操作系統(tǒng)實驗：Lab1

清華大學操作系統(tǒng)Lab1實驗報告
課程主頁：http://os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/OS2018spring
實驗指導書：https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/
github：https://github.com/chyyuu/ucore_os_lab

練習1：理解通過make生成執(zhí)行文件的過程

操作系統(tǒng)鏡像文件ucore.img是如何一步一步生成的？

運行make "=V"，可以得到如下編譯過程。

+ cc kern/init/init.c
gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/init/init.c -o obj/kern/init/init.o
+ cc kern/libs/stdio.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/stdio.c -o obj/kern/libs/stdio.o
+ cc kern/libs/readline.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/readline.c -o obj/kern/libs/readline.o
+ cc kern/debug/panic.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/panic.c -o obj/kern/debug/panic.o
+ cc kern/debug/kdebug.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kdebug.c -o obj/kern/debug/kdebug.o
+ cc kern/debug/kmonitor.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kmonitor.c -o obj/kern/debug/kmonitor.o
+ cc kern/driver/clock.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/clock.c -o obj/kern/driver/clock.o
+ cc kern/driver/console.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/console.c -o obj/kern/driver/console.o
+ cc kern/driver/picirq.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/picirq.c -o obj/kern/driver/picirq.o
+ cc kern/driver/intr.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/intr.c -o obj/kern/driver/intr.o
+ cc kern/trap/trap.c
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trap.c -o obj/kern/trap/trap.o
+ cc kern/trap/vectors.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/vectors.S -o obj/kern/trap/vectors.o
+ cc kern/trap/trapentry.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trapentry.S -o obj/kern/trap/trapentry.o
+ cc kern/mm/pmm.c
gcc -Ikern/mm/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/mm/pmm.c -o obj/kern/mm/pmm.o
+ cc libs/string.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/string.c -o obj/libs/string.o
+ cc libs/printfmt.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o
+ ld bin/kernel
ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/mm/pmm.o  obj/libs/string.o obj/libs/printfmt.o
+ cc boot/bootasm.S
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
+ cc boot/bootmain.c
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
+ cc tools/sign.c
gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c -o obj/sign/tools/sign.o
gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign
+ ld bin/bootblock
ld -m    elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00 obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o
'obj/bootblock.out' size: 488 bytes
build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!
dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc

根據(jù)實際命令，回到Makefile文件中，可以看到對應(yīng)的生成ucore.img的過程及相應(yīng)語句如下，

# create ucore.img
UCOREIMG    := $(call totarget,ucore.img)

$(UCOREIMG): $(kernel) $(bootblock)
    $(V)dd if=/dev/zero of=$@ count=10000
    $(V)dd if=$(bootblock) of=$@ conv=notrunc
    $(V)dd if=$(kernel) of=$@ seek=1 conv=notrunc

$(call create_target,ucore.img)

逐條分析：

  • $(kernel)：生成kernel。需要以下兩步：

    • 編譯kern/目錄下的C程序，生成kernel需要的.o文件：

      $(call add_files_cc,$(call listf_cc,$(KSRCDIR)),kernel,$(KCFLAGS))

      執(zhí)行的實際命令為

      + cc kern/init/init.c
gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/init/init.c -o obj/kern/init/init.o
+ cc kern/libs/stdio.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/stdio.c -o obj/kern/libs/stdio.o
+ cc kern/libs/readline.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/readline.c -o obj/kern/libs/readline.o
+ cc kern/debug/panic.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/panic.c -o obj/kern/debug/panic.o
+ cc kern/debug/kdebug.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kdebug.c -o obj/kern/debug/kdebug.o
+ cc kern/debug/kmonitor.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kmonitor.c -o obj/kern/debug/kmonitor.o
+ cc kern/driver/clock.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/clock.c -o obj/kern/driver/clock.o
+ cc kern/driver/console.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/console.c -o obj/kern/driver/console.o
+ cc kern/driver/picirq.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/picirq.c -o obj/kern/driver/picirq.o
+ cc kern/driver/intr.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/intr.c -o obj/kern/driver/intr.o
+ cc kern/trap/trap.c
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trap.c -o obj/kern/trap/trap.o
+ cc kern/trap/vectors.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/vectors.S -o obj/kern/trap/vectors.o
+ cc kern/trap/trapentry.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trapentry.S -o obj/kern/trap/trapentry.o
+ cc kern/mm/pmm.c
gcc -Ikern/mm/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/mm/pmm.c -o obj/kern/mm/pmm.o
+ cc libs/string.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/string.c -o obj/libs/string.o
+ cc libs/printfmt.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o

