MIT 6.828 Lab1 Part1

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

[f000:e066] 0xfe066: xor %dx,%dx ；对dx寄存器本身进行异或运算，结果为0

[f000:e068] 0xfe068: mov %dx,%ss ；将dx的值赋值给ss寄存器

[f000:e06a] 0xfe06a: mov $0x7000,%esp ；将0x7000赋值给esp寄存器

[f000:e070] 0xfe070: mov $0xf34c2,%edx ；将0xf34c2赋值给edx寄存器

[f000:e076] 0xfe076: jmp 0xfd15c ；cs=0xf000，ip=0xd15c

[f000:d15c] 0xfd15c: mov %eax,%ecx ；将eax寄存器的值赋值ecx

[f000:d15f] 0xfd15f: cli ；禁止中断

[f000:d160] 0xfd160: cld ；将DF设置为0，si和di递增

[f000:d161] 0xfd161: mov $0x8f,%eax ；将0x8f赋值给eax寄存器

[f000:d167] 0xfd167: out %al,$0x70 ；将al寄存器的值写给端口地址0x70

[f000:d169] 0xfd169: in $0x71,%al ；从端口地址0x71

[f000:d16b] 0xfd16b: in $0x92,%al ；从端口地址8f读取

[f000:d16d] 0xfd16d: or $0x2,%al ；

[f000:d16f] 0xfd16f: out %al,$0x92

[f000:d171] 0xfd171: lidtw %cs:0x6ab8

[f000:d177] 0xfd177: lgdtw %cs:0x6a74

[f000:d17d] 0xfd17d: mov %cr0,%eax

[f000:d180] 0xfd180: or $0x1,%eax

[f000:d184] 0xfd184: mov %eax,%cr0

[f000:d187] 0xfd187: ljmpl $0x8,$0xfd18f

ROM BIOS启动流程（日后再说）

​ BIOS 运行时，会设置中断描述符表，并初始化 VGA 显示屏等各种设备。这就是你在 QEMU 窗口中看到的 "Starting SeaBIOS "信息的来源。

​ 初始化 PCI 总线和 BIOS 所知道的所有重要设备后，BIOS 会搜索软盘、硬盘或 CD-ROM 等可启动设备。最终，当找到可启动磁盘时，BIOS 会从磁盘读取启动加载程序并将控制权转移给它。