清華大學(xué)操作系統(tǒng)實驗lab1實驗報告

練習(xí)1、理解通過make生成執(zhí)行文件的過程。[練習(xí)1.1]操作系統(tǒng)鏡像文件ucore.img是如何一步一步生成的?在projl執(zhí)行命令make2=可以得到make指令執(zhí)行的過程makeV=+ccboot/bootasm.Sgcc-Iboot/-fno-builtin-Wall-ggdb-m32-nostdinc-fno-stack-protector-Ilibs/-Os-nostdinc-cboot/bootasm.S-oobj/boot/bootasm.o+ccboot/bootmain.cgcc-Iboot/-fno-builtin-Wall-ggdb-m32-nostdinc-fno-stack-protector-Ilibs/-Os-nostdinc-cboot/bootmain.c-oobj/boot/bootmain.o+cctools/sign.cgcc-Itools/-g-Wall-02-ctools/sign.c-oobj/sign/tools/sign.ogcc-g-Wall-O2obj/sign/tools/sign.o-obin/sign+ldbin/bootblockld-melf_i386-N-estart-Ttext0x7C00obj/boot/bootasm.oobj/boot/bootmain.o-oobj/bootblock.o'obj/bootblock.out'size:440bytesbuild512bytesbootsector:'bin/bootblock'success!ddif=/dev/zeroof=bin/ucore.imgcount=10000記錄了10000+0的讀入記錄了10000+0的寫出5120000字節(jié)(5.1MB)已復(fù)制，0.0227439秒，225MB/秒ddif=bin/bootblockof=bin/ucore.imgconv=notrunc記錄了1+0的讀入記錄了1+0的寫出512字節(jié)(512B)已復(fù)制,0.000214966秒，2.4MB/秒從這幾條指令中可以看出需要生成ucore.img首先需要生成bootblock，而生成bootblock需要先生成bootmain.o和bootasm.o還有sign,這三個文件又分別由bootmain.c、bootasm.S、sigh.c來生成。ld-m elf_i386-N-estart-Ttext0x7C00obj/boot/bootasm.oobj/boot/bootmain.o-oobj/bootblock.o這句話用于生成bootblock，elf_i386表示生成elf頭，0x7C00為程序的入口。'obj/bootblock.out'size:440bytes這句話表示生成的bootblock的文件大小，因為大小不到512字節(jié)，所以需要給blootblock填充，填充的功能在sign.c中有所體現(xiàn)，最后兩字節(jié)設(shè)置為了0x55，0xAAbuf[510]=0x55;buf[511]=0xAA;FILE*ofp=fopen(argv[2],"wb+")；size=fwrite(buf,1,512,ofp);[練習(xí)1.2]一個被系統(tǒng)認為是符合規(guī)范的硬盤主引導(dǎo)扇區(qū)的特征是什?么前面已經(jīng)提到過：引導(dǎo)扇區(qū)的大小為512字節(jié)，最后兩個字節(jié)為標(biāo)志性結(jié)束字節(jié)0x55,OxAA，做完這樣的檢查才能認為是符合規(guī)范的磁盤主引導(dǎo)扇區(qū)。Sign.c文件中有作檢查：if(size!=512){fprintf(stderr,"write'%s'error,sizeis%d.\n",argv[2],size);return-1;}練習(xí)2：使用qemu執(zhí)行并調(diào)試labl中的軟件。[練習(xí)2.1]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。[練習(xí)2?2]在初始化位置刃刖設(shè)置實地址斷點測試斷點正常。[練習(xí)2?3]在調(diào)用qemu時增加in_asm-Dq.log參數(shù)，便可以將運行的匯編指令保存在Jog中。將執(zhí)行的匯編代碼與ootasm?S和bootblock.asm進行比較，看看二者是否一致。實驗是基于老lab1/proj1做的，練習(xí)開始時是打算用命令行一句一句執(zhí)行得到結(jié)果的，后來發(fā)現(xiàn)直接修改nake刑e和gdbinit可以大大提高調(diào)試效率。于是在makefile中增加以下代碼Iab1-mon:$(UCOREIMG)$(V)$(TERMINAL)-e"$(QEMU)-S-s-din_asm-D$(BINDIR)/q.Iog-monitorstdio-hda$<-serialnull"$(V)sleep2$(V)$(TERMINAL)-e"gdb-q-tui-xtools/gdbinit"-S-s是使得qemu在執(zhí)行第一條指令之前停下來，在調(diào)用emu時增加■din_asm-Dq.log參數(shù)，便可以將運行的匯編指令保存在Jog中。然后sleep兩秒應(yīng)該是給qemu充分的時間準(zhǔn)備等待連接。接下來使用DB調(diào)試工具,-tui提供了代碼與命令行分屏查看的界面tools/gdbinit中存放的是gdb調(diào)試指令如下。fileobj/bootblock.otargetremote:1234setarchitecturei8086b*0x7c00continuex/10i$pc先是加載調(diào)試文件然后連接qemu,設(shè)置8086的實模式，設(shè)置斷點Ox7c00，也就是bootloader的第一條指令，然后運行到斷點。再顯示接下來的3條指令。運行結(jié)果圖如下