    • 鏈接這些.o文件，生成kernel。

      # create kernel target
kernel = $(call totarget,kernel)

$(kernel): tools/kernel.ld

$(kernel): $(KOBJS)
    @echo + ld $@
    $(V)$(LD) $(LDFLAGS) -T tools/kernel.ld -o $@ $(KOBJS)
    @$(OBJDUMP) -S $@ > $(call asmfile,kernel)
    @$(OBJDUMP) -t $@ | $(SED) '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > $(call symfile,kernel)

$(call create_target,kernel)

      執(zhí)行的實際命令為

      + ld bin/kernel
ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/mm/pmm.o  obj/libs/string.o obj/libs/printfmt.o
  • $(bootblock)：生成binblock。需要以下三步：
    • 生成bootmain.o和bootasm.o。 
      bootfiles = $(call listf_cc,boot)
$(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),$(CFLAGS) -Os -nostdinc))
      執(zhí)行的實際命令為 
      + cc boot/bootasm.S
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o         obj/boot/bootasm.o
+ cc boot/bootmain.c
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
    • 編譯tools/sign.c，生成sign.o。 
      # create 'sign' tools
$(call add_files_host,tools/sign.c,sign,sign)
$(call create_target_host,sign,sign)
      執(zhí)行的實際命令為 
      + cc tools/sign.c
gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c -o obj/sign/tools/sign.o
gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign
    • 鏈接以上的.o文件。 
      bootblock = $(call totarget,bootblock)

$(bootblock): $(call toobj,$(bootfiles)) | $(call totarget,sign)
    @echo + ld $@
    $(V)$(LD) $(LDFLAGS) -N -e start -Ttext 0x7C00 $^ -o $(call toobj,bootblock)
    @$(OBJDUMP) -S $(call objfile,bootblock) > $(call asmfile,bootblock)
    @$(OBJCOPY) -S -O binary $(call objfile,bootblock) $(call outfile,bootblock)
    @$(call totarget,sign) $(call outfile,bootblock) $(bootblock)

$(call create_target,bootblock)
      執(zhí)行的實際命令為 
      + ld bin/bootblock
ld -m    elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00 obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o
  • $(V)dd if=/dev/zero of=$@ count=10000：生成一個有10000個塊的文件，每個塊默認512字節(jié)，用0填充。執(zhí)行的實際命令為 
    dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
  • $(V)dd if=$(bootblock) of=$@ conv=notrunc：把bootblock中的內(nèi)容寫到第一個塊。執(zhí)行的實際命令為 
    dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
  • $(V)dd if=$(kernel) of=$@ seek=1 conv=notrunc：從第二個塊開始寫kernel中的內(nèi)容。執(zhí)行的實際命令為 
    dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc

實際執(zhí)行的命令分為三類：

  1. gcc命令：將.c或.S命令編譯生成.o目標文件。
  2. ld命令：鏈接.o文件生成新的.o文件或可執(zhí)行文件。
  3. dd命令：用指定大小的塊拷貝一個文件，并在拷貝的同時進行指定的轉(zhuǎn)換。

gcc命令的參數(shù)和含義如下表：

參數(shù) 含義
-Idir 把dir 加入到搜索頭文件的路徑列表中
-fno-builtin 不接受沒有 _builtin 前綴的函數(shù)作為內(nèi)建函數(shù)
-Wall 開啟警告
-ggdb 生成gdb專 用的調(diào)試信息,使用最適合的格式(DWARF 2,stabs等)會有一些gdb專用的擴展,可能造成其他調(diào)試器無法運行
-m32 生成32位機器上的代碼
-gstabs 使用 stabs格式,不包含gdb擴展,stabs常用于BSD系統(tǒng)的DBX調(diào)試器
-nostdinc 不使用標準庫
-fno-stack-protector
-O2 編譯時開啟O2優(yōu)化

ld命令的參數(shù)和含義如下表：

參數(shù) 含義
-m <emulation> 模擬為i386上的連接器
-nostdlib 不使用標準庫
-N 設(shè)置代碼段和數(shù)據(jù)段均可讀寫
-e <entry> 指定入口
-Ttext 制定代碼段開始位置
-T <scriptfile> 讓連接器使用指定的腳本
一個被系統(tǒng)認為是符合規(guī)范的硬盤主引導扇區(qū)的特征是什么？

