清华大学ucore实验lab

清华大学实验lab1

实验目的：
操作系统是一个软件，也需要通过某种机制加载并运行它。在这里我们将通过另外一个更加简单的软件-bootloader来完成这些工作。为此，我们需要完成一个能够切换到x86的保护模式并显示字符的bootloader，为启动操作系统ucore做准备。lab1提供了一个非常小的bootloader和ucore OS，整个bootloader执行代码小于512个字节，这样才能放到硬盘的主引导扇区中。通过分析和实现这个bootloader和ucore OS，读者可以了解到：

计算机原理

CPU的编址与寻址: 基于分段机制的内存管理
CPU的中断机制
外设：串口/并口/CGA，时钟，硬盘

Bootloader软件

编译运行bootloader的过程
调试bootloader的方法
PC启动bootloader的过程
ELF执行文件的格式和加载
外设访问：读硬盘，在CGA上显示字符串

ucore OS软件

编译运行ucore OS的过程
ucore OS的启动过程
调试ucore OS的方法
函数调用关系：在汇编级了解函数调用栈的结构和处理过程
中断管理：与软件相关的中断处理
外设管理：时钟

练习1：理解通过make生成执行文件的过程。

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)
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？
看视频可以知道，老师说重点掌握ucore.img的形成过程，老师教的方法是利用 make V= 命令把过程信息打印出来。

