思维之海

——在云端，寻找我的星匙。

ucore实验

In

ucore实验记录。

实验指导书。

因为时间不够所以实验没来得及做了~建议留出足够时间。

实验0 环境

https://www.shiyanlou.com/courses/reports/1368923/

https://github.com/kiukotsu/ucore

https://zhanghuimeng.github.io/post/os-mooc-lecture-2-summary/

qemu的安装需要特别注意。

1
sudo apt-get install qemu

在完成安装以后，直接qemu可能找不到命令。运行以下语句进行链接：

1
sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386 /usr/bin/qemu

实验环境（5种）

踩坑：x86架构的unbantu不能装在arm架构的树莓派上。

装虚拟机太慢。弃。

在树莓派上跑，gcc版本不对，装gcc遇到极大困难。弃。

使用了树莓派而window平台上搭载虚拟机的方法来做实验。

Raspbian需要更换软件下载源（更新源）。搜索即可。

OS系统：Raspbian。（基于Debian的操作系统，linux系）

准备在电脑上装ubantu。

成功。

  • 网上下载ubuntu14.04 iso文件
  • 准备一个U（闪）盘
    • 利用SD Card Formatter 5.0.1 Setup（格式化工具） 进行格式化
    • 用 Universal-USB（刻录工具） 将ubuntu14.04刻录到闪盘
    • 插入U盘，重启电脑
  • 在开机完成前，按快捷键进入BOOT模式
    • 在设置中找到，修改BOOT启动顺序，将从U盘硬件启动设到第1位
    • 保存设置，退出，开始装ubuntu
  • 按实验环境（5种）一键安装相应软件
  • 开始做实验

关于understand：

  • 到此处下载4.0版本
  • 安装教程：Here
  • registery code: D59E41A3360B
    E-mail: a123@163.com

实验1 启动

关于ucore实验一的资料查找

Makefile代码分析

操作系统 uCore Lab 1 含 Challenge 比较完整 and Here[sim]

ucore lab1 实验报告 比较通俗

uCore实验1笔记整理 比较通俗

等设备~到了~

**Caution：lab1的答案里面都有`report`文件，挺详细，记录参考答案。**

附录 lab1参考答案

[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)

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bin/ucore.img
| 生成ucore.img的相关代码为
| $(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
|
| 为了生成ucore.img，首先需要生成bootblock、kernel
|
|>	bin/bootblock
|	| 生成bootblock的相关代码为
|	| $(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)
|	|
|	| 为了生成bootblock，首先需要生成bootasm.o、bootmain.o、sign
|	|
|	|>	obj/boot/bootasm.o, obj/boot/bootmain.o
|	|	| 生成bootasm.o,bootmain.o的相关makefile代码为
|	|	| bootfiles = $(call listf_cc,boot) 
|	|	| $(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),\
|	|	|	$(CFLAGS) -Os -nostdinc))
|	|	| 实际代码由宏批量生成
|	|	| 
|	|	| 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。这样才能用qemu+gdb来调试bootloader or ucore。
|	|	|	-m32  生成适用于32位环境的代码。我们用的模拟硬件是32bit的80386，所以ucore也要是32位的软件。
|	|	| 	-gstabs  生成stabs格式的调试信息。这样要ucore的monitor可以显示出便于开发者阅读的函数调用栈信息
|	|	| 	-nostdinc  不使用标准库。标准库是给应用程序用的，我们是编译ucore内核，OS内核是提供服务的，所以所有的服务要自给自足。
|	|	|	-fno-stack-protector  不生成用于检测缓冲区溢出的代码。这是for 应用程序的，我们是编译内核，ucore内核好像还用不到此功能。
|	|	| 	-Os  为减小代码大小而进行优化。根据硬件spec，主引导扇区只有512字节，我们写的简单bootloader的最终大小不能大于510字节。
|	|	| 	-I<dir>  添加搜索头文件的路径
|	|	| 
|	|	| 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
|	|
|	|>	bin/sign
|	|	| 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 <emulation>  模拟为i386上的连接器
|	|	-nostdlib  不使用标准库
|	|	-N  设置代码段和数据段均可读写
|	|	-e <entry>  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 <bfdname>  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
|
|>	bin/kernel
|	| 生成kernel的相关代码为
|	| $(kernel): tools/kernel.ld
|	| $(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)
|	| 
|	| 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
|	| kernel.ld已存在
|	|
|	|>	obj/kern/*/*.o 
|	|	| 生成这些.o文件的相关makefile代码为
|	|	| $(call add_files_cc,$(call listf_cc,$(KSRCDIR)),kernel,\
|	|	|	$(KCFLAGS))
|	|	| 这些.o生成方式和参数均类似，仅举init.o为例，其余不赘述
|	|>	obj/kern/init/init.o
|	|	| 编译需要init.c
|	|	| 实际命令为
|	|	|	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
|	| 
|	| 生成kernel时，makefile的几条指令中有@前缀的都不必需
|	| 必需的命令只有
|	| 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
|	| 其中新出现的关键参数为
|	|	-T <scriptfile>  让连接器使用指定的脚本
|
| 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

[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。

练习2可以单步跟踪，方法如下：

1 修改 lab1/tools/gdbinit,内容为:

1
2
set architecture i8086
target remote :1234

2 在 lab1目录下，执行

1
make debug

3 在看到gdb的调试界面(gdb)后，在gdb调试界面下执行如下命令

1
si

即可单步跟踪BIOS了。

4 在gdb界面下，可通过如下命令来看BIOS的代码

1
x /2i $pc  //显示当前eip处的汇编指令

[进一步的补充]

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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

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   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

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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

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b *0x7c00
c
x /10i $pc

便可以在q.log中读到”call bootmain”前执行的命令

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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

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.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。

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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

1
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

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movl %cr0, %eax
orl $CR0_PE_ON, %eax
movl %eax, %cr0

通过长跳转更新cs的基地址

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 ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg
.code32
protcseg:

设置段寄存器，并建立堆栈

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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

1
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

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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。

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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，

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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

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ebp:0x00007bf8 eip:0x00007d68 \
	args:0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007c4f
    <unknow>: -- 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

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tf->tf_cs = USER_CS;
tf->tf_ds = USER_DS;
tf->tf_es = USER_DS;
tf->tf_ss = USER_DS;
对TO Kernel

1
2
3
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。

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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。

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4
5
6
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。

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tf->tf_eflags |= 0x3000;