实验1 熟悉实验环境

本操作系统实验的硬件环境是IA-32(x86)架构的PC机（就是你现在正在使用的计算机），主要软件环境是Bochs + gcc + 你最喜欢的编辑器/IDE + 你最喜欢的操作系统 + Linux 0.11源代码。实验的基本流程是根据实验要求编写应用程序、修改Linux 0.11的源代码，用gcc编译后，在Bochs的虚拟环境中运行、调试目标代码。

上述实验环境涉及到的软件都是免费且开源的，具有较强的可移植性，可以在多种计算机的多种操作系统上搭建。为方便实验者，我们在最常见的平台Ubuntu（最流行的GNU/Linux发行版之一）——上制作了hit-oslab集成环境，它基本包含了实验所需的所有软件，安装过程非常简单，基本上是直接解压就可以使用。

主要平台和工具简介

x86模拟器Bochs

Bochs是一个免费且开放源代码的IA-32(x86)架构PC机模拟器。在它模拟出的环境中可以运行Linux、DOS和各种版本的Windows等多种操作系统。而Bochs本身具有很高的移植性，可以运行在多种软硬件平台之上，这也是我们选择它做为本书的指定模拟器的主要原因。如果您想拥抱自由的Linux，那么Bochs几乎是您的不二选择。如果您想继续把自己绑定在Windows平台上，那么除了Bochs，您还可以选用VMware或者Microsoft Virtual PC。它们是最著名虚拟机软件，而且都可以免费使用。因为Bochs的是模拟器，其原理决定了它的运行效率会低于虚拟机。但对于本书所设计的实验来说，效率上的差别很不明显。而且，Bochs有虚拟机无可比拟的调试操作系统的能力，所以我们更建议您选用Bochs。hit-oslab已经内置了bochs，本实验后文假定的缺省环境也是Bochs。

关于Bochs的更详细的介绍请访问它的主页及Bochs使用手册。

GCC编译器

GCC是和Linux一起成长起来的编译器。Linux最初的版本就是由GCC编译的。现在GCC也是在自由软件领域应用最广泛的编译器。所以，我们也选择GCC做为本书实验的指定编译器。

DB调试器

GDB调试器是GCC编译器的兄弟。做为自由软件领域几乎是唯一的调试器，它秉承了*nix类操作系统的一贯风格，采用纯命令行操作，有点儿类似dos下的debug。关于它的使用方法请看GDB使用手册。

Ubuntu (GNU/Linux)

Ubuntu也许不是目前最好用的Linux桌面发行版，但它一定是最流行的。主要特点是易用，非常的易用。

现在，已经有越来越多的人开始用Ubuntu完全代替Windows，享受更加自由、安全、守法的感觉。Ubuntu的主页是http://www.ubuntu.com/ ，这里不仅可以免费下载到iso文件，甚至能免费申领Ubuntu的安装光盘。

我们强烈建议您在Ubuntu下做实验。因为有些实验内容涉及到在自己改进的Linux 0.11下，运行自己编的应用程序。被改进的功能都是高版本Linux内核已经具有的，在其上确认自己编写的应用程序无误后，再用之测试自己改进的Linux 0.11，可以更有信心些。

实验环境的工作模式

hit-oslab实验环境简称oslab，是一个压缩文件（hit-oslab-linux-20110823.tar.gz），这个文件已经下载到了/home/teacher目录和/home/shiyanlou/oslab(大家一进入实验环境，就是点击左边的terminal打开终端以后，所在的目录就是/home/shiyanlou，这是大家的主目录)下，大家可以将这个文件拷贝到自己的实验工作目录下，用tar zxvf hit-oslab-linux-20110823.tar.gz命令解压展开即可工作。oslab工作在一个宿主操作系统之上，我们使用的Linux，在宿主操作系统之上完成对Linux 0.11的开发、修改和编译之后，在linux-0.11目录下会生产一个名为Image的文件，它就是编译之后的目标文件。该文件内已经包含引导和所有内核的二进制代码。如果拿来一张软盘，从它的0扇区开始，逐字节写入Image文件的内容，就可以用这张软盘启动一台真正的计算机，并进入Linux 0.11内核。oslab采用bochs模拟器加载这个Image文件，模拟执行Linux 0.11，这样省却了重新启动计算机的麻烦。

