计算机系统

大作业

题目程序人生-Hello’s P2P

专业英才学院

学　　号 7203610606

班级 2036014

学生 xxx

指导教师刘宏伟

计算机科学与技术学院

2021年5月

摘要

通过对《深入了解计算机系统》这本书的学习，本文将从“hello”的一生入手，从预处理，编译，汇编，链接，运行，结束等过程，同时还包括了它的进程管理、存储管理、IO管理。进行课程知识的梳理与回顾，来加深对“计算机系统”课程的理解。

关键词：hello；计算机系统；程序的生命周期；I/O；C语言

目录

第1章概述

1.1 Hello简介

1.2 环境与工具

1.3 中间结果

1.4 本章小结

第2章预处理

2.1 预处理的概念与作用

2.2在Ubuntu下预处理的命令

2.3 Hello的预处理结果解析

2.4 本章小结

第3章编译

3.1 编译的概念与作用

3.2 在Ubuntu下编译的命令

3.3 Hello的编译结果解析

3.4 本章小结

第4章汇编

4.1 汇编的概念与作用

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

4.3 可重定位目标elf格式

4.4 Hello.o的结果解析

4.5 本章小结

第5章链接

5.1 链接的概念与作用

5.2 在Ubuntu下链接的命令

5.3 可执行目标文件hello的格式

5.4 hello的虚拟地址空间

5.5 链接的重定位过程分析

5.6 hello的执行流程

5.7 Hello的动态链接分析

5.8 本章小结

第6章 hello进程管理

6.1 进程的概念与作用

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程

6.3 Hello的fork进程创建过程

6.4 Hello的execve过程

6.5 Hello的进程执行

6.6 hello的异常与信号处理

6.7本章小结

第7章 hello的存储管理

7.1 hello的存储器地址空间

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换

7.5 三级Cache支持下的物理内存访问

7.6 hello进程fork时的内存映射

7.7 hello进程execve时的内存映射

7.8 缺页故障与缺页中断处理

7.9动态存储分配管理

7.10本章小结

第8章 hello的IO管理

8.1 Linux的IO设备管理方法

8.2 简述Unix IO接口及其函数

8.3 printf的实现分析

8.4 getchar的实现分析

8.5本章小结

结论

附件

参考文献

第1章概述

1.1 Hello简介

P2P:hello.c经过cpp预处理、ccl的编译、as的汇编、ld的链接最终成为可执行目标程序hello，在shell中键入启动命令后，shell为其fork产生一个子进程，然后hello便从程序变为了进程。

020：shell使用execve函数运行hello程序，映射虚拟内存，并从程序入口开始载入物理内存，再进入main函数执行目标代码，此时CPU为运行的hello分配时间片执行逻辑控制流，并通过流水线机制运行该程序，当程序运行结束后，shell父进程负责回收hello进程，内核删除相关数据结构。

1.2 环境与工具

硬件环境：X64 CPU；2GHz；2G RAM；256GHD

软件环境：Windows10 64位；VirtualBox 11；Ubuntu 20.04 LTS

开发工具：Visual Studio 2021 64位；CodeBlocks 64位

1.3 中间结果

hello.i 预处理得到的文本文件

hello.s 编译后得到的文本文件

hello.o 汇编得到的可重定位目标文件

1.4 本章小结

第2章预处理

2.1 预处理的概念与作用

概念：在程序设计领域，预处理一般是指程序源代码被翻译为目标代码的过程中，生成二进制代码之前的过程。由预处理器对程序源代码文本进行处理，得到的结果再由编译器核心进一步编译。这个过程并不对程序的源代码进行解析，但它把源代码分割或处理为特定的单位。最常见的预处理是C语言和C++语言。ISO C和ISO C++都规定程序由源代码被翻译分为若干有序的阶段(phase)，通常前几个阶段由预处理器实现。

作用：将源文件中以”include”格式包含的文件复制到编译的源文件中；用实际值代替用#define定义的字符串；条件编译，根据#if后面的条件决定要进行编译的代码。

2.2在Ubuntu下预处理的命令

命令：gcc -E hello.c -o hello.i

2.3 Hello的预处理结果解析

如图所示

可以看到，文本内容大量增加，预处理器将原c文件中的头文件直接插入预处理之后的文件中，将#define相应的宏定义进行了扩充，将原本的C语言编码放到了文件最后。

2.4 本章小结

通过本章了解了C语言编译之前的预处理过程，学会了gcc下的预处理指令，理解了其概念和作用，并对hello.c到hello.i的过程与结果有了更好的理解。
第3章编译

