希冀操作系统实验lab1 内核、Boot和printf（保姆级教程建议点赞收藏）

标签：int fmt arg Boot length lab1 num 点赞 buf

这次我把所有代码都写出来方便大家复制（可以直接复制我的代码粘贴到终端执行）

开始之前首先先拉取lab1的内容（一定先干这个，不然做不了实验！！！！！！！！！！！！！！！！）

先切换到这个目录下

cd 20221105894-lab

变为：

输入

git pull
git checkout lab1

之后刷新一下你的学号-lab文件夹，如果改变了就好了，如果没有变为lab1的数据就换成

lab1实验需要Exercise都做！！！！！！

一.提取文档内容

操作系统启动与内核
- 启动流程与硬件软件关系：操作系统启动是一个复杂过程，涉及硬件和软件相互依存。计算机由硬件和软件组成，操作系统管理硬件资源。硬件需软件控制，软件依赖硬件载入，早期工程师将此纠结过程称为 “bootstrapping”。操作系统内核是核心部分，需与硬件交互，其代码不能在磁盘或易失性内存中，通常置于非易失性存储器（如 ROM 或 FLASH）。但存在存储空间有限、限制多操作系统启动和不利于移植等问题123。
- Bootloader 的作用与阶段：为解决上述问题，引入 Bootloader。它分为 stagel 和 stage2 两部分，stagel 初始化硬件设备，在 ROM 或 FLASH 上运行，为 stage2 准备 RAM 空间并复制代码、设置堆栈后跳转；stage2 在 RAM 中运行，用 C 语言实现复杂功能，包括初始化硬件、加载内核镜像到 RAM、设置启动参数并将控制权转交给内核456。
- gxemul 中的简化流程：在 gxemul 仿真器中，启动流程简化，它提供了 bootloader 功能，可直接加载 elf 格式内核，将内核加载到内存后跳转至入口即可完成启动78。
编译链接相关知识
- Makefile 解读：Makefile 指导程序构建，通过阅读可了解源代码生成可执行文件的过程。实验代码顶层 Makefile 定义了变量、规则等，如 modules 定义内核模块，objects 表示编译依赖的.o 文件。它还包含了构建项目的规则、依赖关系以及清理文件的方法，引用的 include.mk 文件定义了交叉编译相关变量9102。
- ELF 文件结构与功能：ELF 是 Unix 常用文件格式，包括可重定位、可执行和共享对象文件。其结构包含 ELF Header、Program Header Table、Section Header Table、Segments 和 Sections 等部分。连接器通过目标文件中的信息（记录在 ELF 文件中）连接多个目标文件，可通过阅读解析程序了解其详细结构，如完成 readelf.c 中代码以输出 elf 文件的 section header 信息。最终生成的内核为 ELF 格式，由模拟器载入，通过 Linker Script 可控制各段加载地址111213。
MIPS 架构相关内容
- 内存布局与内核位置：32 位 MIPS CPU 程序地址空间分为 4 个区域，包括 User Space、Kernel Space Unmapped Cached、Kernel Space Unmapped Uncached 和 Kernel Space Mapped Cached。载入内核时，因未建立虚存机制，只能选用无需 MMU 的内存空间，即 kseg0 或 kseg1，而内核通常放在 kseg0，具体位置可在 include/mmu.h 中查看141516。
- 汇编与 C 语言关系：在操作系统编程中，MIPS 汇编与 C 语言联系紧密。循环和判断语句在 MIPS 汇编中通过判断加跳转实现，函数调用时，编译器在函数前后添加压栈和弹栈操作保存函数状态，调用函数将参数存于 a0 - a3 寄存器，返回值存于 v0 - v1 寄存器。同时，MIPS 有 32 个通用寄存器，遵循一定使用约定，如 s0 - s7 和 fp（或 s8）寄存器在函数调用前后值不变（fp 在调用位置无关函数时有特例），ra 寄存器存放函数返回地址。此外，还有特殊的 PC 寄存器，可用于调试内核171819。