在tools/sign.c中，

    char buf[512];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    FILE *ifp = fopen(argv[1], "rb");
    int size = fread(buf, 1, st.st_size, ifp);
    if (size != st.st_size) {
        fprintf(stderr, "read '%s' error, size is %d.\n", argv[1], size);
        return -1;
    }
    fclose(ifp);
    buf[510] = 0x55;
    buf[511] = 0xAA;

可以看到，符合規(guī)范的硬盤主引導扇區(qū)必須含有512個字節(jié)，并且最后兩個字節(jié)分別是0x55和0xAA。

練習2：使用qemu執(zhí)行并調(diào)試lab1中的軟件

從CPU加電后執(zhí)行的第一條指令開始，單步跟蹤BIOS的執(zhí)行

將tools/gitinit文件改為如下命令：

file bin/kernel
target remote :1234
set architecture i8086

隨后執(zhí)行make debug將彈出gdb窗口，在gdb窗口中使用si命令即可單步追蹤。截圖如下：

從CPU加電后第一條指令開始執(zhí)行，執(zhí)行三步后輸出當前指令

在初始化位置0x7c00設(shè)置實地址斷點,測試斷點正常

將tools/gitinit文件改為如下命令：

file bin/kernel
target remote :1234
set architecture i8086
b *0x7c00
c
x/10i $pc

執(zhí)行make debug后，測試結(jié)果如圖：

在0x7c00處設(shè)斷點

從0x7c00開始跟蹤代碼運行,將單步跟蹤反匯編得到的代碼與bootasm.S和bootblock.asm進行比較

為了方便比較，我將Makefile做如下更改以使得跟蹤代碼的匯編代碼輸出到文件中：

debug: $(UCOREIMG)
    $(V)$(QEMU) -S -s -d in_asm -D $(BINDIR)/q.log -parallel stdio -hda $< -serial null &
    $(V)sleep 2
    $(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -tui -x tools/gdbinit"

將tools/gitinit文件改為如下命令以使得每一步si都可以將匯編代碼輸出出來：

file bin/kernel
target remote :1234
set architecture i8086
b *0x7c00
c
x/i $pc
set architecture i386
define hook-stop
x/i $pc
end

單步跟蹤的得到的部分代碼如下：

----------------
IN: 
0x00007c00:  cli    
----------------
IN: 
0x00007c00:  cli    
----------------
IN: 
0x00007c01:  cld    
----------------
IN: 
0x00007c02:  xor    %ax,%ax
----------------
IN: 
0x00007c04:  mov    %ax,%ds
----------------
IN: 
0x00007c06:  mov    %ax,%es
----------------
IN: 
0x00007c08:  mov    %ax,%ss
----------------
IN: 
0x00007c0a:  in     $0x64,%al
----------------
IN: 
0x00007c0c:  test   $0x2,%al
----------------
IN: 
0x00007c0e:  jne    0x7c0a
----------------
IN: 
0x00007c10:  mov    $0xd1,%al
----------------
IN: 
0x00007c12:  out    %al,$0x64
----------------
IN: 
0x00007c14:  in     $0x64,%al
----------------
IN: 
0x00007c16:  test   $0x2,%al
----------------
IN: 
0x00007c18:  jne    0x7c14
----------------
IN: 
0x00007c1a:  mov    $0xdf,%al

可以看出，和bootloader.S中0x7c00起始的匯編代碼相同。

自己找一個bootloader或內(nèi)核中的代碼位置，設(shè)置斷點并進行測試

將端點設(shè)在0x7d10，tools/gitinit文件改為如下命令：

file bin/kernel
target remote :1234
set architecture i8086
b *0x7d10
c
x/i $pc
set architecture i386
define hook-stop
x/i $pc
end

效果如圖：


斷點為0x7de0

練習3：分析bootloader進入保護模式的過程

見注釋Step1-6.

