操作系统实验 1

本文最后更新于 2 年前，文中所描述的信息可能已发生改变。

选择了唯一的 Challenge。

Exercise 2 ​

BIOS 在初始化 %ss 与 %esp 寄存器，并通过一系列 in/out 指令设置输入输出。

Exercise 3 ​

Question 1 ​

执行 ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg 后进入 32 位代码。

这是通过 seta20.1 和 seta20.2 打开 A20，并切换到保护模式实现的。

Question 2 ​

bootloader 的最后一条指令是 call *0x10018，对应着 bootmain() 函数的 ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry))() 语句。

内核的第一条指令是 movw $0x1234,0x472。

Question 3 ​

内核的第一条指令位于 0x10000c。

Question 4 ​

在 bootmain 函数中，读取 elf 文件头。然后，根据 elf 文件头的信息，去读取各个程序段头。最终，通过程序段头的 memsz 信息，获知每个程序段的大小，并以此在 readseg() 函数算出扇区数。

Exercise 5 ​

第一条执行错误的指令是 lgdt gdtdesc。

第一条“break”的指令是 ljmp $PROT_MODE_CSEG,$protcseg，也即 ljmp $0x8,$0x7c36。

因为这一行指令不是位置无关代码，而 protecseg 链接到了错误的位置。

Exercise 6 ​

bootloader 的 bootmain() 函数的 for 循环的第一次运行，会读取内核 .text 段的前 29058 字节到 0x100000。这 8 个字即是内核 .text 段的前 8 个字。

Exercise 7 ​

指令 jmp *%eax 会发生异常。

Exercise 8 ​

在 lib/printfmt.c 文件中有一 vprintfmt() 函数，其中 switch 的 case 'o' 修改如下：

case 'o':
    num = getuint(&ap, lflag);
    base = 8;
    goto number;

Question 1 ​

在 kern/printf.c 和 kern/console.c 之间的接口是 cputchar() 函数。具体来说，是这样的：

1. kern/console.c 中的 cputchar() 函数实质上是 cons_putc() 的套壳。后者在控制台中输出一个字符。
2. kern/printf.c 中有 putch() 函数，实质上是 cputchar() 的套壳。
3. putch()的函数指针作为vprintfmt()的第一个参数。后者又被vcprintf()` 调用。
4. vcprintf() 又被 cprintf() 调用。

Question 2 ​

在已输出的字符数大于 CRT_SIZE 时，将屏幕滚动一行。

Question 3 ​

1. 参数 fmt 指向格式化字符串 "x %d, y %x, z %d\n"；ap 指向变参结构体。

cprintf()
    vcprintf()
        cons_putc('x')
        cons_putc(' ')
        va_arg(), ap 由指向 x 变为指向 y
        cons_putc('1')
        cons_putc(',')
        cons_putc(' ')
        cons_putc('y')
        cons_putc(' ')
        va_arg(), ap 由指向 y 变为指向 z
        cons_putc('3')
        cons_putc(',')
        cons_putc(' ')
        cons_putc('z')
        cons_putc(' ')
        va_arg(), ap 由指向 z 变为指向我们不知道的东西
        cons_putc('4')
        cons_putc('\n')

Question 4 ​

输出 He110 World。具体过程如下：

1. 输出 H。
2. 输出 57616 的十六进制 e110。
3. 输出 Wo。
4. i 在小端序机器上，地址从低到高为 4 个字节：0x72 0x6c 0x64 0x00，（在 ASCII 码）恰好可以视为长度为 3 的空终止字符串 rld。又考虑到格式化字符串中的转换说明 %s，这一步输出 rld。 如果是大端序，那么 i 应当设为 0x726c6400。57616 不必改变。

Question 5 ​

将会输出我们不知道的值。具体来说，如果参数 3 的地址为 byte *ptr，则会输出 ptr + 4 指向的，类型为 int 的值。

解释：在当前 ABI 中，函数参数全部使用栈传参，且从右向左压栈。因此，在输出 x= 后，va_arg 会获取值 3，并将变参列表指针 ap 向上移动 4 字节。在输出 y= 后，va_arg 会获取 ptr + 4 指向的值。