bochs目录下是与bochs相关的执行文件、数据文件和配置文件。run是运行bochs的脚本命令。运行后bochs会自动在它的虚拟软驱A和虚拟硬盘上各挂载一个镜像文件，软驱上挂载是linux-0.11/Image，硬盘上挂载的是hdc-0.11.img。因为bochs配置文件中的设置是从软驱A启动，所以Linux 0.11会被自动加载。而Linux 0.11会驱动硬盘，并mount硬盘上的文件系统，也就是将hdc-0.11.img内镜像的文件系统挂载到0.11系统内的根目录——“/”。在0.11下访问文件系统，访问的就是hdc-0.11.img文件内虚拟的文件系统。

hdc-0.11.img文件的格式是Minix文件系统的镜像。Linux所有版本都支持这种格式的文件系统，所以可以直接在宿主Linux上通过mount命令访问此文件内的文件，达到宿主系统和bochs内运行的Linux 0.11之间交换文件的效果。Windows下目前没有（或者是还没发现）直接访问Minix文件系统的办法，所以要借助于fdb.img，这是一个1.44M软盘的镜像文件，内部是FAT12文件系统。将它挂载到bochs的软驱B，就可以在0.11中访问它。而通过filedisk或者WinImage，可以在Windows下访问它内部的文件。

hdc-0.11.img内包含有：

• Bash shell
• 一些基本的Linux命令、工具，比如cp、rm、mv、tar。
• vi编辑器
• gcc 1.4编译器，可用来编译标准C程序
• as86和ld86
• Linux 0.11的源代码，可在0.11下编译，然后覆盖现有的二进制内核

使用方法

• 准备活动

$ cd ~/oslab

把当前目录切换到oslab下，用pwd命令确认，用“ls -l”列目录内容。本实验的所有内容都在本目录或其下级目录内完成。

• 编译内核

“编译内核”比“编写内核”要简单得多。首先要进入linux-0.11目录，然后执行：

$ make all

因为“all”是最常用的参数，所以可以省略，只用“make”，效果一样。

在多处理器的系统上，可以用-j参数进行并行编译，加快速度。例如双CPU的系统可以：

$ make -j 2

make命令会显示很多很多很多的信息，你可以尽量去看懂，也可以装作没看见。只要最后几行中没有“error”就说明编译成功。最后生成的目标文件是一个软盘镜像文件——linux-0.11/Image。如果将此镜像文件写到一张1.44MB的软盘上，就可以启动一台真正的计算机。

linux-0.11目录下是全部的源代码，很多实验内容都是要靠修改这些代码来完成。修改后需要重新编译内核，还是执行命令：

$ make all

make命令会自动跳过未被修改的文件，链接时直接使用上次编译生成的目标文件，从而节约编译时间。但如果重新编译后，你的修改貌似没有生效，可以试试先“make clean”，再“make all”。“make clean”是删除上一次编译生成的所有中间文件和目标文件，确保是在全新的状态下编译整个工程。

• 运行和调试

在Bochs中运行最新编译好的内核很简单，在oslab目录下执行：

$ ./run

如果出现Bochs的窗口，里面显示linux的引导过程，最后停止在“[/usr/root/]#”，表示运行成功，如下图所示。

图1 用Bochs启动Linux 0.11以后的样子

内核调试分为两种模式：汇编级调试和C语言级调试。

汇编级调试需要执行命令：

$ ./dbg-asm

可以用命令help来查看调试系统用的基本命令。更详细的信息请查阅Bochs使用手册。

C语言级调试稍微复杂一些。首先执行如下命令：

$ ./dbg-c

然后再打开一个终端窗口，进入oslab目录后，执行：

$ ./rungdb

新终端窗口中运行的是GDB调试器。关于gdb调试器请查阅GDB使用手册。

• Ubuntu和Linux 0.11之间的文件交换

oslab下的hdc-0.11-new.img是0.11内核启动后的根文件系统镜像文件，相当于在bochs虚拟机里装载的硬盘。在Ubuntu上访问其内容的方法是(大家使用sudo时，password是shiyanlou)：

$ sudo ./mount-hdc

之后，hdc目录下就是和0.11内核一模一样的文件系统了，可以读写任何文件（可能有些文件要用sudo才能访问）。读写完毕，不要忘了卸载这个文件系统：

$ sudo umount hdc

经过sudo ./mount-hdc这样处理以后，我们可以在Ubuntu的hdc目录下创建一个xxx.c文件，然后利用Ubuntu上的编辑工具（如gedit等）实现对xxx.c文件的编辑工作，在编辑保存以后。执行sudo umount hdc后，再进入Linux 0.11（即run启动bochs以后）就会看到这个xxx.c（即如下图所示），这样就避免了在Linux 0.11上进行编辑xxx.c的麻烦，因为Linux 0.11作为一个很小的操作系统，其上的编辑工具只有vi，使用起来非常不便。