3.1 编译的概念与作用

编译是指：编译器将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，以汇编语言或者机器语言表示的目标程序作为输出。

编译的作用为将高级语言转化为汇编语言，实现程序的优化。

3.2 在Ubuntu下编译的命令

命令：gcc -S hello.i -o hello.s

3.3 Hello的编译结果解析

如图所示

1.常数

存储在.text文件中，使用时加入寄存器中

2.变量

3.赋值

对计数器变量i的赋值，开始赋初值0，然后跳到L3判断

4.类型转换

（原函数）

atoi函数将argv[]中的值转为int型

5.算数操作

每次循环结束后都要进行一次i++操作；

6.关系操作

i=0;i<8;i++

If(argc!=4)

7.数组操作

对arvg数组的引用

函数操作

本程序主要有printf函数，sleep函数，以及atoi函数的调用,设置用于参数传递的寄存器的值，之后通过call指令进行函数的调用。

控制转移

3.4 本章小结

本章主要学习了编译的概念和作用，通过gcc实现了hello.i到Hello.s的过程，并结合了原代码对汇编结果进行了分析，对于文件内部的各种数据以及操作进行了详细的叙述，同时对程序的机器级表示方法更加熟练。

第4章汇编

4.1 汇编的概念与作用

汇编是指将汇编语言程序翻译成机器指令，并将这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序，并将这个结果保留.o目标文件中。

汇编的作用是将汇编语言转化为机器语言，实现文本文件到二进制文件的转化

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

命令：gcc -c hello.s -o hello.o

4.3 可重定位目标elf格式

使用命令readelf -a hello.o > hello1elf.txt，以查看elf文件

1.查看ELF头，其中含有的信息有系统的字的大小和字节顺序，ELF头的大小、目标文件的类型、机器类型、节头部表的文件偏移，以及节头部表中条目的大小和数量。

查看节头，节头描述了所有节的基本信息，例如段的段名、段的长度、在文件中的偏移、读写权限及段的其它属性。

查看符号表

4.4 Hello.o的结果解析

机器语言是二进制机器指令的集合，是纯粹的二进制数据表示的语言，是电脑可以真正识别的语言。机器指令由操作码和操作数构成。

汇编语言的操作数都是十进制数，机器语言是十六进制数。

在汇编语言中，访问printf中的字符串使用段名称+%rip,而在机器语言对应的反汇编程序为0+%rip。

调用函数时，汇编语言直接用函数名调用，而机器语言仍是用相对位置调用，再在下一行写出函数的名称。

4.5 本章小结

本章学习了hello 从hello.s 到hello.o 的汇编过程，分析了可重定位文件的结构和各个组成部分，以及它们的内容和功能，学习汇编指令和机器指令之间的映射关系，更深刻地理解了汇编语言到机器语言的转变。

第5章链接

5.1 链接的概念与作用

链接是将各种代码和数据片段收集并组合成一个单一文件的过程，这个文件可以被加载到内存并执行。链接可以执行于编译时，也就是在源代码被编译成机器代码时；也可以执行于加载时，也就是在程序被加载器加载到内存并执行时；甚至于运行时，也就是由应用程序来执行。

链接的作用是把可重定位目标文件和命令行参数作为输入，产生一个完全链接的，可以加载运行的可执行目标文件。使得分离编译成为可能。

5.2 在Ubuntu下链接的命令

命令：ld -o hello -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o hello.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o

5.3 可执行目标文件hello的格式

命令readelf -a hello > hello2elf.txt

1.查看elf头，可知hello文件类型为EXEC，即是一个可执行目标文件，文件中共有27个节。

查看节头

从Size可知各个段的大小，从Address可知各个段的起始地址即为程序被载入虚拟地址后各段的起始地址，从offset可知各个段在程序中的偏移量。

程序头

符号表

5.4 hello的虚拟地址空间

使用edb加载hello

可知程序的虚拟地址开始于0x400000

5.5 链接的重定位过程分析

命令objdump -d -r hello > hello_dis.txt

在该过程中链接器将所有相同类型的节合并，这个节就作为可执行目标文件的聚合节，在此之后，链接器把运行时的内存地址赋给新的聚合节，赋给输入模块定义的每个节，以及赋给输入模块定义的每个符号，当这一步完成时，程序中每条指令和全局变量都有唯一运行时的地址。

