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操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程

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。而这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。

 

实验目的

操作系统是一个软件，也需要通过某种机制加载并运行它。在这里我们将通过另外一个更加简单的软件-bootloader来完成这些工作。为此，我们需要完成一个能够切换到x86的保护模式并显示字符的bootloader，为启动操作系统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个字节，这样才能放到硬盘的主引导扇区中。通过分析和实现这个bootloader和ucore OS，读者可以了解到：

 

    计算机原理

        CPU的编址与寻址: 基于分段机制的内存管理

        CPU的中断机制

        外设：串口/并口/CGA，时钟，硬盘

 

    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上显示字符串

 

    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：在汇编级了解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

 

实验步骤及运行结果

 

练习1：理解通过make生成执行文件的过程。

   操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第1张图片

   操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第2张图片

1.     操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的？(需要比较详细地解释Makefile中每一条相关命令和命令参数的含义，以及说明命令导致的结果)

      通过观察，发现文件是先由c语言文件通过gcc编译，之后两次链接生成两个o文件，最后生成ucore.img

2.一个被系统认为是符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么？

 

操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第3张图片

        大小为512字节，后两位为固定的0X55 0XAA

练习2：使用qemu执行并调试lab1中的软件。

       1.从CPU加电后执行的第一条指令开始，单步跟踪BIOS的执行。

       操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第4张图片

       Makedebug 即可单步跟踪

       2.在初始化位置0x7c00设置实地址断点,测试断点正常。

      从0x7c00开始跟踪代码运行,将单步跟踪反汇编得到的代码与bootasm.S和 bootblock.asm进行比较。

      操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第5张图片 

      操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第6张图片

      断点设置正常，反汇编代码和bootasm中一样

练习3：分析bootloader进入保护模式的过程

    

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第7张图片

 

     1等待8042 Input buffer为空；

     2发送Write 8042 Output Port （P2）命令到8042 Input buffer；

     3等待8042 Input buffer为空；

     4将8042 Output Port（P2）得到字节的第2位置1，然后写入8042 Input buffer；

     操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第8张图片

     初始化GDT表

     将CR0的标志位置1即可进入保护模式

练习4：分析bootloader加载ELF格式的OS的过程

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第9张图片

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第10张图片

    读取磁盘扇区

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第11张图片

    

    根据elf文件的头文部e_magic和一个固定值比较，如果一样那么此文件就是elf文件

练习5：实现函数调用堆栈跟踪函数

    修改kdebug.c中的函数

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第12张图片

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第13张图片

    成功打印出

练习6：完善中断初始化和处理

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第14张图片

    中断描述符表一个表项占8字节。其中0~15位和48~63位分别为offset的低16位和高16位。16~31位为段选择子。

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第15张图片

操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第16张图片

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第17张图片

    结果成功打印

    操作系统实验 ucore lab1 系统软件启动过程_第18张图片

 

 

 

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