Ucore lab1实验报告

练习一 Makefile

1.1 OS镜像文件ucore.img 是如何一步步生成的？

+ cc kern/init/init.c
+ cc kern/libs/readline.c
+ cc kern/libs/stdio.c
+ cc kern/debug/kdebug.c
+ cc kern/debug/kmonitor.c
+ cc kern/debug/panic.c
kern/debug/panic.c: In function '__panic':
kern/debug/panic.c:27:5: warning: implicit declaration of function 'print_stackframe' [-Wimplicit-function-declaration]
     print_stackframe();
     ^
+ cc kern/driver/clock.c
+ cc kern/driver/console.c
+ cc kern/driver/intr.c
+ cc kern/driver/picirq.c
+ cc kern/trap/trap.c
+ cc kern/trap/trapentry.S
+ cc kern/trap/vectors.S
+ cc kern/mm/pmm.c
+ cc libs/printfmt.c
+ cc libs/string.c
+ ld bin/kernel
+ cc boot/bootasm.S
+ cc boot/bootmain.c
+ cc tools/sign.c
tools/sign.c: In function 'main':
tools/sign.c:17:5: warning: unknown conversion type character 'l' in format [-Wformat=]
     printf("'%s' size: %lld bytes\n", argv[1], (long long)st.st_size);
     ^
tools/sign.c:17:5: warning: too many arguments for format [-Wformat-extra-args]
tools/sign.c:19:9: warning: unknown conversion type character 'l' in format [-Wformat=]
         fprintf(stderr, "%lld >> 510!!\n", (long long)st.st_size);
         ^
tools/sign.c:19:9: warning: too many arguments for format [-Wformat-extra-args]
+ ld bin/bootblock
'obj/bootblock.out' size: 480 bytes
build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!

其中Makefile文件中include tools/function.mk  其中定义了一些Makefile中用到的函数

生成ucore.img  需要kernel和bootblock 如下：

# create ucore.img
UCOREIMG    := $(call totarget,ucore.img)

$(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

$(call create_target,ucore.img)

kernel编译链接：

# -------------------------------------------------------------------
# kernel

# kernel中头文件目录
KINCLUDE    += kern/debug/ \
               kern/driver/ \
               kern/trap/ \
               kern/mm/

# kernel的源代码目录
KSRCDIR        += kern/init \
               kern/libs \
               kern/debug \
               kern/driver \
               kern/trap \
               kern/mm

# 在编译选项中添加头文件包含目录
KCFLAGS        += $(addprefix -I,$(KINCLUDE))

# 调用function.mk中的add_files_cc函数，将kernel的全部源文件编译，将源文件和编译生成的OBJ文件加入kernel包（packet）中
$(call add_files_cc,$(call listf_cc,$(KSRCDIR)),kernel,$(KCFLAGS))

# 将KOBJS定义为编译生成的.o文件列表（大概？？）
KOBJS    = $(call read_packet,kernel libs)

# create kernel target
# （在kernel前面加上bin/目录名）
kernel = $(call totarget,kernel)

# kernel目标依赖于tools/kernel.ld文件
$(kernel): tools/kernel.ld

# kernel目标依赖于编译生成的OBJ文件
$(kernel): $(KOBJS)
        # 输出"+ ld bin/kernel"到控制台
    @echo + ld $@
    # 即命令"ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o ... obj/libs/printfmt.o"
    $(V)$(LD) $(LDFLAGS) -T tools/kernel.ld -o $@ $(KOBJS)
    # 将OBJ文件全部反编译为汇编文件
    @$(OBJDUMP) -S $@ > $(call asmfile,kernel)
    # 输出OBJ文件对应的符号表
    @$(OBJDUMP) -t $@ | $(SED) '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > $(call symfile,kernel)

# 将kernel包和OBJ文件添加到目标依赖
$(call create_target,kernel)

bootblock：

# -------------------------------------------------------------------

# create bootblock
# bootfiles为boot/文件夹下的全部文件列表
bootfiles = $(call listf_cc,boot)
# 编译boot/文件夹下的全部文件
$(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),$(CFLAGS) -Os -nostdinc))

