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_la

實驗樓：https://www.lanqiao.cn/courses/221

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

注意！本次命令運行的目錄并不是 related_info，而是labcodes
即為/home/shiyanlou/ucore_lab/labcodes/lab1/
而非/home/shiyanlou/ucore_lab/related_info/lab1/

運行 make "V="，可以得到如下編譯過程：

shiyanlou:lab1/ (master) $ make "V="                                 [19:38:31]
+ 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
kern/init/init.c:95:1: warning: \u2018lab1_switch_test\u2019 defined but not used [-Wunused-function]
 lab1_switch_test(void) {
 ^
+ 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/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/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
kern/debug/kdebug.c:251:1: warning: \u2018read_eip\u2019 defined but not used [-Wunused-function]
 read_eip(void) {
 ^
+ 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/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/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/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/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/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
kern/trap/trap.c:14:13: warning: \u2018print_ticks\u2019 defined but not used [-Wunused-function]
 static void print_ticks() {
             ^
kern/trap/trap.c:30:26: warning: \u2018idt_pd\u2019 defined but not used [-Wunused-variable]
 static struct pseudodesc idt_pd = {
                          ^
+ 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/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/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/printfmt.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.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
+ ld bin/kernel
ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/mm/pmm.o  obj/libs/printfmt.o obj/libs/string.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: 472 bytes
build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!
dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
記錄了10000+0 的讀入  
記錄了10000+0 的寫出  
5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.0291521 s, 176 MB/s  
dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc  
記錄了1+0 的讀入  
記錄了1+0 的寫出  
512 bytes copied, 0.000369551 s, 1.4 MB/s  
dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc  
記錄了138+1 的讀入  
記錄了138+1 的寫出  
70775 bytes (71 kB) copied, 0.000517448 s, 137 MB/s

根據(jù)實際命令，進入/home/shiyanlou/ucore_lab/labcodes/lab1/目錄中，打開該目錄下的Makefile文件，可以看到對應(yīng)的生成ucore.img的過程及相應(yīng)語句如下：
（Makefile文件內(nèi)，Line 178 - Line 186）

# 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(Line 136)：

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

聯(lián)系之前運行make "V="時得到的編譯過程，該C程序?qū)嶋H執(zhí)行的命令為：

+ 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 (Line 140 - 151)

# 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)

聯(lián)系之前運行make "V="時得到的編譯過程，該C程序?qū)嶋H執(zhí)行的命令為：

+ ld bin/kernel
ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o Fobj/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 (Line 156 - 157)

bootfiles = $(call listf_cc,boot)
$(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),$(CFLAGS) -Os -nostdinc))

聯(lián)系之前運行make "V="時得到的編譯過程，該C程序?qū)嶋H執(zhí)行的命令為：

+ 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 (Line 173 - 174)

# create 'sign' tools
$(call add_files_host,tools/sign.c,sign,sign)
$(call create_target_host,sign,sign)

聯(lián)系之前運行make "V="時得到的編譯過程，該C程序?qū)嶋H執(zhí)行的命令為：

+ 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 (Line 159 - 168)

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)

聯(lián)系之前運行make "V="時得到的編譯過程，該C程序?qū)嶋H執(zhí)行的命令為：

+ 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：

gcc命令：將.c或.S命令編譯生成.o目標文件。

ld命令：鏈接.o文件生成新的.o文件或可執(zhí)行文件。

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	除非用_builtin前綴，否則不進行builtin函數(shù)作為內(nèi)建函數(shù)的*優(yōu)化
-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	不生成用于檢測緩沖區(qū)溢出的代碼
-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。

擴展閱讀：

操作系統(tǒng)實驗：Lab1

清華大學操作系統(tǒng)課程 ucore Lab 1 系統(tǒng)軟件啟動過程實驗報告：http://www.itdecent.cn/p/2f95d38afa1d

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[清華OS課程]uCore-OS_Lab1_prac1_系統(tǒng)軟件啟動過程

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練習1：理解通過make生成執(zhí)行文件的過程

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？

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