BUAA_OS_lab1

操作系统lab1学习日记

一、思考题

Thinking1.1

  • objdump -DS 要反汇编的目标文件名 > 导出文本文件名
    • -D：反汇编所有的section；
    • -d：反汇编那些特定指令机器码的section；
    • -S ：尽可能反汇编出源代码，尤其当编译的时候指定了-g 这种调试参数时，效果比较明显,隐含了-d参数;
    • -s：显示指定section的完整内容。默认所有的非空section都会被显示

printf 的实现是在链接 (Link) 这一步骤中被插入到最终的可执行文件中的。节省了过程中对printf这些频繁使用的程序的编译。

编译链接

Thinking1.2

问题：

  • 尝试使用我们编写的 readelf 程序，解析之前在 target 目录下生成的内核 ELF 文 件。
  • 也许你会发现我们编写的 readelf 程序是不能解析 readelf 文件本身的，而我们刚 才介绍的系统工具 readelf 则可以解析，这是为什么呢？（提示：尝试使用 readelf -h，并阅读 tools/readelf 目录下的 Makefile，观察 readelf 与 hello 的不同）

readelf [option(s)] ，用来解析一个或者多个 ELF 文件的信息，使用readeif可以查看具体用法，我们执行 readelf -S hello 命令后，hello 文件中各个节的详细信息将以列表的形式为我们展示出来。我们可以利用 readelf 工具来验证我们自己写的简易版 readelf 输出的结果是否正确，还可以使用 readelf —help 看到该命令各个选项及其对 ELF 文件的解析方式

执行./tools/readelf/readelf ./target/mos后输出

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mos
0:0x0
1:0x80020000
2:0x80022080
3:0x80022098
4:0x800220b0
5:0x0
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执行readelf -h readelf输出如下

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ELF 头：
  Magic：   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  类别:                              ELF64
  数据:                              2 补码，小端序 (little endian)
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI 版本:                          0
  类型:                              DYN (Position-Independent Executable file)
  系统架构:                          Advanced Micro Devices X86-64
  版本:                              0x1
  入口点地址：               0x1180
  程序头起点：          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          14488 (bytes into file)
  标志：             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         13
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         31
  Section header string table index: 30

./readelf readelf无输出，readelf无法解析本身但是readelf命令可以

下面的图用于辅助理解下面的Makefile

Makefile预定义变量

readelf 与 hello 的不同在于hello有static修饰是静态的，且hello文件被编译为32位而readelf是64位的

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readelf: main.o readelf.o
        $(CC) $^ -o $@
 
hello: hello.c
		$(CC) $^ -o $@ -m32 -static -g
#-g可执行程序包含调试信息，-g为了调试用的，加个-g 是为了gdb 用，不然gdb用不到

Thinking1.3

问题：

在理论课上我们了解到，MIPS 体系结构上电时，启动入口地址为 0xBFC00000 （其实启动入口地址是根据具体型号而定的，由硬件逻辑确定，也有可能不是这个地址，但 一定是一个确定的地址），但实验操作系统的内核入口并没有放在上电启动地址，而是按照 内存布局图放置。思考为什么这样放置内核还能保证内核入口被正确跳转到？ （提示：思考实验中启动过程的两阶段分别由谁执行。）

解答：

  • bootloader 将内核可执行文件拷贝到内存中，之后将控制权交给操作系统，只需要启动入口地址为 bootloader 的入口地址。
  • Linker Script——控制加载地址，Linker Script 中记录了各个节应该如何映射到段，以及各个段应该被加载到的位置。程序执行的第一条指令的地址称为入口地址（entrypoint），与此同时kernel.lds规定了 ENTRY(_start) ，即把内核入口定为 _start 这个函数。
  • 通过对 /init/start.S 中 _start 函数的设置，即可以正确的跳转至 mips_init 函数。

二、测试题Exercise

exercise 1.1

核心思路：认识结构体中各个变量的意义计算地址及其他变量即可

测试结果：

exercise1.1

exercise 1.2

Linker Script

.text 保存可执行文件的操作指令。 .data 保存已初始化的全局变量和静态变量。 .bss 保存未初始化的全局变量和静态变量。

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. = 0x8002000; /*load address of test section*/
/*。例如“.bss : {*(.bss)}”表示将所有输入文件中的 .bss 节（右边的 .bss）都放到输出的 .bss 节（左边的 .bss）中,请注意代码结尾无;*/
.test : {*(.test)}
.data : {*(.data)}
.bss : {*(.bss)}

exercise 1.3

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/* set up the kernel stack */
/*注意Kernel Stack是向下增长，即栈顶在低地址*/
li      sp, 0x80400000
jal     mips_init

exercise 1.4

根据格式符%[flags][width][length]补齐即可

三、难点分析与感想

lab1实验主要是大致理解printf函数的内部实现，与我们最初印象不同，printf并不是全部在C语言库中全部实现，而是通过一系列编译链接后，在操作系统基础上实现。