Exercise

Exercise 1.1

请修改 include.mk 文件，使交叉编译器的路径正确。之后执行 make指令，如果配置一切正确，则会在 gxemul 目录下生成 vmlinux 的内核文件。

在 20221105894-lab目录下找到include.mk 文件把CROSS_COMPILE 后面的路径改成我下面的

# Common includes in Makefile
#
# Copyright (C) 2007 Beihang University
# Written By Zhu Like ( zlike@cse.buaa.edu.cn )


CROSS_COMPILE :=  /OSLAB/compiler/usr/bin/mips_4KC-
CC			  := $(CROSS_COMPILE)gcc
CFLAGS		  := -O -G 0 -mno-abicalls -fno-builtin -Wa,-xgot -Wall -fPIC
LD			  := $(CROSS_COMPILE)ld

然后在20221105894-lab目录下输入

make

会在 gxemul 目录下生成 vmlinux 的内核文件

Exercise1.2

阅读./readelf 文件夹中 kerelf.h、readelf.c 以及 main.c 三个文件中的代码，并完成 readelf.c 中缺少的代码，readelf 函数需要输出 elf 文件的所有 sectionheader 的序号和地址信息，对每个 section header，输出格式为:”%d:0x%x\n”，两个标识符分别代表序号和地址。

打开readelf.c 直接复制我的代码覆盖即可

/* This is a simplefied ELF reader.
 * You can contact me if you find any bugs.
 *
 * Luming Wang<wlm199558@126.com>
 */

#include "kerelf.h"
#include <stdio.h>
/* Overview:
 *   Check whether it is a ELF file.
 *
 * Pre-Condition:
 *   binary must longer than 4 byte.
 *
 * Post-Condition:
 *   Return 0 if `binary` isn't an elf. Otherwise
 * return 1.
 */
int is_elf_format(u_char *binary)
{
        Elf32_Ehdr *ehdr = (Elf32_Ehdr *)binary;
        if (ehdr->e_ident[EI_MAG0] == ELFMAG0 &&
                ehdr->e_ident[EI_MAG1] == ELFMAG1 &&
                ehdr->e_ident[EI_MAG2] == ELFMAG2 &&
                ehdr->e_ident[EI_MAG3] == ELFMAG3) {
                return 1;
        }

        return 0;
}

/* Overview:
 *   read an elf format binary file. get ELF's information
 *
 * Pre-Condition:
 *   `binary` can't be NULL and `size` is the size of binary.
 *
 * Post-Condition:
 *   Return 0 if success. Otherwise return < 0.
 *   If success, output address of every section in ELF.
 */
int readelf(u_char *binary, int size)
{
        Elf32_Ehdr *ehdr = (Elf32_Ehdr *)binary;

        int Nr;

        Elf32_Shdr *shdr = NULL;

        u_char *ptr_sh_table = NULL;
        Elf32_Half sh_entry_count;
        Elf32_Half sh_entry_size;


        // check whether `binary` is a ELF file.
        if (size < 4 || !is_elf_format(binary)) {
                printf("not a standard elf format\n");
                return 0;
        }

        // get section table addr, section header number and section header size.
        shdr=(Elf32_Shdr *)(binary + ehdr -> e_shoff);
        sh_entry_count=ehdr -> e_shnum;
        sh_entry_size=ehdr -> e_shentsize;
        // for each section header, output section number and section addr.

        for(Nr = 0;Nr < sh_entry_count;++Nr){
            printf("%d:0x%x\n",Nr,shdr -> sh_addr);
            shdr++;
        }
        return 0;
}

Exercise 1.3

填写 tools/scse0 3.lds 中空缺的部分，将内核调整到正确的位置上。

OUTPUT_ARCH(mips)
/*
Set the architecture to mips.
*/
ENTRY(_start)
/*
Set the ENTRY point of the program to _start.
*/
SECTIONS
{

