MIT 6.828 Lab1筆記

PART 1: PC Bootstrapr

這一部分主要是實驗環(huán)境的配置，跟隨教程操作即可

實模式下的地址轉(zhuǎn)換

物理地址 = 段基址*16 + 偏移量

PART 2: Boot Loader

在6.828課程的系統(tǒng)中，boot loader包含兩部分：一份匯編代碼 boot/boot.s 和一份c代碼 boot/main.c 。它們構(gòu)成的boot loader主要有兩個作用

1. 將處理器從實模式切換道32位保護(hù)模式。在實模式中，處理器只能訪問1MB物理空間，而在32位保護(hù)模式下，處理器可以訪問1MB以上的物理空間。切換模式后，邏輯地址向物理地址的映射方式也發(fā)生了變化，（段基址：偏移量）轉(zhuǎn)化需要的offset從16變?yōu)?2。

2. 借由x86的特殊I/O指令，直接從IDE硬盤中讀取內(nèi)核程序。

Exercise 3 的四個問題

Q: 處理器是何時開始執(zhí)行32位代碼的？是什么機(jī)制使得處理器從16位轉(zhuǎn)為32位？

A: 如下圖所示，匯編操作將cr0寄存器的最后一位置為1，通過Intel手冊我們可以知道，當(dāng)cr0寄存器的最后一位為1時，開啟保護(hù)模式。

Lab1-1.png

Q: boot loader 執(zhí)行的最后一條指令是什么？它加載的kernel執(zhí)行的第一條指令是什么？

A: 如下圖所示，這是boot loader執(zhí)行的最后一條指令。這條指令轉(zhuǎn)到了kernel程序的入口。

Lab1-2.png

kernel執(zhí)行的第一條指令如下圖所示。

Lab1-3.png

Q: kernel的第一條指令在哪里？

A: 根據(jù)上一張圖，我們可以看到kernel第一條指令的地址在于 0x10000c

Q: boot loader在從硬盤讀取內(nèi)核時，它是怎樣決定讀取幾個扇區(qū)的？它是怎樣得知這個信息

A: bootmain函數(shù)如下圖所示，程序首先讀取足夠大的數(shù)據(jù)（程序中是SECTSIZE*8），判斷要讀取的數(shù)據(jù)是不是一個ELF數(shù)據(jù)，如果是，則讀取程序頭，從表征程序頭的結(jié)構(gòu)體里面的e_phnum成員得知要讀取的數(shù)據(jù)數(shù)量。

Lab1-4.png

Exercise 5

linker的地址改變，從結(jié)果上來看，kernel無法被加載進(jìn)內(nèi)存，現(xiàn)象如下圖所示

Lab1-5.png

我在這里將鏈接地址從0x7c00改成了0x7cd0，用gdb跟蹤程序，會發(fā)現(xiàn)boot loader的起始地址變?yōu)榱宋覀兏某傻?x7cd0，如下圖所示

Lab1-6.png

將鏈接地址修改成不同的值會出現(xiàn)不同的問題，但最終都會導(dǎo)致程序循環(huán)，無法正確加載kernel程序

Exercise 6

將斷點打在boot loader的起始位置，觀察地址0x100000，可以看出這一地址的數(shù)據(jù)全部為0。當(dāng)程序進(jìn)入kernel后，發(fā)現(xiàn)指定的地址位置出現(xiàn)了數(shù)據(jù)。原因可能是boot loader 將kernel加載進(jìn)了內(nèi)存，所以相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變化；

Exercise 7

在執(zhí)行指令 movl %eax, %cr0 之前，兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

Lab1-8.png

在執(zhí)行指令過后，兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

Lab1-9.png

執(zhí)行指令前兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)不同，而執(zhí)行指令后兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)相同，說明開啟分頁機(jī)制后這兩個虛擬地址被映射成了同一個物理地址。

