操作系统实验ucorelab1.docx
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操作系统实验ucorelab1
一、通make生成执行文件的过程
a）操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的
在编译时使用makeV=，相当于设置一个标记，使得把make编译执行的过程全部展示出来。
首先，调用了GCC，把一些C的源代码编译成.O的目标文件。
然后，调用了ld，把这些目标文件准换成一个可执行程序，比如下面示例，转换成为了bootloader的一个执行程序bootblock.out。
最后，调用了dd，把bootloader、bootblock和kernel放到虚拟的硬盘uCore.img里面。
b）硬盘的主引导扇区的特征是什么
在sign.c中，先申请了一个512字节的空间buf，然后将buf初始化为全0，再将主引导程序写入这个空间，最后，在buf的最后两个字节写入55AA。
所以硬盘的主引导扇区的特征是主引导扇区的512个字节的最后两个字节是55AA。
二、使用qemu执行并调试lab1中的软件
a）从启动开始，单步跟踪BIOS的执行
实验远程调用的方法，启动qemu，并让它进入-S状态。
开启另外一个终端，执行gdb命令，绑定端口1234。
在QEMU窗口中使用x/10i$pc查看最近10条指令的反汇编内容。
在gdb中使用si命令执行单步，显示位置。
可以看到一启动，就处于0xfffffff0的位置，第一条指令是个长跳转指令。
b）在初始化位置0x7c00设置实地址断点，测试断点正常
输入b*0x7c00设置断点，输入c执行到断点。
输入x/10i$pc查看最近10条指令的反汇编内容，可以看到qemu执行到断点0x7c00。
断点工作正常。
再次输入c执行，qemu继续工作。
得到结论，断点工作正常。
c）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
经过比较发现：
gdb得到的反汇编代码与bootasm.S和bootblock.asm中的代码基本相一致。
d）找一个bootloader或内核中的代码位置，设置断点并进行测试
输入b*0x7c10设置断点，输入c执行到断点。
输入x/10i$pc查看最近10条指令的反汇编内容。
输入stepi，单步执行一条机器指令。
再一次输入x/10i$pc查看最近10条指令的反汇编内容。
最后，输入c，qemu继续工作。
三、分析bootloader进入保护模式的过程
从%cs=0$,pc=0x7c00进入bootloader。
.globlstart
start:
准备：
将中断标志位清0，不允许中断，设置增址，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，使全部32条地址线可用，进而可以访问4G的内存空间。
seta20.1:
#等待8042键盘控制器不忙
inb$0x64,%al
testb$0x2,%al
jnzseta20.1
movb$0xd1,%al#发送写8042输出端口的指令
outb%al,$0x64
seta20.2:
#等待8042键盘控制器不忙
inb$0x64,%al
testb$0x2,%al
jnzseta20.2
movb$0xdf,%al#打开A20
outb%al,$0x60
加载GDTR、初始化GDT表：
GDT表和其描述符已经静态储存在引导区中，载入即可。
lgdtgdtdesc
进入保护模式：
通过将cr0寄存器PE位置1便开启了保护模式。
movl%cr0,%eax
orl$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
完成进入保护模式，进入bootmain。
callbootmain
四、分析bootloader加载ELF格式的OS的过程
a）bootloader读取硬盘扇区
readsect函数可以从设备的第secno扇区读取数据到dst位置。
设置读取扇区的数目为、扇区号，读取扇区。
outb（0x1F2,1）;
outb（0x1F3,secno&0xFF）;
outb（0x1F4,（secno>>8）&0xFF）;
outb（0x1F5,（secno>>16）&0xFF）;
outb（0x1F6,（（secno>>24）&0xF）|0xE0）；
outb（0x1F7,0x20）;
读取一个扇区。
insl（0x1F0,dst,SECTSIZE/4）;
readseg函数包装了readsect，使得可以从设备读取任意长度的内容。
b）bootloader加载ELF格式的OS
读取ELF的头部。
readseg（（uintptr_t）ELFHDR,SECTSIZE*8,0）;
判断是否是合法的ELF文件。
if（ELFHDR->e_magic!
=ELF_MAGIC）{
gotobad;}
根据ELFheader和proghdr程序头，读出代码段和数据段，并且加载到相应地方。
ph=（structproghdr*）（（uintptr_t）ELFHDR+ELFHDR->e_phoff）;
eph=ph+ELFHDR->e_phnum;
for（;phreadseg（ph->p_va&0xFFFFFF,ph->p_memsz,ph->p_offset）;
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））（）;
五、实现函数调用堆栈跟踪函数
因为ss:
ebp指向的堆栈位置储存着跳转之前的ebp，所有，以此为线索可以得到所有使用堆栈的函数ebp。
ss:
ebp+4指向的是调用时的eip，ss:
ebp+8等是参数。
又因为bootloader设置的堆栈从0x7c00开始，使用"callbootmain"转入bootmain函数，所以，堆栈最深一层值为ebp:
0x00007bf8eip:
0x00007d68。
代码分析：
得到当前ebp，eip。
uint32_tebp=read_ebp（）,eip=read_eip（）;
输出ebp，eip。
cprintf（"ebp:
0x%08xeip:
0x%08xargs:
",ebp,eip）;
设置指针，输出四个参数。
uint32_t*args=（uint32_t*）ebp+2;
for（j=0;j<4;j++）{
cprintf（"0x%08x",args[j]）;}
调用print_debuginfo函数完成查找对应函数名并打印至屏幕。
print_debuginfo（eip-1）;
获取上一层eip，ebp。
eip=（（uint32_t*）ebp）[1];
ebp=（（uint32_t*）ebp）[0];
六、完善中断初始化和处理
a）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。
b）完善对中断向量表进行初始化的函数idt_init
获得IDT表的入口地址。
externuintptr_t__vectors[];
在中断门描述符表建立中断门描述符，其中存储了中断处理例程的代码段GD_KTEXT和偏移量__vectors[i]，特权级为DPL_KERNEL。
通过查询idt[i]就可定位到中断服务例程的起始地址。
for（i=0;iSETGATE（idt[i],0,GD_KTEXT,__vectors[i],DPL_KERNEL）;}
通过指令lidt把中断门描述符表的起始地址装入IDTR寄存器中。
lidt（&idt_pd）;
c）完善对时钟中断进行处理的部分
当ticks每加100次后（大约1秒），输出“100ticks”。
ticks++;
if（ticks%TICK_NUM==0）{
print_ticks（）;}
七、扩展练习
a）从内核空间切换到用户空间
调用lab1_switch_to_user函数进行从内核空间到用户空间的切换，lab1_switch_to_user函数内容如下：
asmvolatile（
从中断返回时，会多pop两位，并用这两位的值更新ss、sp，
所以要先把栈压两位。
"sub$0x8,%%esp\n"
调用T_SWITCH_TOU号中断。
"int%0\n"
修复esp。
"movl%%ebp,%%esp"
:
:
"i"（T_SWITCH_TOU））;
调用T_SWITCH_TOU号中断代码如下：
if（tf->tf_cs!