B+>Terminalstart:.crotlEi辰115cid1713尊B(yǎng)+>Terminalstart:.crotlEi辰115cid1713尊sexupthe19X(>?塔ax#KaxZDnovw%ds21mo'/w常ax#?ies22HOW%ax,%552324#EnableA2G:25JfForbackwaBootingfremHardDisk…、snpEtlbllAtywiththe P匸?phygtrenoteThread1in:startItne：15PC：OX7CO0renoteThread1in:startThetargetarchitectureisassumedtobe1S08CBreakpoint1atGx7c00:fiteboot/bootasm.S,lineIS,ell

eldBreakpoint1pEtmrt()atboot/bootasn.SrlS"0x7c00cstart>:ell

eldoxzcai<start+l>:---Type*；return>tocontinuetorq<；return》toquit--0x7c04^start+4>;novWax^dsax7c06<start+6>:novStes0k7c08<stsrt+8?:nov0X7CO3-￡seta20.1^:tn$0x&4^al0k7c0c<seta26.l+2>:test$0xZ,94olax7coe<seta2B.l+4>:jneax7toatseta20.1>3k7c10r?」l、 <seta20.l+6>:nov$3xdl,%al很明顯，斷點位置的代碼和ootem文件中的代碼完全一致，說明斷點設(shè)置成功。打開Jog文件看，看到了很奇葩的結(jié)果。能夠看到Cd之類熟悉的指令，但是他們的地址以及出現(xiàn)的順序都不是想象的那樣（從0x0x00007c00k開始，第一條指令為陽丿。 IN;OxfffffffO:Ljnp $OxeeSb|4IM;Gk^&Of?BE6-kgtOx!&&0f?C68iIM!0X&&Ofee5b:cnpl $6x9,SC5：0x65a4:jne 6xfd；2.b9ie111213J.4之后聽大神解釋，在q.log中進入BIOS之后的跳轉(zhuǎn)地址與實際應(yīng)跳轉(zhuǎn)地址不相符，匯編代碼也與bootasm.S和bootblock.asm不相同。

可以通過makedebug之后在qemu的控制臺中輸入x/10i$pc看到BIOS執(zhí)行bootloader部分的代碼?！?j■~~1 MkjBfBy-H j]T?■■■■■■■■?4U* ■rCl00QEMU[Stopp&d]?ompat_rfionitorOconsole{EMU2.0.0ncm辻ctr[qemu)x/10i$pc)x0000?c00:cli)x0000?c01:cld-type'help"fopworeinformation)x00007cG2；xorzax,zax)x00007c04；mouzax,zds)x00007c06:mouzax,zes)x0O0O7cO6:mouzax,ZEE)x0O0O7cOa:in$0x64,zal)x0O0O7cOc:test,zal)x00007c0e:jneGx7c0aJxOOOOTclO:■nou$0xdl, 1進過對比，這些代碼與bootasm.S與bootblock.asm中的代碼完全一致。練習(xí)3分析bootloader進入保護模式的過程。在開啟120之前，BIOS^做了很多事關(guān)中斷、清除方向標(biāo)志，給各個數(shù)據(jù)段清零。cli #Disableinterruptscld #Stringoperationsincrement#Setuptheimportantdatasegmentregisters(DS,ES,SS).xorw%ax,%ax#Segmentnumberzeromovw%ax,%ds#->DataSegmentmovw%ax,%es#->ExtraSegmentmovw%ax,%ss

