ucore lab1实验小结

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0 序言

一直感觉自己这操作系统学的一点也不扎实：（，果然之前秋招提前批被教育了，所以痛定思痛有了本系列文章，CS之路漫漫兮，吾将上下而求索~

1 背景

1.1 BIOS

BIOS实际上是被固化在计算机ROM（只读存储器）芯片上的一个特殊的软件，为上层软件提供最底层的、最直接的硬件控制与支持。更形象地说，BIOS就是PC计算机硬件与上层软件程序之间的一个”桥梁”，负责访问和控制硬件。（BIOS以系统调用trap的形式提供IO 且 只能存在于系统的实模式下）

1.2 BIOS是如何启动的


首先我们必须明白计算机加电的时候是从哪读出第一条指令的，以x86为例，CPU根据CS（代码段寄存器）,IP（指令指针寄存器）的值计算得出PC=16*CS + IP,此时PC为20位的二进制值（因为在实模式下只有20根地址总线，所以只能寻址1MB），在X86架构中 CS:IP 用来表示寻址（这里的PC就是一个概念上的寻址寄存器，实际递增的是IP寄存器），在ARM架构中PC寄存器是存在的（R15），得到地址取出地址中的执行，这条指令是个跳转指令，通过跳转指令跳到BIOS例行程序起始点。BIOS做完计算机硬件自检和初始化后，会选择一个启动设备（例如软盘、硬盘、光盘等），并且读取该设备的第一扇区(即主引导扇区或启动扇区)到内存一个特定的地址0x7c00处，然后CPU控制权会转移到那个地址继续执行。至此BIOS的初始化工作做完了，进一步的工作交给了ucore的bootloader。

1.3 BIOS是如何启动系统的

  1. BIOS将bootloader（加载程序）从磁盘的主引导扇区(MBR)加载到内存0x7c00
  2. 跳转到0000（CS）:7c00（IP）
  3. 执行2中地址的bootloader
  4. 初始化各种寄存器，禁用中断，使能A20（拓宽地址总线宽度），加载GDT，使能cr0进入保护模式，修改保护模式下的各寄存器值，设置堆栈调用bootmain.c
  5. 加载elf格式的OS

2 分析make生成执行文件的过程

2.1 分析操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的？

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   // 生成系统镜像
UCOREIMG    := $(call totarget,ucore.img)

$(UCOREIMG): $(kernel) $(bootblock)
$(V)dd if=/dev/zero of=$@ count=10000 // 创建一个大小为10000字节的串
$(V)dd if=$(bootblock) of=$@ conv=notrunc // 将bootblock默认写入第一个块
$(V)dd if=$(kernel) of=$@ seek=1 conv=notrunc  // 将kernel默认写入第二个块

$(call create_target,ucore.img)

 // 生成kernel
kernel = $(call totarget,kernel)

$(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)

$(call create_target,kernel)

// 创建启动块
bootfiles = $(call listf_cc,boot)
$(foreach f,$(bootfiles),$(call cc_compile,$(f),$(CC),$(CFLAGS) -Os -nostdinc))

bootblock = $(call totarget,bootblock)

$(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) > $(call asmfile,bootblock)
@$(OBJDUMP) -t $(call objfile,bootblock) | $(SED) '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > $(call symfile,bootblock)
@$(OBJCOPY) -S -O binary $(call objfile,bootblock) $(call outfile,bootblock)
@$(call totarget,sign) $(call outfile,bootblock) $(bootblock)

$(call create_target,bootblock)

2.2 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？

  1. 主引导记录MBR的大小为512字节
  2. MBR结束字为[0x55 0xAA]
    在tool/sign.c中可以很清晰的看到MBR的结束标志字（55AA）2字节以及主引导记录大小512字节

    3 调试BIOS的加载

实验步骤如下：

  1. qemu -hda ucore.img -s -S # 打开qemu并附加参数-s设置连接端口1234
  2. gdb
  3. target remote localhost:1234 # gdb连接qemu（也可忽略前三步直接make debug）
  4. 输入 b *0x7c00设置断点
  5. continue
  6. x/i $pc # 查看一条当前的指令
    可以看到0x7c00处的代码和bootasm.S处的代码一致