# （在bootblock前面加上bin/目录名）
bootblock = $(call totarget,bootblock)

# bootblock目标的依赖项为源文件对应的OBJ文件和bin/sign
$(bootblock): $(call toobj,$(bootfiles)) | $(call totarget,sign)
        # 输出"+ ld bin/bootblock"到控制台
        @echo + ld $@
        # 将OBJ文件链接为bin/bootblock
    $(V)$(LD) $(LDFLAGS) -N -e start -Ttext 0x7C00 $^ -o $(call toobj,bootblock)
    # 将bin/bootblock文件反编译
    @$(OBJDUMP) -S $(call objfile,bootblock) > $(call asmfile,bootblock)
    # 将bin/bootblock转换成bin/bootblock.out二进制文件
    @$(OBJCOPY) -S -O binary $(call objfile,bootblock) $(call outfile,bootblock)
    # 用链接出的bin/sign工具将bin/bootblock.out再转换回bin/bootblock二进制文件
    @$(call totarget,sign) $(call outfile,bootblock) $(bootblock)

# 将bootblock包添加到bootblock目标
$(call create_target,bootblock)

sign：

# -------------------------------------------------------------------

# create 'sign' tools
# 将tools/sign.c编译到OBJ文件，将源文件和中间文件添加到sign包
$(call add_files_host,tools/sign.c,sign,sign)
# 将sign包添加到sign目标
$(call create_target_host,sign,sign)

ucore.img:

# -------------------------------------------------------------------

# create ucore.img
# 在ucore.img前面加上bin/
UCOREIMG    := $(call totarget,ucore.img)

$(UCOREIMG): $(kernel) $(bootblock)
        # 创建一个大小为10000字节的空白文件
    $(V)dd if=/dev/zero of=$@ count=10000
    # 向上述文件中拷贝bin/bootblock
    $(V)dd if=$(bootblock) of=$@ conv=notrunc
    # 向上述文件中继续（第二个块）拷贝bin/kernel
    $(V)dd if=$(kernel) of=$@ seek=1 conv=notrunc

# 将ucore.img包添加到ucore.img目标
$(call create_target,ucore.img)

dd的一些参数的含义：（dd命令说明）
-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

生成kernel的.obj实际命令:

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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/string.c -o obj/libs/string.o
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/  -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o

参数及其意义：（gcc官方文档）

• -I：添加包含目录
• -fno-builtin：只接受以“__builtin_”开头的名称的内建函数
• -Wall：开启全部警告提示
• -ggdb：生成GDB需要的调试信息
• -m32：为32位环境生成代码，int、long和指针都是32位
• -gstab：生成stab格式的调试信息，仅用于gdb
• -nostdinc：不扫描标准系统头文件，只在-I指令指定的目录中扫描
• -fno-stack-protector：生成用于检查栈溢出的额外代码，如果发生错误，则打印错误信息并退出
• -c：编译源文件但不进行链接
• -o：结果的输出文件

链接生成kernel二进制文件的命令为：

• ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/mm/pmm.o  obj/libs/string.o obj/libs/printfmt.o

  参数及其意义：（ld参数说明）

  • -m elf_i386：使用elf_i386模拟器
  • -nostdlib：只查找命令行中明确给出的库目录，不查找链接器脚本中给出的（即使链接器脚本是在命令行中给出的）
  • -T tools/kernel.ld：将tools/kernel.ld作为链接器脚本
  • -o bin/kernel：输出到bin/kernel文件

  生成bootblock和sign工具所需全部OBJ文件的实际命令包括：

  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
  gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
  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

  参数及其意义（重复的参数不再列出）：

  • -Os：对输出文件大小进行优化，开启全部不增加代码大小的-O2优化
  • -g：以操作系统原生格式输出调试信息，gdb可以处理这一信息
  • -O2：进行大部分不以空间换时间的优化

  链接生成bootblock二进制文件的命令为：

  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!（这两行是sign的输出）

  参数及其意义：

  • -N：将文字和数据部分置为可读写，不将数据section置为与页对齐， 不链接共享库
  • -e start：将start符号置为程序起始点
  • -Ttext 0x7C00：链接时将".bss"、".data"或".text"置于绝对地址0x7C00处

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？

tool/sign.c

输入的主引导扇区记录小于等于510字节（446+64）

最后两个字节是0x55AA

练习2：

　　使用Qemu和gdb调试lab1 实验目的：熟悉单步调试gdb方法 进一步了解os启动流程

练习3：

　　bootloader进入保护模式的过程

　　BIOS通过读取硬盘主引导扇区到内存，并跳转到对应内存中的位置执行bootloader，从实模式转换到保护模式。

bootloader启动过程主要工作：1切换到保护模式，启用分段机制

　　　　　2读磁盘中ELF执行文件格式的ucore到内存

　　　　　3显示字符串信息

　　　　　4把控制权交给ucore操作系统

1.开启A20地址线

2.初始化GDT表

3.进入保护模式