start:
# Step1：清理環(huán)境，射中重要段寄存器的初值。
.code16
    cli     
    cld  

    xorw %ax, %ax  
    movw %ax, %ds
    movw %ax, %es
    movw %ax, %ss

# Step2：開啟A20。通過將鍵盤控制器上的A20線置于高電位，全部32條地址線可用， 可以訪問4G的內(nèi)存空間。
seta20.1:
    inb $0x64, %al  # 等待8042鍵盤控制器不忙
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.1

    movb $0xd1, %al  # 向8042端口發(fā)送0xd1
    outb %al, $0x64                                 

seta20.2:
    inb $0x64, %al  # 等待8042鍵盤控制器不忙input buffer empty).
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.2

    movb $0xdf, %al  # 開啟A20
    outb %al, $0x60                                

# Step3：初始化GDT，從實模式切換至保護模式
    lgdt gdtdesc
    movl %cr0, %eax
    orl $CR0_PE_ON, %eax
    movl %eax, %cr0

# Step4：將處理器轉(zhuǎn)至32位模式，跳轉(zhuǎn)
    ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg

.code32                                             # Assemble for 32-bit mode
protcseg:

# Step5：設(shè)置段寄存器，并建立堆棧
    movw $PROT_MODE_DSEG, %ax                       # Our data segment selector
    movw %ax, %ds                                   # -> DS: Data Segment
    movw %ax, %es                                   # -> ES: Extra Segment
    movw %ax, %fs                                   # -> FS
    movw %ax, %gs                                   # -> GS
    movw %ax, %ss                                   # -> SS: Stack Segment
    movl $0x0, %ebp
    movl $start, %esp
# Step6：進入bootmain
    call bootmain

練習4：分析bootloader加載ELF格式的OS的過程

在bootmain函數(shù)中，包含了加載OS的過程，見Step1-4：

void
bootmain(void) {
    // Step1：讀磁盤中的第一頁
    readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);

    // Step2：檢查是否為ELF
    if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) {
        goto bad;
    }

    struct proghdr *ph, *eph;

    // Step3：加載描述表，并按照描述表讀入ELF文件中的數(shù)據(jù)
    ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
    eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
    for (; ph < eph; ph ++) {
        readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
    }

    // Step4：根據(jù)ELF頭部儲存的入口信息，找到內(nèi)核的入口。
    ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();

bad:
    outw(0x8A00, 0x8A00);
    outw(0x8A00, 0x8E00);

    /* do nothing */
    while (1);
}

其中，readseg可以從磁盤讀取任意長度的內(nèi)容。

練習5：實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用堆棧跟蹤函數(shù)

補充kern/debug/kdebug.c：

void
print_stackframe(void) {
    uint32_t ebp = read_ebp();
    uint32_t eip = read_eip();
    for (int i = 0; i < STACKFRAME_DEPTH && ebp != 0; ++i) {
        cprintf("ebp:0x%08x eip:0x%08x ", ebp, eip);
        uint32_t arg1, arg2, arg3, arg4;
        arg1 = *((uint32_t *)ebp + 2);
        arg2 = *((uint32_t *)ebp + 3);
        arg3 = *((uint32_t *)ebp + 4);
        arg4 = *((uint32_t *)ebp + 5);
        cprintf("args:0x%08x 0x%08x 0x%08x 0x%08x\n", arg1, arg2, arg3, arg4);
        print_debuginfo(eip - 1);
        eip = *((uint32_t *)ebp + 1);
        ebp = *((uint32_t *)ebp);
    }
}

運行make qemu后結(jié)果見“練習5、6的結(jié)果”一圖。
最后一行的內(nèi)容是bootmain.c中的bootmain函數(shù)，也即第一個使用該堆棧的函數(shù)。bootloader設(shè)置的堆棧從0x7c00開始，使用“call bootmain”轉(zhuǎn)入bootmain函數(shù)。 call指令壓棧，所以bootmain中ebp為0x7bf8。

練習5、6的結(jié)果

練習6：完善中斷初始化和處理

中斷描述符表（ 也可簡稱為保護模式下的中斷向量表） 中一個表項占多少字節(jié)？其中哪幾位代表中斷處理代碼的入口？

中斷向量表一個表項占用8字節(jié)，2、3字節(jié)是段選擇子，0、1字節(jié)和6、7字節(jié)拼成位移， 兩者聯(lián)合便是中斷處理程序的入口地址。