图2 用Ubuntu和Linux 0.11完成文件交换以后再启动Linux 0.11以后

另外在Linux 0.11上产生的文件，如后面实验中产生的process.log文件，可以按这种方式”拿到“Ubuntu下用python程序进行处理，当然这个python程序在Linux 0.11上显然是不好使的，因为Linux 0.11上搭建不了python解释环境。

注意1：不要在0.11内核运行的时候mount镜像文件，否则可能会损坏文件系统。同理，也不要在已经mount的时候运行0.11内核。

注意2：在关闭Bochs之前，需要先在0.11的命令行运行“sync”，确保所有缓存数据都存盘后，再关闭Bochs。【即#sync，在内存中尚未更新的的数据会写入硬盘中。当然正常情况下，关闭系统时会自动进行内存数据于硬盘数据的同步检测，保证硬盘数据在关闭系统时是最新的】

=========================实验报告===============================

一，怎样在自己的电脑上搭建实验环境？

a) vm+ubuntu-12.04.1-桌面64，32位版.iso，14.04LTS也可以【测试了目前最多的Ubuntu16.04本方法不可用，sudo ./run14后Linux0.11出现死机现象，懒得去调试了，毕竟要快速进入实验环境才是目的】；

b) 登录https://github.com/DeathKing/hit-oslab，按照这上面的步骤，步骤如下；

c) 

git clone https://github.com/DeathKing/hit-oslab.git ~/hit-oslab
cd ~/hit-oslab
./setup.sh

至于完全离线版的安装等回国头来再研究；

d)如果make，make clean出错（12.04不用root），./run要前加上sudo，即赋予root权限去做就可解决；

二，Bochs是什么？

Bochs是一个x86硬件平台的开源模拟器。它可以模拟各种硬件的配置。Bochs模拟的是整个PC平台，包括I/O设备、内存和BIOS。更为有趣的是，甚至可以不使用PC硬件来运行Bochs。事实上，它可以在任何编译运行Bochs的平台上模拟x86硬件。通过改变配置，可以指定使用的CPU(386、486或者586)，以及内存大小等。一句话，Bochs是电脑里的“PC”。根据需要，Bochs还可以模拟多台PC，此外，它甚至还有自己的电源按钮。

现在不用深究它是什么，等实验做完后会明白的，现在只需有个概念：“oslab采用bochs模拟器加载这个Image文件，模拟执行Linux 0.11，这样省却了重新启动计算机的麻烦。”

三，mount是什么？

From Wikipedia, the free encyclopedia

Before a user can access a file on a Unix-like machine, the file system that contains it needs to be mounted with the mount command. Frequently mount is used for SD card, USB storage, DVD and other removable storage devices.

The mount command instructs the operating system that a file system is ready to use, and associates it with a particular point in the overall file system hierarchy (its mount point) and sets options relating to its access. Mounting makes file systems, files, directories, devices and special files available for use and available to the user. Its counterpart umount instructs the operating system that the file system should be disassociated from its mount point, making it no longer accessible and may be removed from the computer. It is important to umount a device before removing it since changes to files may have only partially been written and are completed as part of the umount.

The mount and umount commands require root user privilege to effect changes. Alternately, specific privileges to perform the corresponding action may have been previously granted by the root user. A file system can be defined as user mountable in the /etc/fstab file by the root user.

这个过程并不神秘，简单的说就是把一个文件映射到一个目录下的过程，windows下把你的USB盘插到电脑上，电脑上立即多出了一个F:盘之类的东西，这个即插即用的过程其实是mount程序在你的U盘和F:之间建立了一个联系，F:可以理解为挂载点，当我们使用完U盘后，并不是立即拔掉，而是先操作“弹出F:”这样的一个东西，然后再拔出U盘，在你点击“弹出F:”后会启动umount程序断开U盘和挂载点的联系，这样做是安全的。

四，Ubuntu和Linux 0.11之间的文件交换？

a） $ sudo ./mount-hdc  #这一步相当于把Linux0.11的文件的硬盘取下来插在本机电脑上

b） 在本机中操作，在hdc文件夹中创建文件 touch llll.txt

c） 把hdc从本机中umount

d）启动./run如下图：