4 分析bootloader进入保护模式的过程

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# start address should be 0:7c00, in real mode, the beginning address of the running bootloader
.globl start
start:
.code16                                             # Assemble for 16-bit mode
    cli                                             # Disable interrupts
    cld                                             # String operations increment

    # Set up the important data segment registers (DS, ES, SS).
    xorw %ax, %ax                                   # Segment number zero
    movw %ax, %ds                                   # -> Data Segment
    movw %ax, %es                                   # -> Extra Segment
    movw %ax, %ss                                   # -> Stack Segment

    # Enable A20:
    #  For backwards compatibility with the earliest PCs, physical
    #  address line 20 is tied low, so that addresses higher than
    #  1MB wrap around to zero by default. This code undoes this.
seta20.1:
    inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.1

    movb $0xd1, %al                                 # 0xd1 -> port 0x64
    outb %al, $0x64                                 # 0xd1 means: write data to 8042's P2 port

seta20.2:
    inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.2

    movb $0xdf, %al                                 # 0xdf -> port 0x60
    outb %al, $0x60                                 # 0xdf = 11011111, means set P2's A20 bit(the 1 bit) to 1

    # Switch from real to protected mode, using a bootstrap GDT
    # and segment translation that makes virtual addresses
    # identical to physical addresses, so that the
    # effective memory map does not change during the switch.
    lgdt gdtdesc
    movl %cr0, %eax
    orl $CR0_PE_ON, %eax
    movl %eax, %cr0

    # Jump to next instruction, but in 32-bit code segment.
    # Switches processor into 32-bit mode.
    ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg

根据代码注释可以总结得bootloaer进入保护模式的流程为：

  1. 禁用中断
  2. 复位标志寄存器
  3. 初始化ds，es，ss三个段（设置为0）
  4. 使能A20（扩大寻址空间）
  5. 跳转到gdtdes中，加载GDT（全局描述符表）
  6. 使能cr0，切换到保护模式

5 分析bootloader加载ELF格式的OS的过程

5.2 elf文件格式


5.1 bootloader如何读取硬盘扇区的？

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* waitdisk - wait for disk ready */
static void
waitdisk(void) {
    while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
        /* do nothing */;
}

/* readsect - read a single sector at @secno into @dst */
static void
readsect(void *dst, uint32_t secno) {
    // wait for disk to be ready
    waitdisk(); // 等待磁盘就绪

    outb(0x1F2, 1);    // 将要存取的扇区数（此处为1）存到0x1F2
    outb(0x1F3, secno & 0xFF);
    outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
    outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF); 
    outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);// 0x1F3-0x1F6被用来设置扇区偏移
    outb(0x1F7, 0x20);                      // cmd 0x20 - read sectors，将READ命令存储到0x1F7（用来发起命令读取扇区）

    // wait for disk to be ready
    waitdisk(); // 等待磁盘就绪

    // read a sector
    insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);  // 通过CPU将数据从磁盘读到RAM
}

读扇区的流程总结为：

  1. 等待磁盘准备好
  2. 写地址0x1f2~0x1f5,0x1f7,发出读取磁盘的命令
  3. 等待磁盘准备好
  4. 调用函数insl把扇区数据读到内存

5.2 bootloader是如何加载ELF格式的OS？

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/* *
 * readseg - read @count bytes at @offset from kernel into virtual address @va,
 * might copy more than asked.
 * */
static void
readseg(uintptr_t va, uint32_t count, uint32_t offset) {
    uintptr_t end_va = va + count;

    // round down to sector boundary
    va -= offset % SECTSIZE;

    // translate from bytes to sectors; kernel starts at sector 1
    uint32_t secno = (offset / SECTSIZE) + 1;

    // If this is too slow, we could read lots of sectors at a time.
    // We'd write more to memory than asked, but it doesn't matter --
    // we load in increasing order.
    for (; va < end_va; va += SECTSIZE, secno ++) {
        readsect((void *)va, secno);
    }
}

/* bootmain - the entry of bootloader */
void
bootmain(void) {
    // 读取磁盘的第一页(大小为4K),这里一个sectsize为512字节
    readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);

    // 判断是否是合法的elf文件格式
    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，这里读取出来将之存入ph
    ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
	// 读出elf文件的段个数作为索引值
    eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
    for (; ph < eph; ph ++) {
	// 读取每个elf文件段的内容
        readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
    }

