操作系统lab1

shiki2025-04-192025-04-19

LAB1实验报告

思考题

Thinking 1.1

在阅读附录中的编译链接详解以及本章内容后，尝试分别使用实验环境中的原生 x86 工具链（gcc、ld、readelf、objdump 等）和 MIPS 交叉编译工具链（带有mips-linux-gnu- 前缀，如 mips-linux-gnu-gcc、mips-linux-gnu-ld），重复其中的编译和解析过程，观察相应的结果，并解释其中向objdump传入的参数的含义。

在~/myfile目录下编写print.c程序用以输出一段字符串，分别使用gcc -E print.c和mips-linux-gnu-gcc -E print.c后比较不同可发现由于使用的工具链不同其预处理后的.c文件中的除main函数以外均有所不同。
在相同目录下使用gcc -c print.c -o print_x86.out和mips-linux-gnu-gcc -c print.c -o print_mips.out只编译不连接后再使用objdump -DS <filename>.out > <filename>.txt分别反汇编上述两个.out文件观察输出后可知采用x86原生工具链编译并反汇编后得到x86指令集的汇编代码，MIPS交叉编译工具链则产生MIPS汇编代码。
链接后再反汇编二者得到的汇编代码也分别为x86和MIPS的汇编代码

使用readelf -f <filename>指令分别解析*.out和可执行文件可得如下图所示的结果：

git@23371455:~/myfile $readelf -h print_x86
ELF 头:
  Magic:	7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  类别:								ELF64
  数据:								2 补码，小端序(little endian)
  Version:							 1(current)
  OS/ABI:							 UNIX - System v9
  ABI 版本:                           0
  类型:								DYN(Position-Independent Executable file)
  系统架构:							   Advanced Micro Devices X86-64
  版本:								0x1
  入口点地址:					0x1060
  程序头起点:				64(bytes into file)
  Start of section headers:			13976(bytes into file)
  标志:					0x0
  Size of this header:				 64(bytes)
  Size of program headers:			 56(bytes)
  Number of program headers :		 13
  Size of section headers:      	 64(bytes)
  Number of section headers:		 31
  Section header string table index: 30
git@23371455:~/myfile $ readelf -h print_mips
ELF 头:
  Magic:	7f 45 4c 46 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  类别:								ELF322 
  数据:								补码，大端序(big endian)
  Version:							 1(current)
  OS/ABI:							 UNIX - System V
  ABI 版本:							0
  类型:								EXEC(可执行文件)
  系统架构:							   MIPS R3000
  版本:								0x1
  入口点地址:					0x400520
  程序头起点:  				52(bytes into file)
  Start of section headers:			 67616(bytes into file)
  标志:					0x70001007,noreorder,pic,cpic，o32,mips32r2
  Size of this header:				 52(bytes)
  Size of program headers:			 32(bytes)
  Number of program headers:		 11
  Size of section headers:			 40(bytes)
  Number of section headers:		 32
  Section header string table:		 31

git@23371455:~/myfile $readelf -h print_x86.out
ELF 头:
  Magic:	7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  类别:								ELF64
  数据:								2 补码，小端序(little endian)
  Version:							 1(current)
  OS/ABI:							 UNIX - System v9
  ABI 版本:                           0
  类型:								REL (可重定位文件)
  系统架构:							   Advanced Micro Devices X86-64
  版本:								0x1
  入口点地址:					0x0
  程序头起点:				0(bytes into file)
  Start of section headers:			600(bytes into file)
  标志:					0x0
  Size of this header:				 64(bytes)
  Size of program headers:			 0(bytes)
  Number of program headers :		 0
  Size of section headers:      	 64(bytes)
  Number of section headers:		 14
  Section header string table index: 13
git@23371455:~/myfile $ readelf -h print_mips.out
ELF 头:
  Magic:	7f 45 4c 46 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  类别:								ELF322 
  数据:								补码，大端序(big endian)
  Version:							 1(current)
  OS/ABI:							 UNIX - System V
  ABI 版本:							0
  类型:								REL (可重定位文件)
  系统架构:							   MIPS R3000
  版本:								0x1
  入口点地址:					0x0
  程序头起点:  				0(bytes into file)
  Start of section headers:			 804(bytes into file)
  标志:					0x70001007,noreorder,pic,cpic，o32,mips32r2
  Size of this header:				 52(bytes)
  Size of program headers:			 0(bytes)
  Number of program headers:		 0
  Size of section headers:			 40(bytes)
  Number of section headers:		 17
  Section header string table:		 16

观察可得.out文件中段头表为空，可执行文件段头表不为空，且x86下的文件和MIPS下的文件在段表项数、大小，节表项数、大小，数据类型等部分均有诸多不同。

Thinking 1.2

思考下述问题：
1. 尝试使用我们编写的readelf程序，解析之前在target目录下生成的内核ELF文件。
2. 也许你会发现我们编写的readelf程序是不能解析readelf 文件本身的，而我们刚才介绍的系统工具readelf 则可以解析，这是为什么呢？（提示：尝试使用readelf-h，并阅读tools/readelf 目录下的 Makefile，观察 readelf 与 hello 的不同）

解析内核文件得到如下结果：

0:0x0
1:0x80020000
2:0x80022120
3:0x80022138
4:0x80022150
5:0x0
6:0x0
7:0x0
8:0x0
9:0x0
10:0x0
11:0x0
12:0x0
13:0x0
14:0x0
15:0x0
16:0x0
17:0x0
18:0x0

这是因为我们编写的readelf程序只能解析MIPS32架构下的elf文件

Thinking 1.3

在理论课上我们了解到，MIPS体系结构上电时，启动入口地址为0xBFC00000（其实启动入口地址是根据具体型号而定的，由硬件逻辑确定，也有可能不是这个地址，但一定是一个确定的地址），但实验操作系统的内核入口并没有放在上电启动地址，而是按照内存布局图放置。思考为什么这样放置内核还能保证内核入口被正确跳转到？

内核启动前先执行ROM中的bootloader程序初始化各个硬件设备，然后到RAM中载入内核并通过start.S程序跳转至内存所在位置。

难点分析

在readelf实验中，需要先读取待解析的文件的地址，然后通过其中ehdr结构体访问其节头表的地址，再通过节头表项大小和索引访问其所有节头的地址
在内核加载到内存的过程中，TLB需要操作系统进行配置，且需要cache，因此需要将内核加载至kseg0区域中，再对照内存布局图即可知道内核.txt、.data、.bss段需要加载到的位置
在printk实验中，需要注意负数标记，宽度标记，long标记的初始化，否则将出现各类bug

实验体会

本次实验补全了对编译文件的链接过程的理解，认识了elf文件的段头表和节头表，同时完善了对操作系统启动过程的认识。

本次实验难点主要在于printk的编写中，需要注意各个变量的初始化，以及字符串指针的恰当移动，本次实验还需要注意将内核各个段加载至正确的位置。

原创说明

参考了往届学长的博客:https://flyinglandlord.github.io/2022/06/15/BUAA-OS-2022/lab0-lab2/doc-lab1/