lab1_report

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Charles Lv7
  2023-03-07 12:38:53 2023-03-07 12:38:53 Created   2023-11-05 21:36:18 2023-11-05 21:36:18 Updated      3k Words  13 Mins  

lab1_report

lab_thinkings

Thinking 1.1

question

请阅读附录中的编译链接详解，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），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。

answer
尝试使用x86工具链和MIPS交叉编译工具链
1. 创建新文件main.c
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int main(){
	int a=1;
	int b=2;
	int c=a+b;
	return 0;
}
2.使用x86工具链

首先使用gcc -c main.c指令形成main.o文件，之后使用objdump -DS main.o进行反汇编。就能得到如下结果：

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Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
   0:   f3 0f 1e fa             endbr64 
   4:   55                      push   %rbp
   5:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   8:   c7 45 f4 01 00 00 00    movl   $0x1,-0xc(%rbp)
   f:   c7 45 f8 02 00 00 00    movl   $0x2,-0x8(%rbp)
  16:   8b 55 f4                mov    -0xc(%rbp),%edx
  19:   8b 45 f8                mov    -0x8(%rbp),%eax
  1c:   01 d0                   add    %edx,%eax
  1e:   89 45 fc                mov    %eax,-0x4(%rbp)
  21:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  26:   5d                      pop    %rbp
  27:   c3                      ret    

Disassembly of section .comment:

0000000000000000 <.comment>:
   0:   00 47 43                add    %al,0x43(%rdi)
   3:   43 3a 20                rex.XB cmp (%r8),%spl
   6:   28 55 62                sub    %dl,0x62(%rbp)
   9:   75 6e                   jne    79 <main+0x79>
   b:   74 75                   je     82 <main+0x82>
   d:   20 31                   and    %dh,(%rcx)
   f:   31 2e                   xor    %ebp,(%rsi)
  11:   33 2e                   xor    (%rsi),%ebp
  13:   30 2d 31 75 62 75       xor    %ch,0x75627531(%rip)        # 7562754a <main+0x7562754a>
  19:   6e                      outsb  %ds:(%rsi),(%dx)
  1a:   74 75                   je     91 <main+0x91>
  1c:   31 7e 32                xor    %edi,0x32(%rsi)
  1f:   32 2e                   xor    (%rsi),%ch
  21:   30 34 29                xor    %dh,(%rcx,%rbp,1)
  24:   20 31                   and    %dh,(%rcx)
  26:   31 2e                   xor    %ebp,(%rsi)
  28:   33 2e                   xor    (%rsi),%ebp
  2a:   30 00                   xor    %al,(%rax)

Disassembly of section .note.gnu.property:

0000000000000000 <.note.gnu.property>:
   0:   04 00                   add    $0x0,%al
   2:   00 00                   add    %al,(%rax)
   4:   10 00                   adc    %al,(%rax)
   6:   00 00                   add    %al,(%rax)
   8:   05 00 00 00 47          add    $0x47000000,%eax
   d:   4e 55                   rex.WRX push %rbp
   f:   00 02                   add    %al,(%rdx)
  11:   00 00                   add    %al,(%rax)
  13:   c0 04 00 00             rolb   $0x0,(%rax,%rax,1)
  17:   00 03                   add    %al,(%rbx)
  19:   00 00                   add    %al,(%rax)
  1b:   00 00                   add    %al,(%rax)
  1d:   00 00                   add    %al,(%rax)
        ...