注釋掉這條指令重新編譯，從結(jié)果上來看，硬件啟動失敗，直接退出

gdb跟蹤發(fā)現(xiàn)是一條jmp指令出錯了，因為跳轉(zhuǎn)過后的地址是一個無效地址。

PART 3: The Kernel

kern/printf.c, lib/printfmt.c 和 kern/console.c三個文件的關(guān)系

kern/console.c 最底層，用了大量匯編語言編寫，主要是適配于硬件的屏幕輸出；

kern/printf.c 使用了console.c中的底層函數(shù)；

lib/printfmt.c 的函數(shù)最上層，封裝了內(nèi)核中的函數(shù)，可以供上層使用。

Exercise 8
需要修改的代碼在lib/printfmt.c中，改變后的代碼為
case 'o':
// Replace this with your code.
     /*
     putch('X', putdat);
     putch('X', putdat);
     putch('X', putdat);
     break;
     */
     num = getuint(&ap, lflag);
     base = 8;
     goto number;
模仿上方的代碼即可寫出，下面是問題的回答

1. console.c 導(dǎo)出了 cputchar 函數(shù)供 printf.c 使用，cputchar封裝在了 putch 函數(shù)中。

2. 下面代碼處理的情況是：屏幕上已經(jīng)充滿了字符，若現(xiàn)在的操作需要向屏幕再次輸入字符，則需要進(jìn)行的動作是：1.所有的字符向上移動一行 2.最后一行清空。這段代碼實現(xiàn)的就是這個功能。
if (crt_pos >= CRT_SIZE) {//*如果目前屏幕上的字符數(shù)超過了屏幕的容量
    int i;
    memmove(crt_buf, crt_buf + CRT_COLS, (CRT_SIZE - CRT_COLS) * sizeof(uint16_t));//* 將從第二行開始的內(nèi)容移動到第一行去
    for (i = CRT_SIZE - CRT_COLS; i < CRT_SIZE; i++)
        crt_buf[i] = 0x0700 | ' ';//*最后一行的內(nèi)容清零，由上文的內(nèi)容可知，對0x700進(jìn)行或操作與顯示的色彩有關(guān)
    crt_pos -= CRT_COLS;
}
3. 我將文中提及到的代碼段加在了 kern/init.c 中，因為前方有明顯的屏幕打印值，所以可以很方便地找到要追蹤地語句地位置。把斷點打在 cpirntf 上。

在 cprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。函數(shù)原型中沒有ap，所以這里ap也打印不出來，如下圖所示

Lab1-10.png

在 vcprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。ap指向一個地址，這個地址分別放有 x, y, z 的值，如下圖所示

Lab1-11.png

cons_putc 中，變量是一個char型

va_arg 是一個宏定義，gdb無法在之上直接打斷點。進(jìn)入vprintfmt逐步跟蹤后，可以看到每次va_arg后，ap都是指向下一個變量的地址

Lab1-12.png

4. 輸出變成了 He110 World 。57616化成16進(jìn)制是e110， 72，6c，64分別是rld的ascii碼，如果在大端序的cpu上運行，則 Wo后面不會顯示字符。

5. 雖然輸入y沒有對應(yīng)的值，但還是會打印棧上的內(nèi)容，在信心安全領(lǐng)域這種叫做格式化字符串漏洞，用于泄露棧上信息。

6. 函數(shù)原型聲明為 cprintf(const char *fmt, va_list ap)；

Exercise 11 12

要通過寄存器追溯函數(shù)調(diào)用棧，首先要弄懂一些細(xì)節(jié)：

1.pop 和 push 指令的操作順序

push: 先減小esp寄存器里的值，再將要壓入的數(shù)據(jù)寫入到esp寄存器指向的地址；

pop: 先讀出esp寄存器指向地址的值，再增加esp寄存器的值

讀寫與寄存器值改變，這兩個順序不要弄錯了

2.即將進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時，進(jìn)行的壓棧操作

首先按照參數(shù)的聲明順序，將參數(shù)壓入棧中（關(guān)于壓棧的順序，可能根據(jù)編譯器有所不同；32位操作系統(tǒng)下函數(shù)傳參需要通過壓棧，64位cpu寄存器資源豐富，傳參直接用寄存器）。

然后壓入返回地址eip，傳參和壓入eip都是在call函數(shù)之前實現(xiàn)的

最后將esp地址傳遞給ebp，并將ebp的值壓入棧中。注意，這一部是在被調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)的。

3.棧的生長方向，從高地址向低地址生長

關(guān)于在調(diào)用時顯示符號信息，這個實驗中的要求比較簡單，已經(jīng)寫好了 stab_binsearch 函數(shù)，只需要利用即可，相應(yīng)的代碼中也有提示。