1、為何^^A20，以及如何開啟A20?seta20.1:inb$0x64,%altestb$0x2,%aljnzseta20.1#等待8042鍵盤控制器不忙movb$0xd1,%aloutb%al,$0x64#發(fā)送寫8042輸出端口的指令seta20.2:inb$0x64,%altestb$0x2,%aljnzseta20.2#等待8042鍵盤控制器不忙movb$0xdf,%aloutb%al,$0x60#打開A20當(dāng)A20地址線控制禁止時，則程序就像在8086中運行，1MB以上的地是不可訪問的。在保護模式下A20地址線控制是要打開的。為了使能所有地址位的尋址能力,必須向鍵盤控制器8042發(fā)送一個命令。鍵盤控制器8042將會將它的的某個輸出引腳的輸出置高電平,作為A20地址線控制的輸入。一旦設(shè)置成功之后，內(nèi)存將不會再被繞回(memorywrapping),這樣我們就可以尋址intel80286CPU支持的16M內(nèi)存空間，或者是尋址intel80386以上級別CPU支持的所有4G內(nèi)存空間了。2、如何初始化D7表？lgdtgdtdesc把gdt表的起始位置和界限裝入GDTR寄存器movl%cr0,%eaxorl$CR0_PE_ON,%eaxmovl%eax,%cr0#把保護模式位開啟復(fù)習(xí)一下crO寄存器，它的第0位為保護模式位PE：設(shè)置PE將讓處理器工作在保護模式下。復(fù)位PE將返回到實模式工作。此外，gdtdesc指出了全局描述符表在符號gdt處，如下上面四句話實現(xiàn)了打開保護模式位。3、如何使能進入保護模式？通過長跳轉(zhuǎn)指令gdt:SEG_NULLASMSEG_ASM(STA_X|STA_R,0x0,Oxffffffff)SEG_ASM(STA_W,0x0,Oxffffffff)#空段#代碼段（起始地址，大?。?數(shù)據(jù)段（起始地址，大?。﹍jmp$PROT_MODE_CSEG,$protcseg進入了保護模式。進入保護模式之后還有一個步驟：把所有的數(shù)據(jù)段寄存器指向上面的GDT描述符表中的數(shù)據(jù)段（0x10）。練習(xí)四、分析bootloader加載ELF格式的OS的過程。在proj2中，增加主要增加了對磁盤簡單的讀取函數(shù)readsect()readseg()),以及對ELF頭的解析(ELF頭結(jié)構(gòu)在ELF.h文件中)。staticvoidreadseg(uintptr_tva,uint32_tcount,uint32_toffset){uintptr_tend_va=va+count;//指針移到邊界va-=offset%SECTSIZE;//計算開始讀的第一個扇區(qū)號uint32_tsecno=(offset/SECTSIZE)+1;//逐個讀取扇區(qū)for(;va<end_va;va+=SECTSIZE,secno++){readsect((void*)va,secno);}}//實現(xiàn)了從kernel復(fù)制8個扇區(qū)(包含ELF頭，共4KB)到0x10000疑問：為什么要把ELF頭讀到0X10000?從哪讀？以下為一些硬件端口上實現(xiàn)讀取一個扇區(qū)到內(nèi)存0x10000。/*readsect-readasinglesectorat@secnointo@dst*/staticvoidreadsect(void*dst,uint32_tsecno){//waitfordisktobereadywaitdisk();outb(0x1F2,1); //count=1outb(0x1F3,secno&0xFF);outb(0x1F4,(secno>>8)&0xFF);outb(0x1F5,(secno>>16)&0xFF);outb(0x1F6,((secno>>24)&0xF)|0xE0);outb(0x1F7,0x20); //cmd0x20-readsectors//waitfordisktobereadywaitdisk();//readasectorinsl(0x1F0,dst,SECTSIZE/4);}Readsect()函數(shù)的工作大致是：1.讀I/O地址0x1f7，等待磁盤準(zhǔn)備好;2.寫I/O地址0x1f2~0x1f5,0x1f7，發(fā)出讀取第offseet個扇區(qū)處的磁盤數(shù)據(jù)的命令；讀I/O地址0x1f7，等待磁盤準(zhǔn)備好；連續(xù)讀I/O地址0x1f0,把磁盤扇區(qū)數(shù)據(jù)讀到指定內(nèi)存。練習(xí)五、實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用堆棧跟蹤函數(shù)(需要編程)+|檢底方向 |高位地址TOC\o"1-5"\h\zI II I| #^13 ||券數(shù)2 |I奩數(shù)1 II返回地址 II上一層[出p] |U [ebp]|局部邏量 |低隹燉址可以獲知棧底是在高地址，棧頂在低地址，壓棧的次序為：參數(shù)(編程的時候默認有四個參數(shù))、返回地址、上一層EBP、局部變量。uint32_tebp=read_ebp(),eip=read_eip();inti,j；for(i=0;ebp!=0&&i<STACKFRAME_DEPTH;i++){cprintf"ebp:0x%08xeip:0x%08xargs:",ebp,eip);uint32_t*args=(uint32_t*)ebp+2;for(j=0;j<4;j++){cprintf"0x%08x",args[j]);}cprintf"\n");print_debuginfo(eip-1);eip=(uint32_t*)ebp)[1];ebp=(uint32_t*)ebp)[0];注：read_ebp()和readeip()都是通過內(nèi)聯(lián)匯編實現(xiàn)的。Eip-1是為了能找到上一條指令