Disassembly of section .eh_frame:

0000000000000000 <.eh_frame>:
   0:   14 00                   adc    $0x0,%al
   2:   00 00                   add    %al,(%rax)
   4:   00 00                   add    %al,(%rax)
   6:   00 00                   add    %al,(%rax)
   8:   01 7a 52                add    %edi,0x52(%rdx)
   b:   00 01                   add    %al,(%rcx)
   d:   78 10                   js     1f <.eh_frame+0x1f>
   f:   01 1b                   add    %ebx,(%rbx)
  11:   0c 07                   or     $0x7,%al
  13:   08 90 01 00 00 1c       or     %dl,0x1c000001(%rax)
  19:   00 00                   add    %al,(%rax)
  1b:   00 1c 00                add    %bl,(%rax,%rax,1)
  1e:   00 00                   add    %al,(%rax)
  20:   00 00                   add    %al,(%rax)
  22:   00 00                   add    %al,(%rax)
  24:   28 00                   sub    %al,(%rax)
  26:   00 00                   add    %al,(%rax)
  28:   00 45 0e                add    %al,0xe(%rbp)
  2b:   10 86 02 43 0d 06       adc    %al,0x60d4302(%rsi)
  31:   5f                      pop    %rdi
  32:   0c 07                   or     $0x7,%al
  34:   08 00                   or     %al,(%rax)
3.使用MIPS交叉编译工具链

首先使用mips-linux-gnu-gcc -c main.c指令形成main.o文件，之后使用mips-linux-gnu-objdump -DS main.o进行反汇编。就能得到如下结果：

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main.o：     文件格式 elf32-tradbigmips


Disassembly of section .text:

00000000 <main>:
   0:	27bdffe8 	addiu	sp,sp,-24
   4:	afbe0014 	sw	s8,20(sp)
   8:	03a0f025 	move	s8,sp
   c:	24020001 	li	v0,1
  10:	afc20004 	sw	v0,4(s8)
  14:	24020002 	li	v0,2
  18:	afc20008 	sw	v0,8(s8)
  1c:	8fc30004 	lw	v1,4(s8)
  20:	8fc20008 	lw	v0,8(s8)
  24:	00621021 	addu	v0,v1,v0
  28:	afc2000c 	sw	v0,12(s8)
  2c:	00001025 	move	v0,zero
  30:	03c0e825 	move	sp,s8
  34:	8fbe0014 	lw	s8,20(sp)
  38:	27bd0018 	addiu	sp,sp,24
  3c:	03e00008 	jr	ra
  40:	00000000 	nop
	...

Disassembly of section .reginfo:

00000000 <.reginfo>:
   0:	e000000c 	sc	zero,12(zero)
	...

Disassembly of section .MIPS.abiflags:

00000000 <.MIPS.abiflags>:
   0:	00002002 	srl	a0,zero,0x0
   4:	01010005 	lsa	zero,t0,at,0x1
	...

Disassembly of section .pdr:

00000000 <.pdr>:
   0:	00000000 	nop
   4:	40000000 	mfc0	zero,c0_index
   8:	fffffffc 	0xfffffffc
	...
  14:	00000018 	mult	zero,zero
  18:	0000001e 	0x1e
  1c:	0000001f 	0x1f

Disassembly of section .comment:

00000000 <.comment>:
   0:	00474343 	0x474343
   4:	3a202855 	xori	zero,s1,0x2855
   8:	62756e74 	0x62756e74
   c:	75203130 	jalx	480c4c0 <main+0x480c4c0>
  10:	2e332e30 	sltiu	s3,s1,11824
  14:	2d317562 	sltiu	s1,t1,30050
  18:	756e7475 	jalx	5b9d1d4 <main+0x5b9d1d4>
  1c:	31292031 	andi	t1,t1,0x2031
  20:	302e332e 	andi	t6,at,0x332e
  24:	地址 0x0000000000000024 越界。


Disassembly of section .gnu.attributes:

00000000 <.gnu.attributes>:
   0:	41000000 	mftc0	zero,c0_index
   4:	0f676e75 	jal	d9db9d4 <main+0xd9db9d4>
   8:	00010000 	sll	zero,at,0x0
   c:	00070405 	0x70405
对objdump的参数简单介绍

objdump命令的常用参数有以下几个：

参数 含义
-d 将代码段反汇编 反汇编那些应该还有指令机器码的section
-D 与 -d 类似，但反汇编所有section
-S 将代码段反汇编的同时，将反汇编代码和源代码交替显示，源码编译时需要加-g参数，即需要调试信息
-C 将C++符号名逆向解析
-l 反汇编代码中插入源代码的文件名和行号
-j section: 仅反编译所指定的section，可以有多个-j参数来选择多个section