有一點需要注意的是，stab結(jié)構(gòu)體中有很多成員，哪一項顯示的是eip地址的行號呢，通過驗證，我們可以得知是 n_value 這個變量，如果使用了其他變量，make grade 也能通過，不過返回地址是不正確的。具體看程序吧

kern/kdebug.c中代碼如下圖所示

Lab1-13.png

kern/monitor.c中代碼如下圖所示

Lab1-14.png

make qemu 的結(jié)果如下圖所示

Lab1-15.png

通過查看 obj/kernel.asm ，我們判斷 test_backtrace 的返回地址應(yīng)該是基地址+0x28, 即十進(jìn)制的40，與實驗結(jié)果相符。

make grade, 實驗通過??！

Lab1-16.png

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Lab1

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PART 1: PC Bootstrapr

這一部分主要是實驗環(huán)境的配置，跟隨教程操作即可

實模式下的地址轉(zhuǎn)換

物理地址 = 段基址*16 + 偏移量

PART 2: Boot Loader

在6.828課程的系統(tǒng)中，boot loader包含兩部分：一份匯編代碼 boot/boot.s 和一份c代碼 boot/main.c 。它們構(gòu)成的boot loader主要有兩個作用

2. 借由x86的特殊I/O指令，直接從IDE硬盤中讀取內(nèi)核程序。

Exercise 3 的四個問題

Q: 處理器是何時開始執(zhí)行32位代碼的？是什么機(jī)制使得處理器從16位轉(zhuǎn)為32位？

A: 如下圖所示， 匯編操作將cr0寄存器的最后一位置為1，通過Intel手冊我們可以知道，當(dāng)cr0寄存器的最后一位為1時，開啟保護(hù)模式。

Lab1-1.png

Q: boot loader 執(zhí)行的最后一條指令是什么？它加載的kernel執(zhí)行的第一條指令是什么？

A: 如下圖所示，這是boot loader執(zhí)行的最后一條指令。這條指令轉(zhuǎn)到了kernel程序的入口。

kernel執(zhí)行的第一條指令如下圖所示。 Lab1-3.png

Q: kernel的第一條指令在哪里？

A: 根據(jù)上一張圖，我們可以看到kernel第一條指令的地址在于 0x10000c

Q: boot loader在從硬盤讀取內(nèi)核時，它是怎樣決定讀取幾個扇區(qū)的？它是怎樣得知這個信息

Lab1-4.png

Exercise 5

linker的地址改變，從結(jié)果上來看，kernel無法被加載進(jìn)內(nèi)存，現(xiàn)象如下圖所示

我在這里將鏈接地址從0x7c00改成了0x7cd0，用gdb跟蹤程序，會發(fā)現(xiàn)boot loader的起始地址變?yōu)榱宋覀兏某傻?x7cd0，如下圖所示

將鏈接地址修改成不同的值會出現(xiàn)不同的問題，但最終都會導(dǎo)致程序循環(huán)，無法正確加載kernel程序

Exercise 6

Exercise 7

在執(zhí)行指令 movl %eax, %cr0 之前， 兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

在執(zhí)行指令過后， 兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

執(zhí)行指令前兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)不同，而執(zhí)行指令后兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)相同，說明開啟分頁機(jī)制后這兩個虛擬地址被映射成了同一個物理地址。

注釋掉這條指令重新編譯，從結(jié)果上來看，硬件啟動失敗，直接退出

gdb跟蹤發(fā)現(xiàn)是一條jmp指令出錯了，因為跳轉(zhuǎn)過后的地址是一個無效地址。

PART 3: The Kernel

kern/printf.c, lib/printfmt.c 和 kern/console.c三個文件的關(guān)系

kern/console.c 最底層，用了大量匯編語言編寫，主要是適配于硬件的屏幕輸出；

kern/printf.c 使用了console.c中的底層函數(shù)；

lib/printfmt.c 的函數(shù)最上層，封裝了內(nèi)核中的函數(shù)，可以供上層使用。

Exercise 8

需要修改的代碼在lib/printfmt.c中，改變后的代碼為

模仿上方的代碼即可寫出，下面是問題的回答

1. console.c 導(dǎo)出了 cputchar 函數(shù)供 printf.c 使用，cputchar封裝在了 putch 函數(shù)中。

2. 下面代碼處理的情況是：屏幕上已經(jīng)充滿了字符，若現(xiàn)在的操作需要向屏幕再次輸入字符，則需要進(jìn)行的動作是：1.所有的字符向上移動一行 2.最后一行清空。這段代碼實現(xiàn)的就是這個功能。