不同之处在于，hello的反汇编代码地址，是经过重定位的，为0x40xxxx的类型，而.o文件则是虚拟地址0开始。相比于hello.o而言，hello的反汇编添加了更多的节。与此同时，hello的反汇编引入了许多函数，因此main中可以直接调用函数的地址，而hello只能调用函数名。hello的反汇编中已经确定了虚拟地址，而hello.o中并没有。

5.6 hello的执行流程

使用edb执行hello，说明从加载hello到_start，到call main,以及程序终止的所有过程。请列出其调用与跳转的各个子程序名或程序地址。

ld-2.23.so!_dl_start 0x7fdc27adbdf0

ld-2.27.so! dl_init 0x7fdc27aebc10

ld-2.27.so!_libc_start_main 0x401145

libc-2.27.so! cxa_atexit 0x7fdc27aef550

libc-2.27.so!_setjmp 0x7fdc27ae60d0

libc-2.27.so!_sigsetjmp 0x7fdc27ae4460

libc-2.27.so!__sigjmp_save 0x7fdc27adb396

hello!puts@plt 0x401090

hello!exit@plt 0x4010d0

hello!printf@plt 0x4010a0

hello!sleep@plt 0x4010e0

hello!getchar@plt 0x4010b0

ld-2.23.so!_dl_runtime_resolve_avx 0x7fdc27aec980

libc-2.27.so!exit 0x7fdc27adb2f0

5.7 Hello的动态链接分析

分析hello程序的动态链接项目，通过edb调试，分析在dl_init前后，这些项目的内容变化。要截图标识说明。

对于动态共享链接库中PIC函数，编译器没有办法预测函数的运行时地址，所以需要为其添加重定位记录，并等待动态链接器处理。为避免运行时修改调用模块的代码段，链接器采用延迟绑定的策略。动态链接器使用过程链接表PLT和全局偏移量表GOT实现函数的动态链接。其中GOT 中存放函数目标地址，PLT使用 GOT中地址跳转到目标函数。

节头中.got信息如图所示

用edb查看位置

在之后的函数调用时，首先跳转到PLT执行.plt中逻辑，第一次访问跳转时，GOT地址为下一条指令，将函数序号压栈，然后跳转到PLT[0]，在 PLT[0]中将重定位表地址压栈，然后访问动态链接器，在动态链接器中使用函数序号和重定位表确定函数运行时地址，重写 GOT，再将控制传递给目标函数。

5.8 本章小结

本章介绍了链接的内容，实现了在ubuntu下链接命令的执行，并对hello的elf格式进行了详细的分析对比，详细了解了重定位过程，遍历了整个hello的执行过程，同时在最后对hello进行了动态链接分析，使得对hello的链接过程有了一个更深刻的理解和体会。

第6章 hello进程管理

6.1 进程的概念与作用

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

进程有如下性质

动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。

并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行

独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；

异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进

结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

进程主要为用户提供了下列两个假象

（1）一个独立的逻辑流，提供程序独占使用处理器的假象。

（2）一个私有的虚拟地址空间，提供程序独占使用整个系统内存的假象。

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程

作用：shell是命令行界面，是系统内核的一层壳,作用是用来保护内核同时传递入与计算机交互的信息.它只是系统的一个工具,我们可以使用它来操作计算机。6.3 Hello的fork进程创建过程。

处理流程：

6.3 Hello的fork进程创建过程

./hello 学号姓名秒数
分割命令行作为参数
发现不是内置命令，fork（）一个子进程，子进程除PID外完全继承父进程
将参数填入
运行，结束后回到shell

6.4 Hello的execve过程

1，hello子进程通过execve系统调用启动加载器。

2，加载器删除子进程所有的虚拟地址段，并创建一组新的代码、数据、堆段。新的栈和堆段被初始化为0。

3，通过将虚拟地址空间中的页映射到可执行文件的页大小的片（chunk），新的代码和数据段被初始化为可执行文件中的内容。

4，最后加载器跳到_start地址，它最终调用hello的main 函数。除了一些头部信息，在加载过程中没有从磁盘到内存的数据复制。直到CPU引用一个被映射的虚拟页时才会进行复制，此时，操作系统利用它的页面调度机制自动将页面从磁盘传送到内存。

6.5 Hello的进程执行

结合进程上下文信息、进程时间片，阐述进程调度的过程，用户态与核心态转换等等。

上下文信息：上下文指内核重新启动一个被抢占的进程所需要的状态，它由通用寄存器、浮点寄存器、程序计数器、用户栈、状态寄存器、内核栈和各种内核数据结构等对象的值构成。