因此，指导书上的objdump -DS [executable file]这一命令中-DS表示将所有的section反汇编，并将反汇编代码和原码交替显示。

Thinking 1.2

question

思考下述问题：

  • 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。

  • 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）

answer
解析target/mos

在target目录下运行readelf -h mos的结果如下：

image-20230307171735319

用我们自己编写的readelf解析如下：

image-20230307181914115

解析tools/readelf/hello和tools/readelf/readelf并比较区别

在tools/readelf目录下运行readelf -h hello的结果如下：

image-20230307172451136

在tools/readelf目录下运行readelf -h readelf的结果如下：

image-20230307172606602

通过观察发现，两个程序的类别不同，且readelf文件的类型为DYN而非EXEC，所以合理推断这是readelf不能解析自己的原因，文件类型不匹配。

Thinking 1.3

question

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？

（提示：思考实验中启动过程的两阶段分别由谁执行。）

answer

因为我们在kernel.lds中设置好了各个节被加载的位置，即最终的segment地址，同时使用了ENTRY(_start)指定了程序入口（即内核入口），最终保证了内核入口能够被正确跳转。

lab_difficulties

lab1本身题目不难，难度在于如何理解源码乃至其背后的原理。主要难点包括如何使用指针来获取ELF文件中各个section和segment中的数据和printk实现逻辑的梳理。

lab1叫做操作系统的启动，但由于GXemul本身提供了bootloader的功能，所以lab1的任务可以简化为加载内核到内存和跳转到内核的入口两个任务。

常规的启动流程涉及 bootloader 对软硬件的初始化，十分复杂。但 MOS 运行的环境是 GXemul 模拟器。 GXemul 支持直接加载 ELF 格式的内核，因此我们只需要把内核编译成正确的 ELF 可执行文件就可以启动了

从操作系统角度理解 MIPS 体系结构

首先是对于lab1非常重要的一张图：

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/*
 * Part 2.  Our conventions.
 */

/*
 o     4G ----------->  +----------------------------+------------0x100000000
 o                      |       ...                  |  kseg2
 o      KSEG2    -----> +----------------------------+------------0xc000 0000
 o                      |          Devices           |  kseg1
 o      KSEG1    -----> +----------------------------+------------0xa000 0000
 o                      |      Invalid Memory        |   /|\
 o                      +----------------------------+----|-------Physical Memory Max
 o                      |       ...                  |  kseg0
 o      KSTACKTOP-----> +----------------------------+----|-------0x8040 0000-------end
 o                      |       Kernel Stack         |    | KSTKSIZE
  /|\
 o                      +----------------------------+----|------
   |
 o                      |       Kernel Text          |    |
 PDMAP
 o      KERNBASE -----> +----------------------------+----|-------0x8001 0000    |
 o                      |      Exception Entry       |   \|/
  \|/
 o      ULIM     -----> +----------------------------+------------0x8000 0000-------
 o                      |         User VPT           |     PDMAP
  /|\
 o      UVPT     -----> +----------------------------+------------0x7fc0 0000    |
 o                      |           pages            |     PDMAP
   |
 o      UPAGES   -----> +----------------------------+------------0x7f80 0000    |
 o                      |           envs             |     PDMAP
   |
 o  UTOP,UENVS   -----> +----------------------------+------------0x7f40 0000    |
 o  UXSTACKTOP -/       |     user exception stack   |     BY2PG
   |
 o                      +----------------------------+------------0x7f3f f000    |
 o                      |                            |     BY2PG
   |
 o      USTACKTOP ----> +----------------------------+------------0x7f3f e000    |
 o                      |     normal user stack      |     BY2PG
   |
 o                      +----------------------------+------------0x7f3f d000    |
 a                      |                            |
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 a                      .                            .
 kuseg
 a                      .                            .
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 a                      |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|
   |
 a                      |                            |
   |
 o       UTEXT   -----> +----------------------------+------------0x0040 0000    |
 o                      |      reserved for COW      |     BY2PG
   |
 o       UCOW    -----> +----------------------------+------------0x003f f000    |
 o                      |   reversed for temporary   |     BY2PG
   |
 o       UTEMP   -----> +----------------------------+------------0x003f e000    |
 o                      |       invalid memory       |
  \|/
 a     0 ------------>  +----------------------------+ ----------------------------
 o
*/

