操作系统课程ucore实验 lab1

Ucore实验lab1

练习一：理解通过make生成执行文件的过程。
在Makefile中生成ucore.img的代码是：
$(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
在执行Makefile时对应的输出为：
dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=1000010000+0 records in10000+0 records out5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.0540315 s, 94.8 MB/sdd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc1+0 records in1+0 records out512 bytes (512 B) copied, 0.000110706 s, 4.6 MB/sdd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc138+1 records in138+1 records out70775 bytes (71 kB) copied, 0.000472623 s, 150 MB/s
从Makefile中可以看出要生成ucore.img首先要拥有kernel和bootblock两个可执行文件所以继续在Makefile中找到kernel的相关代码段
kernel = $(call totarget,kernel) $(kernel): tools/kernel.ldw$(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)
查看文件中的文件得出，生成kernel需要以下文件：
kernel.ld init.o readline.o stdio.o kdebug.o kmonitor.o panic.o clock.o console.o intr.o picirq.o trap.o trapentry.o vectors.o pmm.o printfmt.o string.o
在Makefile中bootblock的相关代码：# create bootblockbootfiles = $(call listf_cc,boot)$(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),$(CFLAGS) -Os -nostdinc)) 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)
生成ucore.img过程中产生的信息：
dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=1000010000+0 records in10000+0 records out5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.0540315 s, 94.8 MB/sdd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc1+0 records in1+0 records out512 bytes (512 B) copied, 0.000110706 s, 4.6 MB/sdd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc138+1 records in138+1 records out70775 bytes (71 kB) copied, 0.000472623 s, 150 MB/s练习二使用qemu执行并调试lab1中的软件。
1从CPU加电后执行的第一条指令开始，单步跟踪BIOS的执行。
修改
lab1/tools/gdbinitset architecture i8086target remote :1234
执行
make debug
来查看BIOS的代码，得到结果。
2在初始化位置0x7c00设置实地址断点,测试断点正常。
在gdbinit 中添加指令：set architecture i8086b *0x7c00cx/5i $pcset architecture i386
然后运行Make debug可以得到断点正常。
3从0x7c00开始跟踪代码运行,将单步跟踪反汇编得到的代码与bootasm.S和 bootblock.asm进行比较。
在0x7c00处break，然后使用si和 x/i $pc 指令一行一行的跟踪，将得到的反汇编代码为：0x00007c01 in ?? ()(gdb) x/i $pc=> 0x7c01: cld (gdb) si0x00007c02 in ?? ()(gdb) x/i $pc=> 0x7c02: xor %eax,%eax(gdb) si0x00007c04 in ?? ()(gdb) x/i $pc=> 0x7c04: mov %eax,%ds(gdb) bootblock.asm 中的代码为：.
code16 # Assemble for 16-bit mode cli # Disable interrupts 7c00: fa cli cld # String operations increment 7c01: fc cld # Set up the important data segment registers (DS, ES, SS). xorw %ax, %ax # Segment number zero 7c02: 31 c0 xor %eax,%eax movw %ax, %ds # -> Data Segment 7c04: 8e d8 mov %eax,%ds movw %ax, %es # -> Extra Segment 7c06: 8e c0 mov %eax,%es movw %ax, %ss # -> Stack Segment 7c08: 8e d0 mov %eax,%ss
bootasm.s中的代码为：
.globl startstart:.code16 # Assemble for 16-bit mode cli # Disable interrupts cld # String operations increment # Set up the important data segment registers (DS, ES, SS). xorw %ax, %ax # Segment number zero movw %ax, %ds # -> Data Segment movw %ax, %es # -> Extra Segment movw %ax, %ss # -> Stack Segment
根据比较，这几部分一样
4自己找一个bootloader或内核中的代码位置，设置断点并进行测试
在init.c中会对gdt进行初始化，在初始化过程中，调用了gdt_init()这个函数，我选择此处进行测试。已经成功在gdt_init处停止，然后使用x/i $pc指令查询正在执行的汇编代码，与原文件中的c代码对照，测试结束。 **练习三分析bootloader进入保护模式的过程。
**从bootasm.s查看代码，并分析过程首先禁止中断，并且修改控制方向标志寄存器DF=0，使得内存地址从低到高增加，然后对实模式下的段寄存器进行初始化

