操作系统lab1实验报告
实验文档-lab1
一、思考题汇总
思考1：也许你会发现我们的readelf程序是不能解析之前生成的内核文件(内核文件是可执行文件)的，而我们之后将要介绍的工具readelf则可以解析，这是为什么呢？(提示：尝试使用readelf -h，观察不同)
答：用readelf -h解析testELF与vmlinux文件，解析结果分别如下
19375332@stu-115:~/19375332-lab$ readelf -h ./readelf/testELF
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: EXEC (Executable file)
Machine: Intel 80386
Version: 0x1
Entry point address: 0x8048490
Start of program headers: 52 (bytes into file)
Start of section headers: 4440 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 32 (bytes)
Number of program headers: 9
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 30
Section header string table index: 27
19375332@stu-115:~/19375332-lab$ readelf -h ./gxemul/vmlinux
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32
Data: 2's complement, big endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: EXEC (Executable file)
Machine: MIPS R3000
Version: 0x1
Entry point address: 0x80010000
Start of program headers: 52 (bytes into file)
Start of section headers: 37180 (bytes into file)
Flags: 0x1001, noreorder, o32, mips1
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 32 (bytes)
Number of program headers: 2
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 14
Section header string table index: 11
由解析结果可看出，testELF文件为小端存储，vmlinux为大端存储，而我们的readelf文件只能对小端存储的文件进行解析（在lab1-1-Extra中已实现解析大段存储文件的部分功能），因此无法解析vmlinux。
思考2：内核入口在什么地方？main 函数在什么地方？我们是怎么让内核进入到想要的 main 函数的呢？又是怎么进行跨文件调用函数的呢？
答：内核的入口在0x00000000处，main函数在0x80001000处。通过跳转指令跳转到main函数地址进入。在跨文件调用函数时，每个函数会有一个固定的地址，调用过程为将需要存储的值进行进栈等保护，再用jal跳转到相应函数的地址。
二、实验难点图示
EX1：
请修改include.mk文件，使交叉编译器的路径正确。之后执行make指令，如果配置一切正确，则会在gxemul目录下生成vmlinux的内核文件。
CROSS_COMPILE := /OSLAB/compiler/usr/bin/mips_4KC-
CC := $(CROSS_COMPILE)gcc
CFLAGS := -O -G 0 -mno-abicalls -fno-builtin -Wa,-xgot -Wall -fPIC -march=r3000
LD := $(CROSS_COMPILE)ld
本实验的要求为修改交叉编译器的路径，较为简单。
EX2：
阅读./readelf 文件夹中 kerelf.h、readelf.c 以及 main.c 三个文件中的代码，并完成 readelf.c 中缺少的代码，readelf 函数需要输出 elf 文件的所有 section header 的序号和其中记录的相应section的地址信息，对每个 section header，输出格式为:"%d:0x%x\n"，两个标识符分别代表序号和地址。序号即第几个section header，从0开始。
正确完成 readelf.c 代码之后，在 readelf 文件夹下执行 make 命令，即可生成可执行文件 readelf，它接受文件名作为参数，对 elf 文件进行解析。
本实验的要求在于通过阅读kerelf.h中有关elf头的代码，来找到elf文件中段头表的信息并打印（lab1-1-exam中涉及节头表）。kerelf.h中有关文件头与端头的信息如下。
typedef struct {
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* Magic number and other info */
Elf32_Half e_type; /* Object file type */
Elf32_Half e_machine; /* Architecture */
Elf32_Word e_version; /* Object file version */
Elf32_Addr e_entry; /* Entry point virtual address */
Elf32_Off e_phoff; /* Program header table file offset */
Elf32_Off e_shoff; /* Section header table file offset */
Elf32_Word e_flags; /* Processor-specific flags */
Elf32_Half e_ehsize; /* ELF header size in bytes */
Elf32_Half e_phentsize; /* Program header table entry size */
Elf32_Half e_phnum; /* Program header table entry count */
Elf32_Half e_shentsize; /* Section header table entry size */
Elf32_Half e_shnum; /* Section header table entry count */
Elf32_Half e_shstrndx; /* Section header string table index */