这张图记录了我们lab1实验中的内存布局图，也是我们lab1的最大难点的解决利器，我们要学会利用这张图链接到正确的位置上。

掌握 ELF 文件的结构和功能

ELF 是一种用于可执行文件、目标文件和库的文件格式。ELF 格式是是 UNIX 系统实验室作为 ABI(Application Binary Interface)而开发和发布的，现在早已经是 Linux 下的标准格式了。我们在之前曾经看见过的.o 文件就是 ELF 所包含的三种文件类型中的一种，称为可重定位 (relocatable) 文件，其它两种文件类型分别是可执行 (executable) 文件和共享对象 (shared object) 文件，这两种文件都需要链接器对可重定位文件进行处理才能生成。下图时ELF文件的基本结构——

img

这里，我们再补充一下关于 ELF 文件中节（section）的概念。在链接过程中，目标文件被看成节的集合，并使用节头表来描述各个节的组织。换句话说，节记录了在链接过程中所需要的必要信息。

节名称 功能
.text 保存可执行文件的操作指令。
.data 保存已初始化的全局变量和静态变量。
.bss 保存未初始化的全局变量和静态变量。

完成 printk 函数的编写

可能是被OO影响，感觉printk的编写特别像递归下降的文法读入，所以实际编写时注重细节对每个参数分类处理即可。具体流程可以参考下面这张流程图。

img

我们的printk()函数时通过调用print.c文件中定义的 vprintfmt()函数来实现打印的，这个vprintfmt()函数实现了printf的核心逻辑，虽然函数很长，但是逻辑并不复杂。实际上就是，遍历一遍格式字符串fmt，如果没有遇到\0或者%就直接打印到终端，如果遇到%就按照%[flags][width][length]<specifier>的形式进行输出格式的解析，并以这种输出格式打印从可变参数列表获得的参数；如果遇到\n就结束整个打印过程。

lab_summary

MOS内核文件组织

目录 功能
init 目录 内核初始化相关代码
include 目录 存放系统头文件
lib 目录 存放一些常用的库函数，包括 vprintfmt
kern 目录 存放内核的主体代码
tests 目录 存放测试程序
tools 目录 存放一些实用工具，包括 readelf该目录下的 C 程序使用原生工具链构建（而非交叉编译），在宿主环境（而非 GXemul）下运行
target 目录 存放编译的产物
Makefile 用于组装 MOS 内核的 Makefile 文件

make用法

指令 功能
make run 使用 GXemul 仿真内核
make dbg 以调试模式启动 GXemul
make objdump 将内核镜像反汇编并输出到 target/mos.objdump 中
make clean 清空编译器构建的文件，以待重新编译

总结

Lab1主要让我们学习操作系统启动的基本流程、掌握ELF文件的结构和功能，以及最终完成一个printf函数的书写。本次Lab花费时间大约为8个小时，大多数时间都花在阅读源代码和思考源代码的逻辑上。由于完成每个功能依赖的代码文件不止一个，而且在vim中阅读代码终归不如在vscode等图形化编辑器上方便，因此给代码阅读和理解带来了不小的麻烦。此外，课程组提供的源代码中大量使用了“指针”，也给代码的理解带来了一定的困难。

  • Title: lab1_report
  • Author: Charles
  • Created at : 2023-03-07 12:38:53
  • Updated at : 2023-11-05 21:36:18
  • Link: https://charles2530.github.io/2023/03/07/lab1-report/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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