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ucore Lab1 系统软件启动过程

时间：2023-09-09 12:37:02 电位器turn

一、实验目的

操作系统是一种需要通过某种机制加载和操作的软件。在这里，我们将使用另一个更简单的软件-bootloader完成这些工作。为此，我们需要完成一个切换x显示字符的86保护模式bootloader，启动操作系统ucore做准备。lab1提供了一个非常小的bootloader和ucore OS，整个bootloader执行代码小于512字节，以便放置在硬盘的主导风扇区域。通过分析和实现这一点bootloader和ucore OS，读者可以理解：
1.计算机原理

  • CPU基于分段机制的内存管理
  • CPU的中断机制
  • 外设:串口/并口/并口/CGA，时钟，硬盘
    2.Bootloader软件
  • 编译运行bootloader的过程
  • 调试bootloader的方法
  • PC启动bootloader的过程
  • ELF执行文件的格式和加载
  • 外设访问:读硬盘，在CGA显示字符串
    3.Ucore OS软件
  • 编译运行ucore OS的过程
  • ucore OS的启动过程
  • 调试ucore OS的方法
  • 函数调用关系：了解汇编级函数调用栈的结构和处理过程
  • 中断管理：与软件相关的中断处理
  • 外设管理：时钟

二、实验内容
lab1中包含一个bootloader和一个OS。这个bootloader可以切换到X86保护模式，能够读磁盘并加载ELF执行文件格式并显示字符。lab1中的OS只是一个可以处理时钟中断和显示字符的幼儿园级别OS。

三、实验练习
1.练习1:理解make生成执行文件的过程。（要求在报告中写出对下述问题的回答）
1.操作系统镜像文件ucore.img它是如何一步一步成的？(需要详细解释Makefile每个相关命令和命令参数的含义，以及命令的结果)
① 进入Ubuntu20.通过04，打开终端sudo su指令，输入密码，从普通用户切换到root用户。
在这里插入图片描述
② 因为我以前换过源，所以这个实验不需要换源。apt install qemu-system-i386，再输入y，安装qemu

③ 输入sudo dj或ctrl d或exit切换回普通用户，实验准备部分结束。

④ 进入到OS/ucore_os_lab-master/labcodes/lab在目录下，输入指令make

⑤ 若连续输入两次make/make V=，会提示没有变化，此时可以make clean后再次make V=

⑥ 运行make V=，观察每一步make获得以下所有输出：
lab1是ucore在开始时，会出现一些函数未完成调用warning




其中，除kernel部分外：
链接生成kernel:

bootblock部分：

链接生成bootblock：

生成ucore.img：

ld部分，由bootmain.o和bootasm.o生成，然后通过gcc编译。
有一个0x7c如果00是直接对的偏移量bootasm.o调试，地址不对，必须加0x7c00这个偏移量

⑦ 通过man查看，如看ld则输入man ld，回车即可

⑧ Makefile文件内容如下：

PROJ := challenge EMPTY := SPACE := $(EMPTY) $(EMPTY) SLASH := / ##make “V=”可输出make执行的命令 V       := @ #need llvm/cang-3.5  #USELLVM := 1 ###选择交叉编译器检查GCCPREFIX # try to infer the orrect GCCPREFX
ifndef GCCPREFIX
GCCPREFIX := $(shell if i386-elf-objdump -i 2>&1 | grep '^elf32-i386$$' >/dev/null 2>&1; \
	then echo 'i386-elf-'; \
	elif objdump -i 2>&1 | grep 'elf32-i386' >/dev/null 2>&1; \
	then echo ''; \
	else echo "***" 1>&2; \
	echo "*** Error: Couldn't find an i386-elf version of GCC/binutils." 1>&2; \
	echo "*** Is the directory with i386-elf-gcc in your PATH?" 1>&2; \
	echo "*** If your i386-elf toolchain is installed with a command" 1>&2; \
	echo "*** prefix other than 'i386-elf-', set your GCCPREFIX" 1>&2; \
	echo "*** environment variable to that prefix and run 'make' again." 1>&2; \
	echo "*** To turn off this error, run 'gmake GCCPREFIX= ...'." 1>&2; \
	echo "***" 1>&2; exit 1; fi)
endif
##设置QEMU
# try to infer the correct QEMU
ifndef QEMU
QEMU := $(shell if which qemu-system-i386 > /dev/null; \
	then echo 'qemu-system-i386'; exit; \
	elif which i386-elf-qemu > /dev/null; \
	then echo 'i386-elf-qemu'; exit; \
	elif which qemu > /dev/null; \
	then echo 'qemu'; exit; \
	else \
	echo "***" 1>&2; \
	echo "*** Error: Couldn't find a working QEMU executable." 1>&2; \
	echo "*** Is the directory containing the qemu binary in your PATH" 1>&2; \
	echo "***" 1>&2; exit 1; fi)
endif