进程时间片：一个进程执行它的控制流的一部分的每一时间段叫做时间片。

调度：在进程执行的某些时刻，内核可以决定抢占当前进程，并重新开始一个先前被强占的进程。

进程hello初始在用户模式中运行，当它通过执行系统调用函数sleep或者exit时，进入到内核。内核中，处理程序完成对系统函数的调用。之后上下文切换，将进程hello系统调用之后的语句。

6.6 hello的异常与信号处理

（以下格式自行编排，编辑时删除）

hello执行过程中会出现哪几类异常，会产生哪些信号，又怎么处理的。

程序运行过程中可以按键盘，如不停乱按，包括回车，Ctrl-Z，Ctrl-C等，Ctrl-z后可以运行ps jobs pstree fg kill 等命令，请分别给出各命令及运行结截屏，说明异常与信号的处理。

6.7本章小结

通过创建,加载，终止hello程序，了解了shell-bash的概念与作用，并学到了hello的异常与处理。

结论

用计算机系统的语言，逐条总结hello所经历的过程。

你对计算机系统的设计与实现的深切感悟，你的创新理念，如新的设计与实现方法。

hello.c经过预编译变为hello.i 文件
hello.i经过编译变为汇编语言hello.s文件
hello.s经过汇编变为机器语言hello.o文件
在shell中输入命令行指令，运行hello程序。
如果不是内置指令，shell fork一个子进程
最后hello运行完毕，被shell回收

附件

hello.i 预处理得到的文本文件

hello.s 编译后得到的文本文件

hello.o 汇编得到的可重定位目标文件

参考文献

为完成本次大作业你翻阅的书籍与网站等

[1] 林来兴. 空间控制技术[M]. 北京：中国宇航出版社，1992：25-42.

[2] 辛希孟. 信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A集[C]. 北京：中国科学出版社，1999.

[3] 赵耀东. 新时代的工业工程师[M/OL]. 台北：天下文化出版社，1998 [1998-09-26]. http://www.ie.nthu.edu.tw/info/ie.newie.htm（Big5）.

[4] 谌颖. 空间交会控制理论与方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，1992：8-13.

[5] KANAMORI H. Shaking Without Quaking[J]. Science，1998，279（5359）：2063-2064.

[6] CHRISTINE M. Plant Physiology: Plant Biology in the Genome Era[J/OL]. Science，1998，281：331-332[1998-09-23]. http://www.sciencemag.org/cgi/ collection/anatmorp.

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第1章 概述

1.1 Hello简介

P2P:hello.c经过cpp预处理、ccl的编译、as的汇编、ld的链接最终成为可执行目标程序hello，在shell中键入启动命令后，shell为其fork产生一个子进程，然后hello便从程序变为了进程。

1.2 环境与工具

软件环境：Windows10 64位；VirtualBox 11；Ubuntu 20.04 LTS

开发工具：Visual Studio 2021 64位；CodeBlocks 64位

1.3 中间结果

1.4 本章小结

第2章 预处理

2.1 预处理的概念与作用

2.2在Ubuntu下预处理的命令

2.3 Hello的预处理结果解析

2.4 本章小结

通过本章了解了C语言编译之前的预处理过程，学会了gcc下的预处理指令，理解了其概念和作用，并对hello.c到hello.i的过程与结果有了更好的理解。 第3章 编译

3.1 编译的概念与作用

3.2 在Ubuntu下编译的命令

3.3 Hello的编译结果解析

对arvg数组的引用

3.4 本章小结

第4章 汇编

4.1 汇编的概念与作用

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

4.3 可重定位目标elf格式

4.4 Hello.o的结果解析

4.5 本章小结

第5章 链接

5.1 链接的概念与作用

5.2 在Ubuntu下链接的命令

5.3 可执行目标文件hello的格式

5.4 hello的虚拟地址空间

5.5 链接的重定位过程分析

5.6 hello的执行流程

5.7 Hello的动态链接分析

5.8 本章小结

第6章 hello进程管理

6.1 进程的概念与作用

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程

6.3 Hello的fork进程创建过程

6.4 Hello的execve过程

6.5 Hello的进程执行

6.6 hello的异常与信号处理

6.7本章小结

通过创建,加载，终止hello程序，了解了shell-bash的概念与作用，并学到了hello的异常与处理。

结论

附件

参考文献

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第1章概述

第2章预处理

通过本章了解了C语言编译之前的预处理过程，学会了gcc下的预处理指令，理解了其概念和作用，并对hello.c到hello.i的过程与结果有了更好的理解。
第3章编译

第4章汇编

第5章链接