結(jié)果圖：ITH7E0xO9007t>6eOx901O9a58exaoeeoaoe9X000001003QxMlOllldkern/debug/nonttDr.c:711runcndM370xO9l0lf14ebp:9)cae937bc8etp:okobiobqbcargs:□xeaaoooaa0X030000030xfa7502a8ITH7E0xO9007t>6eOx901O9a58exaoeeoaoe9X000001003QxMlOllldkern/debug/nonttDr.c:711runcndM370xO9l0lf14ebp:9)cae937bc8etp:okobiobqbcargs:□xeaaoooaa0X030000030xfa7502a8ebp:&K0flOO7b98eip:OxB0iaOac5args:0x00000000kern/debug/monitor-c;3B:nonitor+681oxooooeooo0x0000065cexaesaeaoeGx54e4dOBeexseeesaee□xa00iaa943backtraceebp:9K0O3O7ae8eip:OxOGlOOSCbargs:0x03990000QxOOOQGOOlkern/d!ebug/kdebug*c;307:print_stackfrane+21ebp:0K000O7afsetp:axoei90b49argsi0x00000000exaao07bickern/debug/nonitor*c:121:Tion_backtrace+19ebp:a?t&0OO7b68eip:0^00100^58args;0x00108569'0xOO007b98kern/init/tnit.c:25:kerninit-i-91ebp:DxOOOD7bf8eip:0KOG007d68args:0xc031fcfa0xcD8ed88e enMo"：-- 0工Elm眥了ch?-- 練習(xí)六、完善中斷初始化和處理（需要編程）[練習(xí)6.1]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？80386INTERRUPTGATE中斷向量表一個表項占用8字節(jié)，其中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。2.請編程完善kern/trap/trap.c中對中斷向量表進行初始化的函^Ht_initoidt_init(void){externuintptr」__vectors[];inti;for(i=0;i<sizeof(idt)/sizeof(structgatedesc);i++){SETGATE(idt[i],0,GD_KTEXT,__vectors[i],DPL_KERNEL);}//初始化每一條IDT項//設(shè)置內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的轉(zhuǎn)換SETGATE(idt[T_SWITCH_TOK],0,GD_KTEXT,__vectors[T_SWITCH_TOK],DPL_USER);//載入IDTlidt(&idt_pd);}3.請編程完善trap.中的中斷處理函數(shù)rap在對時鐘中斷進行處理的部分填寫trapS數(shù)中處理時鐘中斷的部分，使操作系統(tǒng)每遇到0次時鐘中斷后，調(diào)用print_tickS程序，向屏幕上打印一行文字”00tic”caseIRQ_OFFSET+IRQ_TIMER:ticks++;if(ticks%TICK_NUM==0){print_ticks();}//當(dāng)有100次時鐘中斷輸出一次break;練習(xí)7、增加sysca功能，即增加一用戶態(tài)函數(shù)(可執(zhí)行