f163 01700163
c0300d50: 016c1163 016c2163 016c3163 016c4163
c0300d60: 016c5163 016c6163 016c7163 016c8163
c0300d70: 016c9163 016ca163 016cb163 016cc163
c0300d80: 016cd163 016ce163 016cf163 016d0163
c0300d90: 016d1163 016d2163 016d3163 016d4163
c0300da0: 016d5163 016d6163 016b7163 016b8163
c0300db0: 016b9163 016ba163 016bb163 016bc163
c0300dc0: 016bd163 016be163 016bf163 01720163
c0300dd0: 016e1163 016e2163 016e3163 016e4163
c0300de0: 016e5163 016e6163 016e7163 016e8163
c0300df0: 016e9163 016ea163 016eb163 016ec163
c0300e00: 016ed163 016ee163 016ef163 016f0163
c0300e10: 01765163 026f6163 05189163 055ab163
c0300e20: 059ad163 0740f163 05a71163 05f43163
c0300e30: 0090a163 0297e163 04867163 034ae163
c0300e40: 00000300 00000300 00000300 00000300
c0300e50: 00000300 00000300 00000300 00000300
c0300e60: 00000300 00000300 00000300 00000300
c0300e70: 00000300 00000300 01768163 01769163
c0300e80: 0176a163 0176b163 0176c163 0176d163
c0300e90: 0176e163 0176f163 01770163 01771163
c0300ea0: 01772163 01773163 01774163 01775163
c0300eb0: 01776163 01757163 01758163 01759163
c0300ec0: 0175a163 0175b163 0175c163 0175d163
c0300ed0: 0175e163 0175f163 017c0163 01781163
c0300ee0: 01782163 01783163 01784163 01785163
c0300ef0: 01786163 01787163 01788163 01789163
c0300f00: 0178a163 01000163 01001163 01002163
c0300f10: 01003163 01004163 01005163 01006163
c0300f20: 01007163 01008163 01009163 0100a163
c0300f30: 0100b163 0100c163 0100d163 0100e163
c0300f40: 0100f163 01010163 01011163 01012163
c0300f50: 01013163 01014163 01015163 01016163
c0300f60: 01017163 01018163 01019163 0101a163
c0300f70: 0101b163 0101c163 0101d163 0101e163
c0300f80: 0101f163 01020163 01021163 01022163
c0300f90: 01023163 01024163 01025163 01026163
c0300fa0: 01027163 01028163 01029163 0102a163
c0300fb0: 0102b163 0102c163 0102d163 0102e163
c0300fc0: 0102f163 01030163 01031163 01032163
c0300fd0: 01033163 01034163 01035163 01036163
c0300fe0: 01037163 01038163 01039163 0103a163
c0300ff0: 0103b163 0103c163 0103d163 00031163
我们再来分析。
这是系统进程的页目录。首先在用户地址空间中，是大片的没有物理内存映射。
然后我们用UltraEdit把两个页目录做比较。发现两个进程的用户地址空间（低2G,前512项）中没有同一位置的有效项，这说明了，每个进程有自己独立的用户地址空间，各自映射不同的物理内存。而系统地址空间（高2G，后512项）的比较结果是绝大部分项的内容是一样的。页目录项一样的话，该项对应的页表，将在同一个物理页上，也就是页表肯定也是同一个。那么页表相应的物理页也就是同一个。说明两个进程的系统地址空间中绝大部分内容是一样的。c0300c00处的页目录项对应的是，页表和页目录所在的4M地址空间，每个进程的页目录和页表的内容不同，所以他们当然在不同的物理页，比较的结果也是不同的。
我们再来看看页表中的内容，我们选择的是刚才那个记事本进程的页目录中的页目录项1（页目录内偏移+4处的页目录项）对应的页表。
记事本进程页目录项1对应的页表:
c0001000: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001010: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001020: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001030: 00000000 00000000 0464f025 046dd025
c0001040: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001050: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001060: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001070: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001080: 00000000 00000000 00000000 00000000
c0001090: 00000000 00000000 00000000 00000000
c00010a0: 00000000 00000000 00000000 00000000
c00010b0: 00000000 00000000 00000000 00000000
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c00011d0: 00000000 00000000 00000000 00000000
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