# eliminate default suffix rules
.SUFFIXES: .c .S .h

##如果遇到error或者被中断了就删除所有目标文件
# delete target files if there is an error (or make is interrupted)
.DELETE_ON_ERROR:

##设置编译器选项
# define compiler and flags
ifndef  USELLVM
##gcc编译，-g为了gdb调试，-Wall生成警告信息，-02优化处理级别
HOSTCC		:= gcc
HOSTCFLAGS	:= -g -Wall -O2
CC		:= $(GCCPREFIX)gcc
##-fno-builtin不使用C语言的内建函数，-ggdb为GDB生成更丰富的调试信息，-m32用32位编译，-gstabs生成stabs格式调试信息但不包括GDB调试信息，-nostdinc不在系统默认头文件目录中寻找文件，$(DEFS)未定义可用来扩展信息
CFLAGS	:= -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc $(DEFS)
##$(shell)可以输出shell指令，-fno-stack-protector禁用堆栈保护，-E仅预处理不进行编译汇编链接可以提高速度，-x c指明C语言
##/dev/null指定目标文件，>/dev/null 2>&1标准错误重定向到标准输出，&&先运行前一句，若成功再运行后一句
##意为只预处理，所有出错全部作为垃圾(/dev/null类似垃圾文件)测试能否开启-fno-stack-protector，若能则CFLAGS += -fno-stack-protector
CFLAGS	+= $(shell $(CC) -fno-stack-protector -E -x c /dev/null >/dev/null 2>&1 && echo -fno-stack-protector)
else
##若使用clang，类似处理
HOSTCC		:= clang
HOSTCFLAGS	:= -g -Wall -O2
CC		:= clang
CFLAGS	:= -fno-builtin -Wall -g -m32 -mno-sse -nostdinc $(DEFS)
CFLAGS	+= $(shell $(CC) -fno-stack-protector -E -x c /dev/null >/dev/null 2>&1 && echo -fno-stack-protector)
endif

##源文件类型为.c和.s
CTYPE	:= c S

LD      := $(GCCPREFIX)ld
##shell中命令shell中命令 ld -V可以输出支持的版本，|管道将前者的输出作为后者的输入，grep在输入中搜索elf_i386字串，找到就输出elf_i386
 ##意味如果支持elf_i386则LDFLAGS := -m elf_i386
LDFLAGS	:= -m $(shell $(LD) -V | grep elf_i386 2>/dev/null)
##-nostdlib不连接系统标准库文件
LDFLAGS	+= -nostdlib

OBJCOPY := $(GCCPREFIX)objcopy
OBJDUMP := $(GCCPREFIX)objdump

##定义一些shell命令
COPY	:= cp
MKDIR   := mkdir -p
MV		:= mv
RM		:= rm -f
AWK		:= awk
SED		:= sed
SH		:= sh
TR		:= tr
TOUCH	:= touch -c

OBJDIR	:= obj
BINDIR	:= bin

ALLOBJS	:=
ALLDEPS	:=
TARGETS	:=

##在function.mk中定义了大量辅助函数，部分说明参考了引用中的博文
include tools/function.mk

##call:call func,变量1,变量2,... 
##listf:列出某地址下某类型的文件 
##listf_cc:列出变量1下的.c与.S文件
listf_cc = $(call listf,$(1),$(CTYPE))

# for cc
##将文件打包
add_files_cc = $(call add_files,$(1),$(CC),$(CFLAGS) $(3),$(2),$(4))
##创建目标文件包
create_target_cc = $(call create_target,$(1),$(2),$(3),$(CC),$(CFLAGS))

# for hostcc
add_files_host = $(call add_files,$(1),$(HOSTCC),$(HOSTCFLAGS),$(2),$(3))
create_target_host = $(call create_target,$(1),$(2),$(3),$(HOSTCC),$(HOSTCFLAGS))

##patsubst替换通配符 
##cgtype(filenames,type1,type2)把文件名中type1的改为type2，如.c改为.o
cgtype = $(patsubst %.$(2),%.$(3),$(1))
##列出所有目标文件，并按规则改后缀名
objfile = $(call toobj,$(1))
asmfile = $(call cgtype,$(call toobj,$(1)),o,asm)
outfile = $(call cgtype,$(call toobj,$(1)),o,out)
symfile = $(call cgtype,$(call toobj,$(1)),o,sym)

# for match pattern
match = $(shell echo $(2) | $(AWK) '{for(i=1;i<=NF;i++){if(match("$(1)","^"$$(i)"$$")){exit 1;}}}'; echo $$?)