/*To do:
  fill in the correct address of the key section
  such as text data bss ...
*/
    . = 0x80010000;
    .text : {
        *(.text)               /* 包含所有 .text 段的数据 */
    }   
    .data : {
        *(.data)               /* 包含所有 .data 段的数据 */
    }
    .bss : {
        *(.bss)                /* 包含所有 .bss 段的数据 */
    }
end = . ;
}

Exercise 1.4

完成 boot/start.S 中空缺的部分。设置栈指针，跳转到 main 函数。使用/OSLAB/gxemul -E testmips -C R3000 -M 64 elf-fle 运行(其中 elf-fle 是你编译生成的 vmlinux 文件的路径)。

#include <asm/regdef.h>
#include <asm/cp0regdef.h>
#include <asm/asm.h>


			.section .data.stk
KERNEL_STACK:
			.space 0x8000


			.text
LEAF(_start) /*LEAF is defined in asm.h and LEAF functions don't call other functions*/                       
	
	.set	mips2      /*.set is used to instruct how the assembler works and control the order of instructions */
	.set	reorder

	/* Disable interrupts */
	mtc0	zero, CP0_STATUS

        /* Disable watch exception. */
        mtc0    zero, CP0_WATCHLO
        mtc0    zero, CP0_WATCHHI

	/* disable kernel mode cache */
	mfc0	t0, CP0_CONFIG
	and	t0, ~0x7
	ori	t0, 0x2
	mtc0	t0, CP0_CONFIG
	
/*To do: 
  set up stack 
  you can reference the memory layout in the include/mmu.h
*/
li sp,0x80400000
jal main
nop			
loop:
	j	loop
	nop
END(_start)            /*the function defined in asm.h*/

Exercise 1.5

阅读相关代码和下面对于函数规格的说明,补全 lib/print.c中Ip_Print()函数中缺失的部分来实现字符输出。

/*
 * Copyright (C) 2001 MontaVista Software Inc.
 * Author: Jun Sun, jsun@mvista.com or jsun@junsun.net
 *
 * This program is free software; you can redistribute  it and/or modify it
 * under  the terms of  the GNU General  Public License as published by the
 * Free Software Foundation;  either version 2 of the  License, or (at your
 * option) any later version.
 *
 */

#include	<print.h>

/* macros */
#define		IsDigit(x)	( ((x) >= '0') && ((x) <= '9') )
#define		Ctod(x)		( (x) - '0')

/* forward declaration */
extern int PrintChar(char *, char, int, int);
extern int PrintString(char *, char *, int, int);
extern int PrintNum(char *, unsigned long, int, int, int, int, char, int);

/* private variable */
static const char theFatalMsg[] = "fatal error in lp_Print!";

/* -*-
 * A low level printf() function.
 */
void
lp_Print(void (*output)(void *, char *, int), 
	 void * arg,
	 char *fmt, 
	 va_list ap)
{

#define 	OUTPUT(arg, s, l)  \
  { if (((l) < 0) || ((l) > LP_MAX_BUF)) { \
       (*output)(arg, (char*)theFatalMsg, sizeof(theFatalMsg)-1); for(;;); \
    } else { \
      (*output)(arg, s, l); \
    } \
  }
    
    char buf[LP_MAX_BUF];

    char c;
    char *s;
    long int num;

    int longFlag;
    int negFlag;
    int width;
    int prec;
    int ladjust;
    char padc;

    int length;
for(;;) {
        {
	    /* scan for the next '%' */
        while((*fmt)!='\0'&&(*fmt)!='%')
        {
			OUTPUT(arg,fmt,1);
        	fmt ++;
        }
	    /* flush the string found so far */