3.1 编译链接部分

在链接阶段，链接器会将所有的目标文件链接在一起，并填写具体的地址等信息，形成最终的可执行文件。核心在于ELF文件

ELF文件结构

其由五部分构成，ELF头（包含程序基本信息、段头表与节头表的偏移量）、段头表、节头表、段头表中的每一个表项（记录了该段数据载入内存时的目标位置等，记录了用于指导应用 程序加载的各类信息）、节头表（记录了该段数据载入内存时的目标位置等，记录了用于指导应用 程序加载的各类信息）

3.2 内存布局以及内核被加载到哪里

附录中给出了对于内存布局，根据Linker Script——控制加载地址，在使用了我们自定义的 Linker Script 以后，生成的程序中，各个节的位置就被 调整到了我们所指定的地址上。段是由节组合而成的，节的地址被调整了，那么最终段的地址也 会相应地被调整，我们的实验就在 kernel.lds 中通过 ENTRY(_start) 来设置程序入口为 _start。

3.3 Make中是如何构建内核的？

mos 的构建会在在完成了所有 (modules) 目标的构建后开始。从代码中可以看出，这里执 行了 $(LD) -o $(mos_elf) -N -T $(link_script) $(objects)

$(LD)调用链接器，-o参数后设置输出文件名，-T 文件, —script 文件 读取链接脚本，这条命令作用是使用$(link_script) 将 $(objects) 链接， 输出到$(mos_elf) 位置。

3.4 _start函数怎么设置的？

EXPORT(_start)是一个宏，它将 _start 函数导出为一个符号，使得链接器可以找到它。函数中实现跳转mips_init函数

3.5 内核是如何输出到控制台的？

print.c函数实现了格式化输出的主体逻辑，outputk 函数指针传入 vprintfmt 这个函数中，这个函数实际上是用来输出一个字符串的，它实际上调用了一个叫做 printcharc 的函数（调用往 QEMU 的控制台输出字符，其原理为读写某一个特殊的内存地址的函数），想让控制台输出一个字符，实际上是对某一个内存地址写了一个字节。

总体感想：本次实验相比lab0理解要更难，重在理解 操作系统中mos的启动与构建

四、附录

lab1核心——课程内存布局

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/*
 o     4G ----------->  +----------------------------+------------0x100000000
 o                      |       ...                  |  kseg2
 o      KSEG2    -----> +----------------------------+------------0xc000 0000
 o                      |          Devices           |  kseg1
 o      KSEG1    -----> +----------------------------+------------0xa000 0000
 o                      |      Invalid Memory        |   /|\
 o                      +----------------------------+----|-------Physical Memory Max
 o                      |       ...                  |  kseg0
 o      KSTACKTOP-----> +----------------------------+----|-------0x8040 0000-------end
 o                      |       Kernel Stack         |    | KSTKSIZE            /|\
 o                      +----------------------------+----|------                |
 o                      |       Kernel Text          |    |                    PDMAP
 o      KERNBASE -----> +----------------------------+----|-------0x8002 0000    |
 o                      |      Exception Entry       |   \|/                    \|/
 o      ULIM     -----> +----------------------------+------------0x8000 0000-------
 o                      |         User VPT           |     PDMAP                /|\
 o      UVPT     -----> +----------------------------+------------0x7fc0 0000    |
 o                      |           pages            |     PDMAP                 |
 o      UPAGES   -----> +----------------------------+------------0x7f80 0000    |
 o                      |           envs             |     PDMAP                 |
 o  UTOP,UENVS   -----> +----------------------------+------------0x7f40 0000    |
 o  UXSTACKTOP -/       |     user exception stack   |     PTMAP                 |
 o                      +----------------------------+------------0x7f3f f000    |
 o                      |                            |     PTMAP                 |
 o      USTACKTOP ----> +----------------------------+------------0x7f3f e000    |
 o                      |     normal user stack      |     PTMAP                 |
 o                      +----------------------------+------------0x7f3f d000    |
 a                      |                            |                           |
 a                      ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~                           |
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 a                      |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|                           |
 a                      |                            |                           |
 o       UTEXT   -----> +----------------------------+------------0x0040 0000    |
 o                      |      reserved for COW      |     PTMAP                 |
 o       UCOW    -----> +----------------------------+------------0x003f f000    |
 o                      |   reversed for temporary   |     PTMAP                 |
 o       UTEMP   -----> +----------------------------+------------0x003f e000    |
 o                      |       invalid memory       |                          \|/
 a     0 ------------>  +----------------------------+ ----------------------------
 o
*/
/* End of Key Code "load-kernel" */

BUAA_Learning
#操作系统OS
BUAA_OS_lab1
https://fantasylee21.github.io/2024/03/16/BUAA-OS-lab1/
作者
Fantasylee
发布于
2024年3月16日
更新于
2024年4月7日
许可协议