} Elf32_Ehdr;
typedef struct{
Elf32_Word sh_name; /* Section name */
Elf32_Word sh_type; /* Section type */
Elf32_Word sh_flags; /* Section flags */
Elf32_Addr sh_addr; /* Section addr */
Elf32_Off sh_offset; /* Section offset */
Elf32_Word sh_size; /* Section size */
Elf32_Word sh_link; /* Section link */
Elf32_Word sh_info; /* Section extra info */
Elf32_Word sh_addralign; /* Section alignment */
Elf32_Word sh_entsize; /* Section entry size */
}Elf32_Shdr;
本实验中需要用到的量为Elf32_Ehdr中的e_shoff，e_shentsize，e_shnum，sh_addr。获得地址表的流程如图。
EX3：
填写tools/scse0_3.lds中空缺的部分，将内核调整到正确的位置上。在 lab1 中，只需要填补.text、 .data 和.bss 段将内核调整到正确的位置上即可。
本实验的难点在于找到.text的位置，在mmu.h的内存布局图中，可找到.text的地址（Kernel Text，0x80010000处）。
/*
o 4G -----------> +----------------------------+------------0x100000000
o | ... | kseg3
o +----------------------------+------------0xe000 0000
o | ... | kseg2
o +----------------------------+------------0xc000 0000
o | Interrupts & Exception | kseg1
o +----------------------------+------------0xa000 0000
o | Invalid memory | /|\
o +----------------------------+----|-------Physics Memory Max
o | ... | kseg0
o VPT,KSTACKTOP-----> +----------------------------+----|-------0x8040 0000-------end
o | Kernel Stack | | KSTKSIZE /|\
o +----------------------------+----|------ |
o | Kernel Text | | PDMAP
o KERNBASE -----> +----------------------------+----|-------0x8001 0000 |
o | Interrupts & Exception | \|/ \|/
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 | Invalid memory | BY2PG |
o USTACKTOP ----> +----------------------------+------------0x7f3f e000 |
o | normal user stack | BY2PG |
o +----------------------------+------------0x7f3f d000 |
a | | |
a ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ |
a . . |
a . . kuseg
a . . |
a |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~| |
a | | |
o UTEXT -----> +----------------------------+ |
o | | 2 * PDMAP \|/
a 0 ------------> +----------------------------+ -----------------------------
o
*/
EX4：
完成boot/start.S中空缺的部分。设置栈指针，跳转到main函数。 使用gxemul -E testmips -C R3000 -M 64 elf-file运行(其中elf-file是你编译生成的vmlinux文件的路径)。关于如何退出gxemul，请看教程中“如何退出gxemul”一节。
main是mips中自带的函数标识符，在跳转时直接跳转即可。
栈指针的位置在mmu内存布局图中也能找到，在Kernel Stack处（0x80400000）。
EX5：
阅读相关代码和下面对于函数规格的说明，补全lib/print.c中lp_Print()函数中缺失的部分来实现字符输出。
lp_Print函数的实现主要包括以下几个步骤：
- 找到所有的%。
- 依照次序找到所有的
sub-specifier，并通过这些sub-specifier对相关变量进行赋值。 - 找到
specifier，并依照类别进行相应输出操作。 - 对有符号数的操作，需要根据正负来调整
negFlag。
三、体会与感想
本实验相比于lab0来说，难度略有上升，但总体来说仍然偏简单。更多的是训练我们阅读指导书，阅读代码的能力。在前四个ex中，需要填充的代码信息大多可在本目录或其他目录的文件中找到。总体而言，本实验的内容仍然处于一个较浅的层面。但是，操作系统实验是逐层深入的，本次实验会为我们之后较难的lab打下良好基础。
四、指导书反馈
在ex1-5的代码补全的注释中有这么一段：
/* we found a '%' */
/* check for long */
/* check for other prefixes */
/* check format flag */
在对%后sub-sprcifier的解析中，正确的顺序应该为flag——width——precision——length，而本注释中将check for long放在第一位，将other prefixes放于其后，会对读者产生误导，希望课程组将注释的顺序进行修正。
五、残留难点
在本次实验中，我虽然较为顺利的完成了每一个ex的代码补全，但感觉对启动过程没有建立完善的体系，且对代码的理解停留在表面，对更加底层的实现机理没有深入理解，这说明我们在完成实验之后仍然要养成多去阅读代码，理解代码的好习惯。
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