	    /* are we hitting the end? */
        if((*fmt)=='\0')
            break;
	}

	/* we found a '%' */
	fmt++;
	/* check for long */

	/* check for other prefixes */

	/* check format flag */
    if(*fmt=='-'){
    longFlag=1;
        fmt++;
    }
    else if(*fmt=='0')
	{
		padc='0';
		fmt ++;
	}
    for(;IsDigit(*fmt);fmt ++)width =width*10+Ctod(*fmt);
    if(*fmt=='.'){
        fmt ++;
        for(;IsDigit(*fmt);fmt++)
            prec=prec*10+Ctod(*fmt);
    }
    if(*fmt=='1'){
        longFlag=1;
            fmt++;
    }
        longFlag=0;
        width=0;
        ladjust=0;
        prec=0;
        padc=' ';
	negFlag = 0;
	switch (*fmt) {
	 case 'b':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int); 
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int);
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 2, 0, width, ladjust, padc, 0);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 'd':
	 case 'D':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int);
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int); 
	    }
	    if (num < 0) {
		num = - num;
		negFlag = 1;
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 10, negFlag, width, ladjust, padc, 0);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 'o':
	 case 'O':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int);
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int); 
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 8, 0, width, ladjust, padc, 0);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 'u':
	 case 'U':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int);
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int); 
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 10, 0, width, ladjust, padc, 0);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;
	    
	 case 'x':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int);
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int); 
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 16, 0, width, ladjust, padc, 0);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 'X':
	    if (longFlag) { 
		num = va_arg(ap, long int);
	    } else { 
		num = va_arg(ap, int); 
	    }
	    length = PrintNum(buf, num, 16, 0, width, ladjust, padc, 1);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 'c':
	    c = (char)va_arg(ap, int);
	    length = PrintChar(buf, c, width, ladjust);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case 's':
	    s = (char*)va_arg(ap, char *);
	    length = PrintString(buf, s, width, ladjust);
	    OUTPUT(arg, buf, length);
	    break;

	 case '\0':
	    fmt --;
	    break;

	 default:
	    /* output this char as it is */
	    OUTPUT(arg, fmt, 1);
        break;
	}	/* switch (*fmt) */

	fmt ++;
    }		/* for(;;) */

    /* special termination call */
    OUTPUT(arg, "\0", 1);
}


/* --------------- local help functions --------------------- */
int
PrintChar(char * buf, char c, int length, int ladjust)
{
    int i;
    
    if (length < 1) length = 1;
    if (ladjust) {
	*buf = c;
	for (i=1; i< length; i++) buf[i] = ' ';
    } else {
	for (i=0; i< length-1; i++) buf[i] = ' ';
	buf[length - 1] = c;
    }
    return length;
}

int
PrintString(char * buf, char* s, int length, int ladjust)
{
    int i;
    int len=0;
    char* s1 = s;
    while (*s1++) len++;
    if (length < len) length = len;

    if (ladjust) {
	for (i=0; i< len; i++) buf[i] = s[i];
	for (i=len; i< length; i++) buf[i] = ' ';
    } else {
	for (i=0; i< length-len; i++) buf[i] = ' ';
	for (i=length-len; i < length; i++) buf[i] = s[i-length+len];
    }
    return length;
}

int
PrintNum(char * buf, unsigned long u, int base, int negFlag, 
	 int length, int ladjust, char padc, int upcase)
{
    /* algorithm :
     *  1. prints the number from left to right in reverse form.
     *  2. fill the remaining spaces with padc if length is longer than
     *     the actual length
     *     TRICKY : if left adjusted, no "0" padding.
     *		    if negtive, insert  "0" padding between "0" and number.
     *  3. if (!ladjust) we reverse the whole string including paddings
     *  4. otherwise we only reverse the actual string representing the num.
     */

    int actualLength =0;
    char *p = buf;
    int i;

    do {
	int tmp = u %base;
	if (tmp <= 9) {
	    *p++ = '0' + tmp;
	} else if (upcase) {
	    *p++ = 'A' + tmp - 10;
	} else {
	    *p++ = 'a' + tmp - 10;
	}
	u /= base;
    } while (u != 0);

    if (negFlag) {
	*p++ = '-';
    }

    /* figure out actual length and adjust the maximum length */
    actualLength = p - buf;
    if (length < actualLength) length = actualLength;