3. 我將文中提及到的代碼段加在了 kern/init.c 中，因為前方有明顯的屏幕打印值，所以可以很方便地找到要追蹤地語句地位置。把斷點打在 cpirntf 上。

在 cprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。函數(shù)原型中沒有ap，所以這里ap也打印不出來，如下圖所示

在 vcprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。ap指向一個地址，這個地址分別放有 x, y, z 的值，如下圖所示

cons_putc 中，變量是一個char型

va_arg 是一個宏定義，gdb無法在之上直接打斷點。進(jìn)入vprintfmt逐步跟蹤后，可以看到每次va_arg后，ap都是指向下一個變量的地址

4. 輸出變成了 He110 World 。57616化成16進(jìn)制是e110， 72，6c，64分別是rld的ascii碼，如果在大端序的cpu上運行，則 Wo后面不會顯示字符。

5. 雖然輸入y沒有對應(yīng)的值，但還是會打印棧上的內(nèi)容，在信心安全領(lǐng)域這種叫做格式化字符串漏洞，用于泄露棧上信息。

6. 函數(shù)原型聲明為 cprintf(const char *fmt, va_list ap)；

Exercise 11 12

要通過寄存器追溯函數(shù)調(diào)用棧，首先要弄懂一些細(xì)節(jié)：

1.pop 和 push 指令的操作順序

push: 先減小esp寄存器里的值，再將要壓入的數(shù)據(jù)寫入到esp寄存器指向的地址；

pop: 先讀出esp寄存器指向地址的值，再增加esp寄存器的值

讀寫與寄存器值改變， 這兩個順序不要弄錯了

2.即將進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時，進(jìn)行的壓棧操作

首先按照參數(shù)的聲明順序，將參數(shù)壓入棧中（關(guān)于壓棧的順序，可能根據(jù)編譯器有所不同；32位操作系統(tǒng)下函數(shù)傳參需要通過壓棧，64位cpu寄存器資源豐富，傳參直接用寄存器）。

然后壓入返回地址eip，傳參和壓入eip都是在call函數(shù)之前實現(xiàn)的

最后將esp地址傳遞給ebp，并將ebp的值壓入棧中。注意，這一部是在被調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)的。

3.棧的生長方向，從高地址向低地址生長

關(guān)于在調(diào)用時顯示符號信息，這個實驗中的要求比較簡單，已經(jīng)寫好了 stab_binsearch 函數(shù)，只需要利用即可，相應(yīng)的代碼中也有提示。

kern/kdebug.c中代碼如下圖所示

kern/monitor.c中代碼如下圖所示

make qemu 的結(jié)果如下圖所示

通過查看 obj/kernel.asm ，我們判斷 test_backtrace 的返回地址應(yīng)該是基地址+0x28, 即十進(jìn)制的40， 與實驗結(jié)果相符。

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2. 借由x86的特殊I/O指令，直接從IDE硬盤中讀取內(nèi)核程序。

Q: 處理器是何時開始執(zhí)行32位代碼的？是什么機(jī)制使得處理器從16位轉(zhuǎn)為32位？

A: 如下圖所示，匯編操作將cr0寄存器的最后一位置為1，通過Intel手冊我們可以知道，當(dāng)cr0寄存器的最后一位為1時，開啟保護(hù)模式。

Q: boot loader 執(zhí)行的最后一條指令是什么？它加載的kernel執(zhí)行的第一條指令是什么？

A: 如下圖所示，這是boot loader執(zhí)行的最后一條指令。這條指令轉(zhuǎn)到了kernel程序的入口。

kernel執(zhí)行的第一條指令如下圖所示。

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Q: kernel的第一條指令在哪里？

Q: boot loader在從硬盤讀取內(nèi)核時，它是怎樣決定讀取幾個扇區(qū)的？它是怎樣得知這個信息

linker的地址改變，從結(jié)果上來看，kernel無法被加載進(jìn)內(nèi)存，現(xiàn)象如下圖所示

我在這里將鏈接地址從0x7c00改成了0x7cd0，用gdb跟蹤程序，會發(fā)現(xiàn)boot loader的起始地址變?yōu)榱宋覀兏某傻?x7cd0，如下圖所示