=USER_CS）{
设置switchk2u。
switchk2u=*tf;
将cs，ds，es，ss设置为用户态。
switchk2u.tf_cs=USER_CS;
switchk2u.tf_ds=switchk2u.tf_es=switchk2u.tf_ss=USER_DS;
设置esp值。
switchk2u.tf_esp=（uint32_t）tf+sizeof（structtrapframe）-8;
设置eflags值。
switchk2u.tf_eflags|=FL_IOPL_MASK;
设置新栈顶指向switchk2u，当返回出栈，则出栈switchk2u中的值。
*（（uint32_t*）tf-1）=（uint32_t）&switchk2u;}
b）从用户空间切换到内核空间
调用lab1_switch_to_kernel函数进行从内核空间到用户空间的切换，lab1_switch_to_kernel函数内容如下：
asmvolatile（
调用T_SWITCH_TOK号中断。
"int%0\n"
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。
"movl%%ebp,%%esp"
:
:
"i"（T_SWITCH_TOK））;
调用T_SWITCH_TOK号中断代码如下：
if（tf->tf_cs!
=KERNEL_CS）{
将cs，ds，es设置为内核态。
tf->tf_cs=KERNEL_CS;
tf->tf_ds=tf->tf_es=KERNEL_DS;
设置eflags值。
tf->tf_eflags&=~FL_IOPL_MASK;
设置switchu2k值。
switchu2k=（structtrapframe*）（tf->tf_esp-（sizeof（structtrapframe）-8））;
用tf值覆盖switchu2k值。
memmove（switchu2k,tf,sizeof（structtrapframe）-8）;
设置新栈顶指向switchk2u，当返回出栈，则出栈switchk2u中的值。
*（（uint32_t*）tf-1）=（uint32_t）switchu2k;}
八、问题
a）配置环境
我首先主要遇到的问题是安装一个代码阅读的工具，因为代码量比较大而且函数间相互调用很多。
最后安装了understand，首先下载软件压缩包，然后解压到安装目录，再添加路径，最后输入证书号。
还有一个是在运行makeqemu时报错，解决办法是：
建立符号链接文件”ln-s/usr/local/bin/qenu-system-i386/usr/local/bin/qemu”。
b）在练习2时，设置断点在0x7c20时，没有在断点处停止
后来才了解到设置断点时，断点处的信息会被修改，有时由于设置断点刚好设置在一条指令中间，这样信息修改后，原指令一部分未被覆盖，与断点的机器码可能恰好组成其他的指令，所以没有停止。
所以，设置断点时应该注意要设置在一条指令完成之后，而不要设置在一条指令中间。
c）在练习4，无法理解readseg（（uintptr_t）ELFHDR,SECTSIZE*8,0）
在询问后知道，这句代码并不是获取bootloader，而是获取读取ELF文件的头部，所以大小不是512字节，应该是512*8字节，也就是一页4k。
d）在练习5，无法理解堆栈最深一层值为ebp:
0x00007bf8
查阅后知道，在编译器会在每个函数体之前插入
pushl%ebp
movl%esp，%ebp
所以堆栈最深一层ebp为0x7c00-0008=7bf8。
e）在扩展练习中，无法理解"sub$0x8,%%esp"和"movl%%ebp,%%esp"
讲解后知道，"sub$0x8,%%esp"是因为，从中断返回时，会多pop两位，并用这两位的值更新ss、sp，所以要先把栈压两位。
"movl%%ebp,%%esp"是因为，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。
f）在扩展练习中，如何只使用一个栈空间实现从内核空间到用户空间的切换
修改代码如下，但是报错，不知道问题在哪里。
caseT_SWITCH_TOU:
if（tf->tf_cs!
=USER_CS）{
tf->tf_cs=USER_CS;
tf->tf_ds=tf->tf_es=tf->tf_ss=USER_DS;
tf->tf_esp=（uint32_t）tf+sizeof（structtrapframe）-8;
tf->tf_eflags|=FL_IOPL_MASK;
*（（uint32_t*）tf-1）=（uint32_t）&tf;}
和同学讨论后，发现是最后一句代码有误。
应该为
*（（uint32_t*）tf-1）=（uint32_t）tf;
tf本来就是一个指针，不需要再加地址符。
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