> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://1790865014.gitbook.io/ucore-step-by-step/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://1790865014.gitbook.io/ucore-step-by-step/master/labcodes/lab1/lab1-1.md). # 实验一：系统软件启动过程 ## 练习一 ### ucore.img的生成 运行`make "V="`后输出类似如下内容可分为四个部分 #### 第一部分 ``` - 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/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/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 ...... ``` 该部分将各个C文件编译为obj文件，主要编译选项有： * `-m32` 生成32位环境下的目标 * `-ggdb`,`-gsatbs` 提供调试信息 * `-nostdinc` 不搜索当前环境下的标准头文件 * `-Ikern/libs`等 将文件夹加入头文件搜索路径 #### 第二部分 ``` ld bin/kernel 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 ``` 该部分将上一步生成的obj文件链接到一起，产生`bin/kernel`文件 * `-m elf_i386` 模拟elf\_i386连接器 * `-nostdlib` 不使用标准库 * `-T tools/kernel.ld` 使用kernel.ld中的配置链接文件 #### 第三部分 ``` - 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 ``` 编译BootLoader，并生成将BootLoader补齐到512字节的工具`bin/sign` * `-Os` 提示编译器尽量减小目标码的体积 #### 第四部分 ``` + 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 dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc ``` * 将`bootasm.o`和`bootmain.o`链接到一起 * `-N` 设置text和data部分可读可写，并且不对数据段进行对齐 * `-e start` 将entry point设为start * `-Ttext 0x7C00` 将代码段的起始地址设为0x7C00 * 执行`bin/sign obj/bootblock.out bin/bootblock`生成512字节的bootblock * 不足510字节的部分补0 * 最后两个字节设为`0x55 0xAA`作为signature * 用dd生成一个空镜像，然后将bootblock和kernel按次序写入 * `if=FILE` 从FILE读入数据 * `of=FILE` 输出到FILE * `conv=notrunc` 不截断输出文件 * `seek=1` 跳过输出开头的512个字节 ### 主引导扇区 标准的MBR分区表结构为前466字节为代码段，紧跟64字节的分区表，最后两个字节为Boot Signature 实际上第511和512个字节分别为0x55和0xAA即可被BIOS读入内存中，实验过程如下 ``` dd if=/dev/zero of=bootloader count=1 echo -ne "\x55\xaa" | dd seek=510 bs=1 of=bootloader qemu-system-i386 bootloader ``` ## 练习二 直接`make debug`或手动在terminal中输入如下 ``` qemu-system-i386 -S -s -parallel stdio -hda ucore.img gdb -q -tui -x /tools/gdbinit ``` 即可进行单步调试 ## 练习三 ### 保护模式的进入 从BootLoader进入保护模式可分为三个部分 #### 第一部分 * 进行基本设置 * `cli` (clear interrupt flag) 使CPU不再接受外部中断 * `cld` (clear direction flag) 使CPU按从低地址到高地址处理字符串 * 将若干寄存器置0 * 打开A20 Gate * 等待直到8042芯片的输入缓存为空 * 向0x64端口发送0xD1，意为对P2端口写数据 * 等待直到8042芯片的输入缓存为空 * 向0x64端口发送0xDF，打开A20 Gate #### 第二部分 * `lgdt gdtdesc` 将gdtdesc所指向的6个字节内容读入GDTR * 低2位的0x17表明表的大小为24 * 高4位为表的起始地址 * 将控制寄存器CR0的PE (Protection Enable, bit 0)设为1 * `ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg` 将cs寄存器设为$PROT\_MODE\_CSEG，将eip设为protcseg所指地址 其中GDT由asm.h中提供的宏展开生成，一般描述符的结构如下 ``` 31 23 15 7 0 +-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-----+-+-----------------+ | | | | |A| | | | | | | | | BASE 31..24 |G|X|O|V| LIMIT |P| DPL |1| TYPE|A| BASE 23..16 | 4 | | | | |L| 19..16 | | | | | | | |-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-----+-+-----------------| | | | | SEGMENT BASE 15..0 | SEGMENT LIMIT 15..0 | 0 | | | +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ ``` `SEG_NULLASM`会产生一个空描述符，SEG\_ASM(type,base,lim)会根据参数生成所需的描述符，注意这里取了lim的高20位作为LIMIT。 此处描述符定义的代码段和数据段都是从0x0开始，容量4GB的段。 #### 第三部分 除了cs外的段寄存器都指向数据段，将epb置0，将栈顶指向BootLoader起始处(0x7c00)，调用bootmain ## 练习四 ### 读硬盘扇区 BootLoader中读取硬盘的功能是基于`static void readsect(void *dst, uint32_t secno)`函数实现的，该函数可以实现读一个扇区，反复调用可以将kernel完整读入内存。大致过程如下 * 等待磁盘准备好 * 从0x1F7读入状态码，检查BSY和RDY两个bit * 向0x1F2端口发送读取的扇区数 * 传送LBA的各个位，发送读取命令 * 等待磁盘准备好 * 读入数据 ### 加载ELF格式OS * 首先读入8个扇区，将ELF文件头读入； * 上一步从硬盘读入内存的起始地址为0x10000，因此该地址也是ELF文件头的地址； * 根据文件头提供的信息将kernel读入正确的内存地址 * 调用kernel的入口函数 ## 练习五 输出如下 ``` epb:0x00007b38 eip:0x00100967 arg: 0x00010074 0x00010074 0x00007b68 0x0010007f kern/debug/kdebug.c:306: print_stackframe+21 epb:0x00007b48 eip:0x00100c41 arg: 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007bb8 kern/debug/kmonitor.c:125: mon_backtrace+10 epb:0x00007b68 eip:0x0010007f arg: 0x00000000 0x00007b90 0xffff0000 0x00007b94 kern/init/init.c:48: grade_backtrace2+19 epb:0x00007b88 eip:0x001000a1 arg: 0x00000000 0xffff0000 0x00007bb4 0x00000029 kern/init/init.c:53: grade_backtrace1+27 epb:0x00007ba8 eip:0x001000be arg: 0x00000000 0x00100000 0xffff0000 0x00100043 kern/init/init.c:58: grade_backtrace0+19 epb:0x00007bc8 eip:0x001000df arg: 0x00000000 0x00000000 0x0010fd20 0x00103300 kern/init/init.c:63: grade_backtrace+26 epb:0x00007be8 eip:0x00100050 arg: 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007c4f kern/init/init.c:28: kern_init+79 epb:0x00007bf8 eip:0x00007d6e arg: 0xc031fcfa 0xc08ed88e 0x64e4d08e 0xfa7502a8 : -- 0x00007d6d -- ``` 最后一行的0x7d6d = 0x7d6c + 1，而打开bootblock.asm可以看到0x7d6c为调用kernel入口的最后一句指令，所以0x7d6d实际上是调用call指令后压栈的返回地址 ## 练习六 ### 中断描述符 每个终端描述符占8个字节空间，其中16-31位的bits为段选择子，0-15和48-63位的bits分别为偏移地址的两个字，大致结构如下 ``` 31 23 15 7 0 +-----------------+-----------------+---+---+---------+-----+-----------+ | OFFSET 31..16 | P |DPL|0 1 1 1 0|0 0 0|(NOT USED) |4 |-----------------------------------+---+---+---------+-----+-----------| | SELECTOR | OFFSET 15..0 |0 +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+ ``` ### 初始化中断描述符表 对idt数组中的每一个终端描述符调用SETGATE进行设置，要注意段描述符应该与`voidpmm_init(void)`中设置的内核代码段描述符地址(0x8)一致。 由于要支持应用程序发出软中断`int 0x80`，需特别将T\_SYSCALL的DPL设为3。 ### 时钟中断处理 在`static void trap_dispatch(struct trapframe *tf)`中处理时钟中断部分添加如下代码 ```c if (++ticks % TICK_NUM == 0) { print_ticks(); } ``` 每次收到中断即将全局变量ticks加1，当为100整数倍时调用`print_ticks`。 ## 总结 ### 实现与参考答案的区别 参考答案限制了print\_stackframe的最大深度 ### 知识点 * BIOS启动过程：加电后，CPU执行物理地址0xFFFFFFF0处的跳转指令，开始执行BIOS程序 * 保护模式的进入：打开A20地址线->设置全局描述符表->打开保护模式 * 分段机制：逻辑地址可分为段选择子和偏移量，通过段选择子可以找到段描述符，从中取出段基址加上偏移量可得到线性地址，未启用分页机制时即为物理地址 * ELF文件格式：ucore中的`struct elfhdr`和`struct proghdr`表示了ELF文件头的结构 --- # Agent Instructions This documentation is published with GitBook. GitBook is the documentation platform designed so that both humans and AI agents can read, navigate, and reason over technical content effectively. Learn more at gitbook.com. ## Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://1790865014.gitbook.io/ucore-step-by-step/master/labcodes/lab1/lab1-1.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.