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2015-03-09 21:31:08 +08:00

15 KiB

Raw Blame History

Lab1 report [练习1]

[练习1.1] 操作系统镜像文件 ucore.img 是如何一步一步生成的?(需要比较详细地解释 Makefile 中每一条相关命令和命令参数的含义,以及说明命令导致的结果)

[练习1.2] 一个被系统认为是符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么?

从sign.c的代码来看，一个磁盘主引导扇区只有512字节。且第510个（倒数第二个）字节是0x55，第511个（倒数第一个）字节是0xAA。

[练习2]

[练习2.1] 从 CPU 加电后执行的第一条指令开始,单步跟踪 BIOS 的执行。

通过改写Makefile文件 () debug: $(UCOREIMG) $(V)$(TERMINAL) -e "$(QEMU) -S -s -d in_asm -D $(BINDIR)/q.log -parallel stdio -hda $< -serial null" $(V)sleep 2 $(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -tui -x tools/gdbinit" 在调用qemu时增加-d in_asm -D q.log参数，便可以将运行的汇编指令保存在q.log中。为防止qemu在gdb连接后立即开始执行，删除了tools/gdbinit中的"continue"行。

[练习2.2] 在初始化位置0x7c00 设置实地址断点,测试断点正常。

在tools/gdbinit结尾加上 set architecture i8086 //设置当前调试的CPU是8086 b *0x7c00 //在0x7c00处设置断点。此地址是bootloader入口点地址，可看boot/bootasm.S的start地址处 c //continue简称，表示继续执行 x /2i $pc //显示当前eip处的汇编指令 set architecture i386 //设置当前调试的CPU是80386

运行"make debug"便可得到 Breakpoint 2, 0x00007c00 in ?? () => 0x7c00: cli
0x7c01: cld
0x7c02: xor %eax,%eax 0x7c04: mov %eax,%ds 0x7c06: mov %eax,%es 0x7c08: mov %eax,%ss 0x7c0a: in $0x64,%al 0x7c0c: test $0x2,%al 0x7c0e: jne 0x7c0a 0x7c10: mov $0xd1,%al

[练习2.3] 在调用qemu 时增加-d in_asm -D q.log 参数，便可以将运行的汇编指令保存在q.log 中。将执行的汇编代码与bootasm.S 和 bootblock.asm 进行比较，看看二者是否一致。

在tools/gdbinit结尾加上 b *0x7c00 c x /10i $pc 便可以在q.log中读到"call bootmain"前执行的命令 ---------------- IN: 0x00007c00: cli

----------------
IN: 
0x00007c01:  cld    
0x00007c02:  xor    %ax,%ax
0x00007c04:  mov    %ax,%ds
0x00007c06:  mov    %ax,%es
0x00007c08:  mov    %ax,%ss

----------------
IN: 
0x00007c0a:  in     $0x64,%al

----------------
IN: 
0x00007c0c:  test   $0x2,%al
0x00007c0e:  jne    0x7c0a

----------------
IN: 
0x00007c10:  mov    $0xd1,%al
0x00007c12:  out    %al,$0x64
0x00007c14:  in     $0x64,%al
0x00007c16:  test   $0x2,%al
0x00007c18:  jne    0x7c14

----------------
IN: 
0x00007c1a:  mov    $0xdf,%al
0x00007c1c:  out    %al,$0x60
0x00007c1e:  lgdtw  0x7c6c
0x00007c23:  mov    %cr0,%eax
0x00007c26:  or     $0x1,%eax
0x00007c2a:  mov    %eax,%cr0

----------------
IN: 
0x00007c2d:  ljmp   $0x8,$0x7c32

----------------
IN: 
0x00007c32:  mov    $0x10,%ax
0x00007c36:  mov    %eax,%ds

----------------
IN: 
0x00007c38:  mov    %eax,%es

----------------
IN: 
0x00007c3a:  mov    %eax,%fs
0x00007c3c:  mov    %eax,%gs
0x00007c3e:  mov    %eax,%ss

----------------
IN: 
0x00007c40:  mov    $0x0,%ebp

----------------
IN: 
0x00007c45:  mov    $0x7c00,%esp
0x00007c4a:  call   0x7d0d

----------------
IN: 
0x00007d0d:  push   %ebp

其与bootasm.S和bootblock.asm中的代码相同。

[练习3] 分析bootloader 进入保护模式的过程。

从%cs=0 $pc=0x7c00，进入后

首先清理环境：包括将flag置0和将段寄存器置0 .code16 cli cld xorw %ax, %ax movw %ax, %ds movw %ax, %es movw %ax, %ss

开启A20：通过将键盘控制器上的A20线置于高电位，全部32条地址线可用，可以访问4G的内存空间。 seta20.1: # 等待8042键盘控制器不忙 inb $0x64, %al # testb $0x2, %al # jnz seta20.1 #

    movb $0xd1, %al     # 发送写8042输出端口的指令
    outb %al, $0x64     #

seta20.1:               # 等待8042键盘控制器不忙
    inb $0x64, %al      # 
    testb $0x2, %al     #
    jnz seta20.1        #

    movb $0xdf, %al     # 打开A20
    outb %al, $0x60     #

初始化GDT表：一个简单的GDT表和其描述符已经静态储存在引导区中，载入即可 lgdt gdtdesc

进入保护模式：通过将cr0寄存器PE位置1便开启了保护模式 movl %cr0, %eax orl $CR0_PE_ON, %eax movl %eax, %cr0