    // call the entry point from the ELF header
    // note: does not return
    ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();

bad:
    outw(0x8A00, 0x8A00);
    outw(0x8A00, 0x8E00);

    /* do nothing */
    while (1);
}

从源码中可以看出程序控制流：

  1. 运行bootmain，调用readseg读取多个扇区
  2. readseg循环执行readsect读取每个扇区
  3. 返回bootmain，判断elf格式
  4. 将ELFheader读入ph（pragram header,程序头表）
  5. 将ph中各个section读入内存
  6. 通过内核入口函数加载内核

6 实现函数调用堆栈跟踪函数

这里的代码根据注释不难写出。

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    void print_stackframe(void) {
        uint32_t ebp=read_ebp();        //(1) call read_ebp() to get the value of ebp. the type is (uint32_t)
        uint32_t eip=read_eip();        //(2) call read_eip() to get the value of eip. the type is (uint32_t)
        for(int i=0;i<STACKFRAME_DEPTH&&ebp!=0;i++){    //(3) from 0 .. STACKFRAME_DEPTH
              cprintf("ebp:0x%08x   eip:0x%08x ",ebp,eip);    //(3.1)printf value of ebp, eip
              uint32_t *tmp=(uint32_t *)ebp+2;
              cprintf("arg :0x%08x 0x%08x 0x%08x 0x%08x",*(tmp+0),*(tmp+1),*(tmp+2),*(tmp+3));    //(3.2)(uint32_t)calling 

arguments [0..4] = the contents in address (unit32_t)ebp +2 [0..4]
              cprintf("\n");            //(3.3) cprintf("\n");
              print_debuginfo(eip-1);    //(3.4) call print_debuginfo(eip-1) to print the C calling function name and line 

number, etc.
              eip=((uint32_t *)ebp)[1];
              ebp=((uint32_t *)ebp)[0];    //(3.5) popup a calling stackframe
          }
    }

运行结果如图所示：

ebp是栈底指针，从该地址为基准，向上（栈底方向）能获取返回地址、参数值，向下（栈顶方向）能获取函数局部变量值，而该地址处又存储着上一层函数调用时的ebp值，eip则是指令指针寄存器保存着下一条指令的地址,最后一行输出的信息是debug_info，查看该函数定义：

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void print_debuginfo(uintptr_t eip) {
    struct eipdebuginfo info;
    if (debuginfo_eip(eip, &info) != 0) {
        cprintf("    <unknow>: -- 0x%08x --\n", eip);
    }
    else {
        char fnname[256];
        int j;
        for (j = 0; j < info.eip_fn_namelen; j ++) {
            fnname[j] = info.eip_fn_name[j];
        }
        fnname[j] = '\0';
        cprintf("    %s:%d: %s+%d\n", info.eip_file, info.eip_line,
                fnname, eip - info.eip_fn_addr);
    }
}

可以看出最行一行输出的信息是源码所在文件名，源码所在行数（eip指向的指令对应），函数名，源码的长度（当前指令执行位置-函数起始位置）或者是不合法的eip（没找到eip对应的info，这里的info就是eipdebuginfo数据结构）
最后一个0x00007d63不合法的原因是我们还没有写内存管理模块（没有引入虚拟地址的抽象）…这里程序的堆栈空间范围在0~0x7c00(在bootasm.S中,感谢TsushimaAlice同学告知)所以超出堆栈的行为是未定义的

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void
kern_init(void){
    extern char edata[], end[];
    memset(edata, 0, end - edata);

    cons_init();                // init the console

    const char *message = "(THU.CST) os is loading ...";
    cprintf("%s\n\n", message);

    print_kerninfo();

    grade_backtrace();

    pmm_init();                 // init physical memory management

    pic_init();                 // init interrupt controller
    idt_init();                 // init interrupt descriptor table

    clock_init();               // init clock interrupt
    intr_enable();              // enable irq interrupt

    //LAB1: CAHLLENGE 1 If you try to do it, uncomment lab1_switch_test()
    // user/kernel mode switch test
    lab1_switch_test();

    /* do nothing */
    while (1);
}

7 完善中断初始化和处理

在X86架构中，中断可以分为3种：

  1. 和CPU无关的，比如外设的请求等，这些属于Interrupt。
  2. 和CPU有关的，比如除0，page fault等，这些属于Exception。
  3. 系统调用，这些属于Trap

