MIT 6.828 Lab1 Part1-526互联

Part 1：PC Bootstrap

第一个练习的目的是向你介绍 x86 汇编语言和 PC 启动过程，并让你开始使用 QEMU 和 QEMU/GDB 调试。在这部分实验中，你不必编写任何代码，但为了加深理解，你还是应该做一遍，并准备好回答下面的问题。

x86汇编入门

如果您还不熟悉 x86 汇编语言，那么在本课程中您将很快熟悉它！个人电脑汇编语言》一书是一个很好的起点。希望这本书能为你提供新旧资料的结合。

警告：遗憾的是，书中的示例是为 NASM 汇编语言编写的，而我们将使用 GNU 汇编语言。NASM 使用所谓的 Intel 语法，而 GNU 使用 AT&T 语法。虽然在语义上是等同的，但汇编文件至少在表面上会有很大的不同，这取决于使用的是哪种语法。幸运的是，这两种语法之间的转换非常简单，Brennan 的《内联汇编指南》中对此有所介绍。

练习 1.熟悉 6.828 参考页面上的汇编语言资料。你不必现在就阅读它们，但在阅读和编写 x86 汇编程序时，你几乎肯定要参考其中的一些材料。

我们建议您阅读 Brennan's Guide to Inline Assembly 中的 "语法 "部分。它对我们将在 JOS 中与 GNU 汇编程序一起使用的 AT&T 汇编语法作了很好（但相当简短）的描述。

当然，x86 汇编语言编程的权威参考资料是英特尔的指令集体系结构参考资料，您可以在 6.828 参考资料页面上找到它的两种版本：旧版 80386 程序员参考手册的 HTML 版，它比最新的手册更简短、更易于浏览，但描述了我们将在 6.828 中使用的所有 x86 处理器功能；以及英特尔完整、最新、最棒的 IA-32 英特尔体系结构软件开发人员手册，它涵盖了我们在课堂上用不上、但您可能感兴趣的最新处理器的所有功能。828；以及英特尔公司提供的完整的、最新的和最好的 IA-32 英特尔体系结构软件开发人员手册，涵盖了最新处理器的所有功能，这些功能我们在课堂上用不上，但你可能有兴趣了解。AMD 也提供了相应的手册（通常更友好）。请将英特尔/AMD 架构手册留作以后使用，或在需要查找特定处理器功能或指令的权威解释时用作参考。

模拟x86

我们不在真实的个人电脑（PC）上开发操作系统，而是使用一个能忠实模拟完整个人电脑的程序：你为模拟器编写的代码也能在真实的个人电脑上启动。使用仿真器可以简化调试；例如，你可以在仿真的 x86 内设置断点，而这在硅版本的 x86 上是很难做到的。

在 6.828 中，我们将使用 QEMU 仿真器，这是一个现代且相对快速的仿真器。虽然 QEMU 的内置监视器只能提供有限的调试支持，但 QEMU 可以充当 GNU 调试器 (GDB) 的远程调试目标，我们将在本实验中使用 GDB 来逐步完成早期启动过程。

要开始实验，请按照上文 "软件设置 "中的说明，将实验 1 文件解压缩到雅典娜上自己的目录中，然后在实验目录中键入 make（或 BSD 系统中的 gmake）来构建最小的 6.828 引导加载器和内核。(把我们在这里运行的代码称为 "内核 "有点夸张，但我们会在整个学期中充实它）。

若我们是自己是在虚拟机中clone了实验的代码，只需要进入源代码的目录，输入make就可以了，输出如下：

(如果出现类似 "undefined reference to `__udivdi3'"的错误，可能是因为没有 32 位 gcc multilib。如果运行的是 Debian 或 Ubuntu，请尝试安装 gcc-multilib 软件包）。

现在，你可以运行 QEMU，将上面创建的 obj/kern/kernel.img 文件作为仿真电脑 "虚拟硬盘 "的内容。该硬盘映像包含引导加载器（obj/boot/boot）和内核（obj/kernel）。

在实验的目录下输入make qemu：

从硬盘启动...... "之后的所有内容都是由我们的骨架 JOS 内核打印的；K> 是由我们内核中的小型监视器或交互式控制程序打印的提示。如果使用 make qemu，内核打印的这些行将同时出现在运行 QEMU 的常规 shell 窗口和 QEMU 显示窗口中。这是因为出于测试和实验室评分的目的，我们设置 JOS 内核不仅将控制台输出写入虚拟 VGA 显示屏（如 QEMU 窗口所示），而且写入模拟 PC 的虚拟串行端口，QEMU 再将其输出到自己的标准输出。同样，JOS 内核会接受键盘和串行端口的输入，因此你可以在 VGA 显示窗口或运行 QEMU 的终端上向它下达命令。另外，你也可以通过运行 make qemu-nox 来使用串行控制台，而不使用虚拟 VGA。如果你是通过 SSH 接入雅典娜拨号系统，这可能会很方便。要退出 qemu，请键入 Ctrl+a x。

内核监视器只有两个命令：help（帮助）和 kerninfo（内核信息）。

help 命令显而易见，我们稍后将讨论 kerninfo 命令所打印内容的含义。内核监视器虽然简单，但需要注意的是，它是在模拟 PC 的 "原始（虚拟）硬件 "上 "直接 "运行的。这意味着你可以将 obj/kern/kernel.img 的内容复制到真实硬盘的前几个扇区，然后将硬盘插入真实电脑，打开电脑，在电脑的真实屏幕上看到与 QEMU 窗口中完全相同的内容。(不过，我们不建议你在硬盘上有有用信息的真实计算机上这样做，因为将 kernel.img 复制到硬盘的开头会破坏主引导记录和第一个分区的开头，从而导致硬盘上的所有信息丢失！）。