    /* add padding */
    if (ladjust) {
	padc = ' ';
    }
    if (negFlag && !ladjust && (padc == '0')) {
	for (i = actualLength-1; i< length-1; i++) buf[i] = padc;
	buf[length -1] = '-';
    } else {
	for (i = actualLength; i< length; i++) buf[i] = padc;
    }
	    

    /* prepare to reverse the string */
    {
	int begin = 0;
	int end;
	if (ladjust) {
	    end = actualLength - 1;
	} else {
	    end = length -1;
	}

	while (end > begin) {
	    char tmp = buf[begin];
	    buf[begin] = buf[end];
	    buf[end] = tmp;
	    begin ++;
	    end --;
	}
    }

    /* adjust the string pointer */
    return length;
}

在 20221105894-lab目录下输入

make

gxemul -E testmips -C R3000 -M 64 gxemul/vmlinux

输出这个即可

最后记得提交

git add .
git commit -m '这个谁便写，不一定写我的作业写完了'
git push

最后出现这个就可以

Think

Thinking 1.1

也许你会发现我们的 readelf 程序是不能解析之前生成的内核文件(内核文件是可执行文件)的，而我们之后将要介绍的工具 readelf 则可以解析，这是为什么呢?(提示:尝试使用 readelf -h，观察不同)

答：

两者对 ELF 文件格式的处理方式或支持程度不同。通过使用 readelf -h 命令查看文件头信息，可能会发现内核文件的某些属性或格式与我们编写的 readelf 程序预期不匹配。例如，内核文件可能采用了特殊的 ELF 文件格式版本、包含了特定的节（section）或段（segment），而我们的程序没有正确处理这些情况。系统自带的 readelf 工具则具备更全面的兼容性和对各种 ELF 文件变体的正确解析能力。

Thinking 1.2

main 函数在什么地方?我们又是怎么跨文件调用函数的呢?

答：

main 函数位置：在 C 语言程序中，main 函数是程序的入口点。在操作系统启动过程中，经过一系列的初始化操作后，最终会跳转到 main 函数开始执行用户空间的程序逻辑。具体来说，在文档所涉及的实验环境中，通过 bootloader 的工作（如在 gxemul 仿真器中，其启动流程简化后会加载内核到内存并跳转执行），最终会将控制权交给内核中的 main 函数（通常位于 init.c 或类似文件中）。
跨文件调用函数：在 C 语言中跨文件调用函数是通过函数声明和链接来实现的。在一个文件中调用另一个文件中的函数时，需要在调用文件中包含被调用函数的声明（可以通过头文件引入声明），以便编译器知道函数的参数和返回值类型等信息。在链接阶段，连接器会将各个目标文件（.o 文件）中定义的函数和变量进行链接，解析函数调用关系，将调用指令与函数的实际实现地址关联起来。例如，如果在一个文件中调用了另一个文件中定义的函数foo，在编译时会生成对foo函数的调用指令，链接器会在链接过程中找到foo函数的定义所在的目标文件，并将调用指令中的地址修正为foo函数的实际入口地址，从而实现跨文件的函数调用。同时，对于函数调用过程中参数的传递和返回值的获取，遵循一定的规则，如在 MIPS 体系结构中，参数通常通过寄存器（a0 - a3 等）传递，返回值通过寄存器（v0 - v1 等）返回，并且在函数调用前后，编译器会根据函数调用约定进行寄存器值的保存和恢复等操作，以确保函数调用的正确性和程序状态的一致性。

标签：int,fmt,arg,Boot,length,lab1,num,点赞,buf
From： https://blog.csdn.net/m0_74172897/article/details/143845361

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