********+ cc kern/init/init.c
gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/init/init.c -o obj/kern/init/init.o

• cc kern/libs/readline.c
  gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/readline.c -o obj/kern/libs/readline.o
• cc kern/libs/stdio.c
  gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/stdio.c -o obj/kern/libs/stdio.o
• cc kern/debug/kdebug.c
  gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kdebug.c -o obj/kern/debug/kdebug.o
• cc kern/debug/kmonitor.c
  gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kmonitor.c -o obj/kern/debug/kmonitor.o
• cc kern/debug/panic.c
  gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/panic.c -o obj/kern/debug/panic.o
• cc kern/driver/clock.c
  gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/clock.c -o obj/kern/driver/clock.o
• cc kern/driver/console.c
  gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/console.c -o obj/kern/driver/console.o
• cc kern/driver/intr.c
  gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/intr.c -o obj/kern/driver/intr.o
• cc kern/driver/picirq.c
  gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/picirq.c -o obj/kern/driver/picirq.o
• cc kern/trap/trap.c
  gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trap.c -o obj/kern/trap/trap.o
• cc kern/trap/trapentry.S
  gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trapentry.S -o obj/kern/trap/trapentry.o
• cc kern/trap/vectors.S
  gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/vectors.S -o obj/kern/trap/vectors.o
• cc kern/mm/pmm.c
  gcc -Ikern/mm/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/mm/pmm.c -o obj/kern/mm/pmm.o
• cc libs/printfmt.c
  gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o
• cc libs/string.c
  gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/string.c -o obj/libs/string.o
• ld bin/kernel
  ld -m elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/mm/pmm.o obj/libs/printfmt.o obj/libs/string.o
• cc boot/bootasm.S
  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
• cc boot/bootmain.c
  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
• cc tools/sign.c
  gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c -o obj/sign/tools/sign.o
  gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign
• ld bin/bootblock
  ld -m elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00 obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o
  ‘obj/bootblock.out’ size: 488 bytes
  build 512 bytes boot sector: ‘bin/bootblock’ success!
  dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
  10000+0 records in
  10000+0 records out
  5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.0370098 s, 138 MB/s
  dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
  1+0 records in
  1+0 records out
  512 bytes (512 B) copied, 0.000210094 s, 2.4 MB/s
  dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc
  146+1 records in
  146+1 records out
  74923 bytes (75 kB) copied, 0.000409831 s, 183 MB/s
  大差不差有这么多，其中我们可以看到生成ucore.img需要kernel和bootblock
  $(UCOREIMG): $(kernel) $(bootblock)
  $(V)dd if=/dev/zero of=$(V)ddif=/dev/zeroof=@ count=10000
  $(V)dd if=$(V)ddif=(bootblock) of=$@ conv=notrunc
  $(V)dd* if=$(V)dd∗if=(kernel) of=$@ seek=1 conv=notrunc
  就是这么两行。
  为了生成bootblock，首先需要生成bootasm.o、bootmain.o、sign
  生成bootasm.o需要bootasm.S
  实际命令为
  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs
  -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc
  -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
  其中关键的参数为
  -ggdb 生成可供gdb使用的调试信息
  -m32 生成适用于32位环境的代码
  -gstabs 生成stabs格式的调试信息
  -nostdinc 不在标准系统文件夹寻找头文件，只在-I等参数指定的文件夹中搜索头文件
  -fno-stack-protector 不生成用于检测缓冲区溢出的代码
  -Os 为减小代码大小而进行优化
  -I 添加搜索头文件的路径，优先查找头文件的地方
  生成bootmain.o需要bootmain.c
  实际命令为
  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc
  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc
  -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
  新出现的关键参数有
  -fno-builtin 除非用__builtin_前缀，否则不进行builtin函数的优化
  生成sign工具的makefile代码为
  $(call add_files_host,tools/sign.c,sign,sign)
  $(call create_target_host,sign,sign)
  实际命令为
  gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c
  -o obj/sign*/tools/sign.o
  gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign
  首先生成bootblock.o
  ld -m elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00
  obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o
  其中关键的参数为
  -m 模拟为i386上的连接器
  -N 设置代码和数据段是可读可写的，对数据段不做page-align
  -e 指定入口
  -Ttext 制定代码段开始位置
  拷贝二进制代码bootblock.o到bootblock.out
  objcopy -S -O binary obj/bootblock.o obj/bootblock.out
  其中关键的参数为
  -S 移除所有符号和重定位信息
  -O 指定输出格式
  使用sign工具处理bootblock.out，生成bootblock
  bin/sign obj/bootblock.out bin/bootblock
  生成kernel的相关代码为
  $(kernel): tools/kernel.ld
  $(kernel): $(KOBJS)
  @echo + ld $@
  $(V)$(V)(LD) $(LDFLAGS) -T tools/kernel.ld -o $@ $(KOBJS) @$(KOBJS)@(OBJDUMP) -S $@ > $(call asmfile,kernel) @$(callasmfile,kernel)@(OBJDUMP) -t $@ | KaTeX parse error: Expected group after '^' at position 40: …; s/ .* / /; /^̲$/d’ > $(call symfile,kernel)
  为了生成kernel，首先需要 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
  生成kernel的细节就不写了，就是.o文件的链接
  生成一个有10000个块的文件，每个块默认512字节，用0填充
  dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
  把bootblock中的内容写到第一个块
  dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
  从第二个块开始写kernel中的内容
  dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc
  dd的一些参数的含义：
  -if表示输入文件，如果不指定，那么会默认从stdin中读取输入
  -of表示输出文件，如果不指定，那么会stdout
  bs表示以字节为单位的块大小
  count表示被赋值的块数
  /dev/zero是一个字符设备，会不断返回0值字节\0
  conv = notrunc 不截短输出文件
  seek=blocks 从输出文件开头跳过blocks个块后再开始复制

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？

tools/sign.c

按照这个文件的描述，需要检查以下几点：

输入的主引导扇区的记录必须是510字节以内（446+64）
输出的主引导扇区的最后两个字节是55AA

bootblock就是需要用到的主引导扇区

练习2：使用qemu执行并调试lab1中的软件。

这个Task主要是为了熟悉GDB以及熟悉操作系统的启动过程，下面是调试BIOS的一些过程。
首先修改gdbinit为:
1、set architecture i8086
2、target remote :1234
3、define hook-stop
4、x/i $pc
5、end
然后输入 make debug

我们可以获取当前 $cs 和 $eip 的值。

也就是说，BIOS开始的地址应该是
$cs << 4 | 0xe05b = 0xfe05b
设置断点到0x7c00

这个地方就是bootloader的地址了。

练习3：分析bootloader进入保护模式的过程。

现在使用的CPU都是通过键盘控制器8042来控制A20地址线。默认情况下，A20地址线是关闭的(第20bit的地址线限制为0)，因此在进入保护模式(需要访问超过1MB的内存空间)前，我们需要开启A20地址线(第20bit的地址线可为0或者1)。A20的开启过程请参考bootasm.S文件。
CPU是如何从实模式转换到保护模式
这个特别简单，我们需要在开启A20地址线后，将$CR0(control register 0)的PE(bit0)置为1就行了。具体代码请参考bootasm.S文件