將鏈接地址修改成不同的值會出現(xiàn)不同的問題，但最終都會導(dǎo)致程序循環(huán)，無法正確加載kernel程序

在執(zhí)行指令 movl %eax, %cr0 之前，兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

在執(zhí)行指令過后，兩個地址對應(yīng)的數(shù)值如下圖所示地址空間

執(zhí)行指令前兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)不同，而執(zhí)行指令后兩個地址空間對應(yīng)的數(shù)據(jù)相同，說明開啟分頁機(jī)制后這兩個虛擬地址被映射成了同一個物理地址。

注釋掉這條指令重新編譯，從結(jié)果上來看，硬件啟動失敗，直接退出

gdb跟蹤發(fā)現(xiàn)是一條jmp指令出錯了，因為跳轉(zhuǎn)過后的地址是一個無效地址。

kern/console.c 最底層，用了大量匯編語言編寫，主要是適配于硬件的屏幕輸出；

kern/printf.c 使用了console.c中的底層函數(shù)；

lib/printfmt.c 的函數(shù)最上層，封裝了內(nèi)核中的函數(shù)，可以供上層使用。

需要修改的代碼在lib/printfmt.c中，改變后的代碼為

模仿上方的代碼即可寫出，下面是問題的回答

1. console.c 導(dǎo)出了 cputchar 函數(shù)供 printf.c 使用，cputchar封裝在了 putch 函數(shù)中。

2. 下面代碼處理的情況是：屏幕上已經(jīng)充滿了字符，若現(xiàn)在的操作需要向屏幕再次輸入字符，則需要進(jìn)行的動作是：1.所有的字符向上移動一行 2.最后一行清空。這段代碼實現(xiàn)的就是這個功能。

3. 我將文中提及到的代碼段加在了 kern/init.c 中，因為前方有明顯的屏幕打印值，所以可以很方便地找到要追蹤地語句地位置。把斷點打在 cpirntf 上。

在 cprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。函數(shù)原型中沒有ap，所以這里ap也打印不出來，如下圖所示

在 vcprintf 函數(shù)內(nèi)，fmt指向的是字符串 "x %d, y %x, z %d\n" 的地址。ap指向一個地址，這個地址分別放有 x, y, z 的值，如下圖所示

cons_putc 中，變量是一個char型

va_arg 是一個宏定義，gdb無法在之上直接打斷點。進(jìn)入vprintfmt逐步跟蹤后，可以看到每次va_arg后，ap都是指向下一個變量的地址

4. 輸出變成了 He110 World 。57616化成16進(jìn)制是e110， 72，6c，64分別是rld的ascii碼，如果在大端序的cpu上運行，則 Wo后面不會顯示字符。

5. 雖然輸入y沒有對應(yīng)的值，但還是會打印棧上的內(nèi)容，在信心安全領(lǐng)域這種叫做格式化字符串漏洞，用于泄露棧上信息。

6. 函數(shù)原型聲明為 cprintf(const char *fmt, va_list ap)；

push: 先減小esp寄存器里的值，再將要壓入的數(shù)據(jù)寫入到esp寄存器指向的地址；

pop: 先讀出esp寄存器指向地址的值，再增加esp寄存器的值

讀寫與寄存器值改變，這兩個順序不要弄錯了

2.即將進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時，進(jìn)行的壓棧操作

首先按照參數(shù)的聲明順序，將參數(shù)壓入棧中（關(guān)于壓棧的順序，可能根據(jù)編譯器有所不同；32位操作系統(tǒng)下函數(shù)傳參需要通過壓棧，64位cpu寄存器資源豐富，傳參直接用寄存器）。

最后將esp地址傳遞給ebp，并將ebp的值壓入棧中。注意，這一部是在被調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)的。

3.棧的生長方向，從高地址向低地址生長

關(guān)于在調(diào)用時顯示符號信息，這個實驗中的要求比較簡單，已經(jīng)寫好了 stab_binsearch 函數(shù)，只需要利用即可，相應(yīng)的代碼中也有提示。

通過查看 obj/kernel.asm ，我們判斷 test_backtrace 的返回地址應(yīng)該是基地址+0x28, 即十進(jìn)制的40，與實驗結(jié)果相符。

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