通过长跳转更新cs的基地址 ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg .code32 protcseg:

设置段寄存器，并建立堆栈 movw $PROT_MODE_DSEG, %ax movw %ax, %ds movw %ax, %es movw %ax, %fs movw %ax, %gs movw %ax, %ss movl $0x0, %ebp movl $start, %esp

转到保护模式完成，进入boot主方法 call bootmain

[练习4] ：分析bootloader加载ELF格式的OS的过程。

首先看readsect函数， readsect从设备的第secno扇区读取数据到dst位置 static void readsect(void *dst, uint32_t secno) { waitdisk();

    outb(0x1F2, 1);                         // 设置读取扇区的数目为1
    outb(0x1F3, secno & 0xFF);
    outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
    outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF);
    outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);
        // 上面四条指令联合制定了扇区号
        // 在这4个字节线联合构成的32位参数中
        //   29-31位强制设为1
        //   28位(=0)表示访问"Disk 0"
        //   0-27位是28位的偏移量
    outb(0x1F7, 0x20);                      // 0x20命令，读取扇区

    waitdisk();

    insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);         // 读取到dst位置，
                                            // 幻数4因为这里以DW为单位
}

readseg简单包装了readsect，可以从设备读取任意长度的内容。 static void readseg(uintptr_t va, uint32_t count, uint32_t offset) { uintptr_t end_va = va + count;

    va -= offset % SECTSIZE;

    uint32_t secno = (offset / SECTSIZE) + 1; 
    // 加1因为0扇区被引导占用
    // ELF文件从1扇区开始

    for (; va < end_va; va += SECTSIZE, secno ++) {
        readsect((void *)va, secno);
    }
}

在bootmain函数中， void bootmain(void) { // 首先读取ELF的头部 readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);

    // 通过储存在头部的幻数判断是否是合法的ELF文件
    if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) {
        goto bad;
    }

    struct proghdr *ph, *eph;

    // ELF头部有描述ELF文件应加载到内存什么位置的描述表，
    // 先将描述表的头地址存在ph
    ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
    eph = ph + ELFHDR->e_phnum;

    // 按照描述表将ELF文件中数据载入内存
    for (; ph < eph; ph ++) {
        readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
    }
    // ELF文件0x1000位置后面的0xd1ec比特被载入内存0x00100000
    // ELF文件0xf000位置后面的0x1d20比特被载入内存0x0010e000

    // 根据ELF头部储存的入口信息，找到内核的入口
    ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();

bad:
    outw(0x8A00, 0x8A00);
    outw(0x8A00, 0x8E00);
    while (1);
}

[练习5] 实现函数调用堆栈跟踪函数

ss:ebp指向的堆栈位置储存着caller的ebp，以此为线索可以得到所有使用堆栈的函数ebp。 ss:ebp+4指向caller调用时的eip，ss:ebp+8等是（可能的）参数。

输出中，堆栈最深一层为 ebp:0x00007bf8 eip:0x00007d68
args:0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007c4f : -- 0x00007d67 -- 其对应的是第一个使用堆栈的函数，bootmain.c中的bootmain。 bootloader设置的堆栈从0x7c00开始，使用"call bootmain"转入bootmain函数。 call指令压栈，所以bootmain中ebp为0x7bf8。

[练习6] 完善中断初始化和处理

[练习6.1] 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？

中断向量表一个表项占用8字节，其中2-3字节是段选择子，0-1字节和6-7字节拼成位移，两者联合便是中断处理程序的入口地址。

[练习6.2] 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。见代码

[练习6.3] 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函数见代码

[练习7] 增加syscall功能，即增加一用户态函数（可执行一特定系统调用：获得时钟计数值），当内核初始完毕后，可从内核态返回到用户态的函数，而用户态的函数又通过系统调用得到内核态的服务

在idt_init中，将用户态调用SWITCH_TOK中断的权限打开。 SETGATE(idt[T_SWITCH_TOK], 1, KERNEL_CS, __vectors[T_SWITCH_TOK], 3);

在trap_dispatch中，将iret时会从堆栈弹出的段寄存器进行修改对TO User tf->tf_cs = USER_CS; tf->tf_ds = USER_DS; tf->tf_es = USER_DS; tf->tf_ss = USER_DS; 对TO Kernel tf->tf_cs = KERNEL_CS; tf->tf_ds = KERNEL_DS; tf->tf_es = KERNEL_DS;

在lab1_switch_to_user中，调用T_SWITCH_TOU中断。注意从中断返回时，会多pop两位，并用这两位的值更新ss,sp，损坏堆栈。所以要先把栈压两位，并在从中断返回后修复esp。 asm volatile ( "sub $0x8, %%esp \n" "int %0 \n" "movl %%ebp, %%esp" : : "i"(T_SWITCH_TOU) );

在lab1_switch_to_kernel中，调用T_SWITCH_TOK中断。注意从中断返回时，esp仍在TSS指示的堆栈中。所以要在从中断返回后修复esp。 asm volatile ( "int %0 \n" "movl %%ebp, %%esp \n" : : "i"(T_SWITCH_TOK) );

但这样不能正常输出文本。根据提示，在trap_dispatch中转User态时，将调用io所需权限降低。 tf->tf_eflags |= 0x3000;

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