請編程完善kern/trap/trap.c中對中斷向量表進行初始化的函數(shù)idt_init。
void
idt_init(void) {
    extern uintptr_t __vectors[];
    for (int i = 0; i < 256; ++i) {
        SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL);
    }
    SETGATE(idt[T_SWITCH_TOK], 0, GD_KTEXT, __vectors[T_SWITCH_TOK], DPL_USER);
    lidt(&idt_pd);
}
請編程完善trap.c中的中斷處理函數(shù)trap，在對時鐘中斷進行處理的部分填寫trap函數(shù)中處理時鐘中斷的部分，使操作系統(tǒng)每遇到100次時鐘中斷后，調(diào)用print_ticks子程序，向屏幕上打印一行文字”100 ticks”。
    case IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER:
        ticks++;
        if (ticks== TICK_NUM) {
            ticks= 0;
            print_ticks();
        }
        break;

Challenge1

  • Note：極大的參考了答案，還沒有完全理解。正試圖將syscall相關(guān)的部分寫進去。
  • 在lab1_switch_to_user和lab1_switch_to_kernel中嵌入?yún)R編，調(diào)用T_SWITCH_TOU和T_SWITCH_TOK兩種中斷。 
    static void
lab1_switch_to_user(void) {
  //LAB1 CHALLENGE 1 : TODO
  cprintf("1");
  asm volatile (
      "sub $0x8, %%esp \n"
      "int %0 \n"
      "movl %%ebp, %%esp":: "i"(T_SWITCH_TOU)
  );
  cprintf("1");
}

static void
lab1_switch_to_kernel(void) {
  //LAB1 CHALLENGE 1 :  TODO
  asm volatile (
      "int %0 \n"
      "movl %%ebp, %%esp" :: "i"(T_SWITCH_TOK)
  );
}
  • 發(fā)生中斷后，在中斷處理程序中需要修改段選擇子，并在棧中保存原來的段選擇子。 
      case T_SWITCH_TOU:
      if (tf->tf_cs != USER_CS) {
          k2u = *tf;
          k2u.tf_cs = USER_CS;
          k2u.tf_ds = USER_DS;
          k2u.tf_es = USER_DS;
          k2u.tf_ss = USER_DS;
          k2u.tf_esp = (uint32_t)tf + sizeof(struct trapframe) - 8;
          k2u.tf_eflags |= FL_IOPL_MASK;
          *((uint32_t *)tf - 1) = (uint32_t)&k2u;
      }
      break;
  case T_SWITCH_TOK:
      if (tf->tf_cs != KERNEL_CS) {
          tf->tf_cs = KERNEL_CS;
          tf->tf_ds = KERNEL_DS;
          tf->tf_es = KERNEL_DS;
          tf->tf_eflags &= ~FL_IOPL_MASK;
          u2k = (struct trapframe *)(tf->tf_esp - (sizeof(struct trapframe) - 8));
          memmove(u2k, tf, sizeof(struct trapframe) - 8);
          *((uint32_t *)tf - 1) = (uint32_t)u2k;
      }
      break;

與參考答案的區(qū)別

  • 練習五：最開始使用的是內(nèi)嵌匯編的形式獲得對應(yīng)地址的值，但是由于發(fā)現(xiàn)答案中的方法更好，因此改為了使用指針來獲取值。
  • 練習六：與答案類似，但是自己寫的。沒有理解為什么前32個idt的is_trap也設(shè)為0。
  • Challenge：參考了答案。

所覆蓋知識點

  • BIOS啟動過程
  • bootloader啟動過程
  • 保護模式和分段機制
  • 硬盤訪問
  • 操作系統(tǒng)啟動過程
  • 函數(shù)堆棧
  • 中斷和異常

思考

在實驗過程中，我發(fā)現(xiàn)我對OS的理解不夠透徹。最重要的是，我沒有完全分清哪些由軟件操作，哪些由硬件操作，這給我的實驗造成了一些困難。所幸最后在閱讀匯編代碼的時候大致理清了思路。在接下來的學習中，我需要更深入的理解理論，才能更順利地進行接下來的實驗。

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