Question 6 ​

cprintf(..., const char *fmt)，其中可变参数需要倒着输入。例如，为了输出 x 和 y 的值，需要：

cprintf(y, x, "x=%d, y=%d");

Exercise 9 ​

在 kern/entry.S 的 relocated 函数中，有一行指令：

movl   $(bootstacktop),%esp

在此初始化内核栈。

在 .data 段中，静态地保留了 KSTKSIZE 大小的空间作为内核栈。

栈指针初始化时，指向上述空间的最高处。

Exercise 10 ​

分别是参数 x - 1，返回地址、%ebp 和 %esi。共计 4 个 32位字。

Exercise 11 and 12 ​

对于 mon_backtrace 编写如下：

int mon_backtrace(int argc, char **argv, struct Trapframe *tf)
{
    struct Eipdebuginfo debug_info;
    cprintf("Stack backtrace:\n");

    uint32_t *ebp = (uint32_t *)read_ebp();
    while ((uint32_t)ebp != 0)
    {
        uint32_t eip = *(ebp + 1), arg_1 = *(ebp + 2), arg_2 = *(ebp + 3),
                    arg_3 = *(ebp + 4), arg_4 = *(ebp + 5), arg_5 = *(ebp + 6);
        cprintf("  ebp %08x  eip %08x  args %08x %08x %08x %08x %08x\n", ebp,
                eip, arg_1, arg_2, arg_3, arg_4, arg_5);

        debuginfo_eip(eip, &debug_info);

        cprintf("         %s:%d: %.*s+%d\n", debug_info.eip_file,
                debug_info.eip_line, debug_info.eip_fn_namelen,
                debug_info.eip_fn_name, eip - debug_info.eip_fn_addr);
        ebp = (uint32_t *)(*ebp);
    }
    return 0;
}

第 6 行用于获取当前的 %ebp。

while 循环的终止条件是 %ebp == 0，因为 relocated 的 %ebp 为 0。

第 9 ~ 12 行是获取和打印 %eip 以及 5 个参数的过程。

第 14 ~ 18 行是获取和打印 %eip 以及 5 个参数的过程。

第 19 行用于获取上一层函数的 %ebp，因为这一层函数的第一个语句即是 push %ebp。

再在 debuginfo_eip 补充如下的代码，用于获取对应的行号：

stab_binsearch(stabs, &lline, &rline, N_SLINE, addr);

if (lline <= rline)
    info->eip_line = lline;
else
    info->eip_line = -1;

Challenge ​

为了在 VGA 字符模式向屏幕打印字符，我们必须将它写入硬件提供的 VGA 字符缓冲区。VGA 字符缓冲区中的每一个字符单元为 2 字节，有如下的格式：

可以在 kern/console.c 中的 cga_putc() 函数看到如下语句：

if (!(c & ~0xFF))
    c |= 0x700;

此即硬编码的黑底白字。为了更改输出颜色，我添加了一个 color 命令，类似 Windows 的 COLOR 命令，支持以下三种输入：

1. color 恢复默认的黑底白字。
2. color <fg color> 改变前景色。<fg color> 的值可以为 0 ~ f。
3. color <fg color> <bg color> 改变前景色和背景色。<fg color> 的值可以为 0 ~ f，<bg color> 的值可以为 0 ~ 7。

color 命令会检查参数是否合法，并保证前景色与背景色不同。

color 命令的详细实现见代码。这里只说思路：

1. 加入全局变量 fg_color, bg_color，并将硬编码的黑底白字修改为：

if (!(c & ~0xFF))
    c |= (fg_color << 8) | (bg_color << 12);

2. 使用 color 命令修改全局变量 fg_color, bg_color。

效果如图：

color 命令