PC内存地址空间

现在，我们将深入探讨有关 PC 启动方式的更多细节。个人电脑的物理地址空间布局如下：

第一代 PC 基于 16 位英特尔 8088 处理器，只能寻址 1MB 的物理内存。因此，早期 PC 的物理地址空间以 0x00000000 开始，但以 0x000FFFFF 结束，而不是 0xFFFFFFFF。标有 "低内存 "的 640KB 区域是早期 PC 可以使用的唯一随机存取内存（RAM）；事实上，最早的 PC 只能配置 16KB、32KB 或 64KB 的 RAM！

从 0x000A0000 到 0x000FFFFF 的 384KB 区域由硬件保留，用于视频显示缓冲区和非易失性内存中的固件等特殊用途。保留区域中最重要的部分是基本输入/输出系统（BIOS），它占据了从 0x000F0000 到 0x000FFFFF 的 64KB 区域。在早期的个人电脑中，BIOS 保存在真正的只读存储器 (ROM) 中，但目前的个人电脑将 BIOS 保存在可更新的闪存中。BIOS 负责执行基本的系统初始化，如激活显卡和检查内存的安装量。完成初始化后，BIOS 会从软盘、硬盘、光盘或网络等适当位置加载操作系统，并将机器的控制权交给操作系统。

当英特尔公司最终以分别支持 16MB 和 4GB 物理地址空间的 80286 和 80386 处理器 "打破了一百万字节的障碍 "时，个人电脑架构师仍然保留了低 1MB 物理地址空间的原始布局，以确保与现有软件的向后兼容性。因此，现代 PC 的物理内存空间从 0x000A0000 到 0x00100000之间有一个 "洞"，将 RAM 划分为 "低 "或 "常规内存"（前 640KB）和 "扩展内存"（其他）。此外，电脑 32 位物理地址空间最顶端的一些空间，即所有物理 RAM 的上方，现在通常被 BIOS 保留给 32 位 PCI 设备使用。

最新的 x86 处理器可支持超过 4GB 的物理 RAM，因此 RAM 可以进一步扩展到 0xFFFFFFFF 以上。在这种情况下，BIOS 必须在 32 位可寻址区域的顶部为系统 RAM 留出第二个孔，以便为这些 32 位设备留出映射空间。由于设计上的限制，JOS 只能使用个人电脑物理内存的前 256MB，所以现在我们就假设所有个人电脑都 "只有 "一个 32 位物理地址空间。但是，处理复杂的物理地址空间和多年来硬件组织的其他方面，是操作系统开发的重要实际挑战之一。

The ROM BIOS

在本部分实验中，您将使用 QEMU 的调试工具来研究 IA-32 兼容计算机的启动过程。

打开两个终端窗口，将两个 shell 都 cd 到实验室目录。在其中一个窗口中输入 make qemu-gdb（或 make qemu-nox-gdb）。这将启动 QEMU，但 QEMU 会在处理器执行第一条指令前停止，等待来自 GDB 的调试连接。在第二个终端，从运行 make 的同一目录，运行 make gdb。你应该会看到类似下面的内容：

第一个终端输入：make qemu-gdb，其将会停留在第一步

第二个终端输入：make gdb

第一行：[f000:fff0] 0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b

是 GDB 对要执行的第一条指令的反汇编。从输出结果中可以得出一些结论：

IBM PC 从物理地址 0x000ffff0 开始执行，该地址位于为 ROM BIOS 预留的 64KB 区域的最顶端。
PC 以 CS = 0xf000 和 IP = 0xfff0 开始执行。
执行的第一条指令是 jmp 指令，它跳转到 CS = 0xf000 和 IP = 0xe05b 的分段地址。

QEMU 为什么这样启动？英特尔就是这样设计 8088 处理器的，IBM 在最初的 PC 中也使用了这种处理器。因为 PC 中的 BIOS 是 "硬连接 "到物理地址范围 0x000f0000-0x000fffff 的，这种设计确保了 BIOS 在开机或任何系统重启后总是能首先获得机器的控制权，这一点至关重要，因为开机时，机器的 RAM 中没有其他软件可供处理器执行。QEMU 模拟器自带 BIOS，并将其置于处理器模拟物理地址空间中的该位置。处理器复位时，（模拟）处理器会进入实模式，并将 CS 设置为 0xf000，将 IP 设置为 0xfff0，这样执行就从该（CS:IP）段地址开始。分段地址 0xf000:fff0 如何变成物理地址？
$$
16*0xf000+0xfff0=0xffff0
$$

exercise 2

使用 GDB 的 si（步骤指令）命令跟踪 ROM BIOS 中的其他指令，并尝试猜测它可能在做什么。您可能需要查看 Phil Storrs 的 I/O 端口说明，以及 6.828 参考资料页面上的其他资料。无需弄清所有细节，只需先了解 BIOS 正在做什么的总体思路。

工具：gdb

gdb常用调试命令：

list（显示程序源代码）

break：在程序中设置断点，使用格式：break 要设置断点的行数

next/nexti：继续执行语句，跳过子程序的调用

step/stepi：与next一致，但是会跟踪到子程序的内部

continue：使程序暂停在断点之后继续运行

该实验中，输入si，逐句执行，查看反汇编代码。

反汇编代码：

[f000:fff0] 0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b

[f000:e05b] 0xfe05b: cmpl $0x0,%cs:0x6ac8 ；0x0与f000:0x6ac8的值比较

[f000:e062] 0xfe062: jne 0xfd2e1 ；若不相等，则跳转至0xfd2e1