7.1 中断描述符表项及字段含义


可以看出，一个表项占32*2位，8个字节。0到15位和48到63位为偏移量的低位和高位。16到31位是段选择子。 通过这几个数据来找到中断处理代码的入口。

7.2 初始化idt

中的SETGATE宏，填充idt数组内容。每个中断的入口由tools/vectors.c生成，使用trap.c中声明的vectors数组即可。

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void idt_init(void)
{
    /* LAB1 YOUR CODE : STEP 2 */
    /* (1) Where are the entry addrs of each Interrupt Service Routine (ISR)?
      *     All ISR's entry addrs are stored in __vectors. where is uintptr_t __vectors[] ?
      *     __vectors[] is in kern/trap/vector.S which is produced by tools/vector.c
      *     (try "make" command in lab1, then you will find vector.S in kern/trap DIR)
      *     You can use  "extern uintptr_t __vectors[];" to define this extern variable which will be used later.
      * (2) Now you should setup the entries of ISR in Interrupt Description Table (IDT).
      *     Can you see idt[256] in this file? Yes, it's IDT! you can use SETGATE macro to setup each item of IDT
      * (3) After setup the contents of IDT, you will let CPU know where is the IDT by using 'lidt' instruction.
      *     You don't know the meaning of this instruction? just google it! and check the libs/x86.h to know more.
      *     Notice: the argument of lidt is idt_pd. try to find it!
      */
    int i = 0;
    extern uintptr_t __vectors[];
    for(i = 0; i < 255; ++i)
    {
		//  vectors 中存储了中断处理程序的入口地址。vectors 定义在 vector.S 文件中，通过一个工具程序 vector.c 生成
        SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], 0); 
    }
	// 切换用户模式到内核模式
    SETGATE(idt[T_SWITCH_TOK], 1, GD_KTEXT, __vectors[T_SWITCH_TOK], 3);// 
    lidt(&idt_pd);
}

思路是：

  1. 通过SETGATE宏初始化idt表（这里体现为一维数组）
  2. 准备执行lidt指令，因为trap是系统调用，所以执行idt_init的时候是在DPL_USER（3）的模式，而根据实验指导书，lidt需要在DPL_KERNEL（0）模式执行，所以需要切换用户模式到内核模式
  3. 执行lidt，使用一个包含线性地址基址和界限的内存操作数来加载IDT

7.3 时钟中断

中断后，调用print_ticks子程序，向屏幕上打印一行文字”100 ticks”。

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case IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER:
	/* LAB1 YOUR CODE : STEP 3 */
	/* handle the timer interrupt */
	/* (1) After a timer interrupt, you should record this event using a global variable (increase it), such as ticks in 

kern/driver/clock.c
	* (2) Every TICK_NUM cycle, you can print some info using a funciton, such as print_ticks().
	* (3) Too Simple? Yes, I think so!
	*/
	ticks ++;
	if (ticks % TICK_NUM == 0) {
	print_ticks();
	}
break;

思路是：每次 handles or dispatches an exception/interrupt都会调用trap，trap中通过累加tick这个时钟周期的全局变量（定义在clock.c）到100来触发时钟中断

8 小结

bootloader的启动到OS的加载流程为：

  1. 禁用中断
  2. 复位标志寄存器
  3. 初始化ds，es，ss三个段（设置为0）
  4. 使能A20（扩大寻址空间）
  5. 跳转到gdtdes中，加载GDT（全局描述符表）
  6. 使能cr0，切换到保护模式
  7. 切换到32位模式
  8. 修改保护模式下各个寄存器的值
  9. 设置堆栈以调用C,初始化栈区（0x0~0x7c00）
  10. 调用bootmain.c
  11. 运行bootmain，调用readseg读取多个扇区
  12. readseg循环执行readsect读取每个扇区
  13. 返回bootmain，判断elf格式
  14. 将ELFheader读入ph（pragram header,程序头表）
  15. 将ph中各个section读入内存
  16. 通过内核入口函数加载内核

总的来说实验量还是很好的，实验指导书也很到位，看项目级代码果然需要一个静态分析利器啊，感谢清华！

9 Reference

TsushimaAlice同学 简书 lab1