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

xorw %ax, %ax 将ax寄存器置为0，然后，对ds（数据段寄存器），es（额外寄存器），ss（栈寄存器）

   seta20.1:   inb $0x64, %al        testb $0x2, %al   jnz seta20.1  movb $0xd1, %al        # 0xd1 -> port 0x64 outb %al, $0x64  seta20.2:   inb $0x64, %al                                  testb $0x2, %aljnz seta20.2  movb $0xdf, %al     # 0xdf -> port 0x60  outb %al, $0x60

接下来初始化GDT表，GDT表已经在数据区声明
# Bootstrap GDT .p2align 2 # force 4 byte alignmentgdt: SEG_NULLASM # null seg SEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff) # code seg for bootloader and kernel SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff) # data seg for bootloader and kernel gdtdesc: .word 0x17 # sizeof(gdt) - 1 .long gdt # address gdt
然后将cr0置为1开启保护模式,设置保护模式下的段寄存器
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 PROT_MODE_DSEG为0x10
建立堆栈，并且调用bootmain.c
movl $0x0, %ebp
movl $start, %esp
call bootmain
栈的地址是从0到0x7c00
练习四分析bootloader加载ELF格式的OS的过程
bootloader首先读取ELF头表
// read the 1st page off disk
readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);
ELFHDR是前面定义的一个临时空间，而uintptr_t是在defs.h中定义的：
#define ELFHDR ((struct elfhdr *)0x10000) // scratch space
所以一层层推导下来，uintptr_t就是unsigned int。
这里是为了把ELF的头表读进去，传入readseg的三个参数分别表示，起始位置，大小，和偏移。大小是SECTSIZE8，SETCSIZE的大小是512：
#define SECTSIZE 512
这里读入了5128个位，然而实际并不需要这么大，亲测只要一个SECTSIZE也就是512就足够，所以猜测可能是为了以后的扩展，所以在这里定义了这么大。当头表读入完成后，就通过e_magic检测是否是合法的ELF文件：
// is this a valid ELF? if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) { goto bad; }
如不是就会跳入到bad执行指令，如果是就继续往下执行。根据ELF头表中的描述，将ELF文件加载到内存中的相应位置保存到ph中; ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
将结束位置加载到eph中,然后就将ELF文件中的数据通过循环加载到内存中，加载完成后根据ELF头表中存储的入口信息，找到内核的入口：

((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();
5实现函数调用堆栈跟踪函数
代码：
uint32_t ebp = read_ebp(); uint32_t eip = read_eip(); int i,j; for(i = 0; ebp!=0 && i < STACKFRAME_DEPTH; i++) { cprintf("ebp:0x%08x eip:0x%08x ",ebp, eip); cprintf("args"); 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); }
练习六完善中断初始化和处理
1中断描述符表（也可简称为保护模式下的中断向量表）中一个表项占多少字节？其中哪几位代表中断处理代码的入口？
中断描述符表中一个表项占8个字节，其中0_15和4863分别为offset的低16位和高16位，16~31位是段选择子，通过段选择子得到段基址，再加上段内偏移量就可以得到中断处理代码的入口。
2请编程完善kern/trap/trap.c中对中断向量表进行初始化的函数idt_init。在idt_init函数中，依次对所有中断入口进行初始化。使用mmu.h中的SETGATE宏，填充idt数组内容。每个中断的入口由tools/vectors.c生成，使用trap.c中声明的vectors数组即可。
代码如下：

 extern uintptr_t __vectors[];    int i = 0;    for(i = 0; i<sizeof(idt) / sizeof(struct gatedesc);i++) {    SETGATE(idt[i], 0,KERNEL_CS, __vectors[i], DPL_KERNEL);    }     SETGATE(idt[T_SYSCALL], 0, KERNEL_CS, __vectors[T_SYSCALL], DPL_USER);    lidt(&idt_pd);

3请编程完善trap.c中的中断处理函数trap，在对时钟中断进行处理的部分填写trap函数中处理时钟中断的部分，使操作系统每遇到100次时钟中断后，调用print_ticks子程序，向屏幕上打印一行文字”100 ticks”。
代码如下
ticks++; if(ticks%TICK_NUM == 0) print_ticks(); break;此处代码的意思就是在，每次时钟中断后ticks就加一，每次达到TICK_NUM就会调用print_ticks()语句，向屏幕上输出一句话。

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