# >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
# include kernel/user

INCLUDE	+= libs/

CFLAGS	+= $(addprefix -I,$(INCLUDE))

LIBDIR	+= libs

$(call add_files_cc,$(call listf_cc,$(LIBDIR)),libs,)

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

KINCLUDE	+= kern/debug/ \
			   kern/driver/ \
			   kern/trap/ \
			   kern/mm/

KSRCDIR		+= kern/init \
			   kern/libs \
			   kern/debug \
			   kern/driver \
			   kern/trap \
			   kern/mm

KCFLAGS		+= $(addprefix -I,$(KINCLUDE))

$(call add_files_cc,$(call listf_cc,$(KSRCDIR)),kernel,$(KCFLAGS))

KOBJS	= $(call read_packet,kernel libs)

# create kernel target
##将所有文件链接生成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)

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

# create bootblock
##将所有文件链接生成bootblock
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) > $(call asmfile,bootblock)
	@$(OBJCOPY) -S -O binary $(call objfile,bootblock) $(call outfile,bootblock)
	@$(call totarget,sign) $(call outfile,bootblock) $(bootblock)

$(call create_target,bootblock)

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

# create 'sign' tools
##生成sign辅助工具
$(call add_files_host,tools/sign.c,sign,sign)
$(call create_target_host,sign,sign)

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

##生成ucore.img
# 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)

# >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

$(call finish_all)

IGNORE_ALLDEPS	= clean \
				  dist-clean \
				  grade \
				  touch \
				  print-.+ \
				  handin

ifeq ($(call match,$(MAKECMDGOALS),$(IGNORE_ALLDEPS)),0)
-include $(ALLDEPS)
endif

# files for grade script

TARGETS: $(TARGETS)

.DEFAULT_GOAL := TARGETS

.PHONY: qemu qemu-nox debug debug-nox
qemu-mon: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU)  -no-reboot -monitor stdio -hda $< -serial null
qemu: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU) -no-reboot -parallel stdio -hda $< -serial null
log: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU) -no-reboot -d int,cpu_reset  -D q.log -parallel stdio -hda $< -serial null
qemu-nox: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU)   -no-reboot -serial mon:stdio -hda $< -nographic
TERMINAL        :=gnome-terminal
debug: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU) -S -s -parallel stdio -hda $< -serial null &
	$(V)sleep 2
	$(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -tui -x tools/gdbinit"
	
debug-nox: $(UCOREIMG)
	$(V)$(QEMU) -S -s -serial mon:stdio -hda $< -nographic &
	$(V)sleep 2
	$(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -x tools/gdbinit"

.PHONY: grade touch

GRADE_GDB_IN	:= .gdb.in
GRADE_QEMU_OUT	:= .qemu.out
HANDIN			:= proj$(PROJ)-handin.tar.gz

TOUCH_FILES		:= kern/trap/trap.c

MAKEOPTS		:= --quiet --no-print-directory

grade:
	$(V)$(MAKE) $(MAKEOPTS) clean
	$(V)$(SH) tools/grade.sh

touch:
	$(V)$(foreach f,$(TOUCH_FILES),$(TOUCH) $(f))

print-%:
	@echo $($(shell echo $(patsubst print-%,%,$@) | $(TR) [a-z] [A-Z]))

.PHONY: clean dist-clean handin packall tags
clean:
	$(V)$(RM) $(GRADE_GDB_IN) $(GRADE_QEMU_OUT) cscope* tags
	-$(RM) -r $(OBJDIR) $(BINDIR)

dist-clean: clean
	-$(RM) $(HANDIN)

handin: packall
	@echo Please visit http://learn.tsinghua.edu.cn and upload $(HANDIN). Thanks!

packall: clean
	@$(RM) -f $(HANDIN)
	@tar -czf $(HANDIN) `find . -type f -o -type d | grep -v '^\.*$$' | grep -vF '$(HANDIN)'`

tags:
	@echo TAGS ALL
	$(V)rm -f cscope.files cscope.in.out cscope.out cscope.po.out tags
	$(V)find . -type f -name "*.[chS]" >cscope.files
	$(V)cscope -

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