mit6.828 lab1:Booting a PC

1.为什么要学习这门课程

刚刚经历过秋招，深刻感觉到自己计算机知识还不够扎实。尽管也能拿到好几个大厂offer，但扪心自问，很多os的设计理念和原理，我只能从书本上抽象的概念复读背诵，难以窥探操作系统内核的奥妙。其实早已听说这门大名鼎鼎的课程，其lab做下来应该会是收获颇丰。 课程地址 然后找到lab1的作业，跟着完成12个exercise就是lab1的内容了。

2.environment setup

我的是Mac环境，操作比较简单，需要注意的是，qemu一定是安装课程网址上提供补丁版本的qemu,否则后面的一些lab会出问题。 主要参考了：博客

但在执行第二行命令会卡死，也就是安装6828自己打补丁版本的qemu失败，所以我直接下载了该课程给出的qemu源码编译：

brew install $(brew deps qemu)
PATH=${PATH}:/usr/local/opt/gettext/bin make install
git clone https://github.com/mit-pdos/6.828-qemu.git qemu
./configure --disable-kvm --disable-werror --disable-sdl
make && make install

然后用第一个博客里的方法安装其他几个工具链中的tools

最后把/usr/local/bin下的 i386***-gdb 简化名字为gdb，否则make gdb的时候会找不到可执行文件

2.物理内存地址结构

最早的芯片，只支持1MB的物理内存，也即 0x00000000 - 0x 000fffff地址之间，最低的640kb叫做low mem,作为最早的pc可以使用的ram。0x000A000 至0x0010000之间这384作为视频播放的缓冲区或者固件占用的内存。

随着芯片的发展，可以支持4Gb以上的物理内存，为了能够向前兼容，也保留了前1MB的设计格式不变。所以，物理内存就出现了一个”hole”（0x000A000 - 0x0010000）把ram分为了两部分（前640KB+extended mem)

CS为代码段寄存器，IP为指令指针寄存器，从名称上我们可以看出它们和指令的关系。

在8086PC机中，任意时刻，设CS中的内容为Ｍ，IP中的内容为Ｎ，8086CPU将从内存M*16+N单元开始，读取一条指令并执行。

开机的过程： 1. PC通电后会设置CS为0xf000，IP为0xfff0，第一条指令会在物理内存0xffff0处，该地址位于BIOS区域的尾部。该条指令为ljmp $0xf000,$0xe05b跳转到BIOS的前半部分：0xfe05b 处,这里开始执行的指令就是bios做一些初始化操作：检测各种底层的设备，比如时钟，GDTR寄存器。以及设置中断向量表，然后找到一个可以boot的磁盘，load进物理地址为：0x7c00 to 0x7dff 的位置，然后设置两个寄存器:CS:IP to 0000:7c00 ，将控制权交给boot loader

  1. boot loader，主要包含了两个文件：/boot/boot.S 和/boot/main.c ，boot loader 做两件事：

    • 从 real mode 切换到 32-bit protected mode(boot.s)

    • 通过一些io指令，从磁盘上读取kernel(boot/main.c)

  2. 控制权交给了kernel，kernel开始执行一些任务

3.boot loader

boot loader的主要两个作用，上一节一级阐述过，首先，boot loader的代码指令被加载到了0x7c00开始的位置，练习三的任务，就是在gdb中，深入boot loader 两个代码文件中追踪指令的执行，思考每一条指令的意义，所以第一个点断设置在0x7c00。需要注意的是，在boot loader代码指令执行期间，栈的起始地址，是0x7c00，然后向低地址增长，所以在调试boot loader的过程中，可以一直手动模拟这个栈:

总结一下，栈的生长过程是：调用某个函数，会先保存调用返回的下一条指令的地址，然后将参数按照倒序压栈，进入该函数后，先保存ebp的值，然后把调用过程中会使用到的调用者保存寄存器的值压栈，后面就是处理该调用的逻辑。

在读取内核文件到物理地址0x100000的过程中，首先要正确认识到ELF文件的格式：

下面函数就是首先读入第一个扇区，然后找到program header table，遍历这个table，加载每个段至对应的LMA。

# boot/main.c
    struct Proghdr *ph, *eph;

	// read 1st page off disk
	readseg((uint32_t) ELFHDR, SECTSIZE*8, 0);
    //ELFHDR = 0x10000 
	// is this a valid ELF?
	if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC)
		goto bad;

	// load each program segment (ignores ph flags)
	ph = (struct Proghdr *) ((uint8_t *) ELFHDR + ELFHDR->e_phoff); // 计算program header 的地址= 起始地址+ offset
   
	eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
    // end of program header ,终点位置，说白了，就是计算出program header table 的起始和终点位置，然后遍历这个表中的每一个表项。
	for (; ph < eph; ph++)
		// p_pa is the load address of this segment (as well
		// as the physical address)
		readseg(ph->p_pa, ph->p_memsz, ph->p_offset);
        // p_pa就是该段的`LMA`，并且是物理地址，因为现在虚拟内存还未开启。

4.kernel

首先回忆一下，boot loader将kernel 加载到了物理地址 0x00100000位置，也就是第一张图中，BIOS 后面的地址位置。但为了方便程序员写代码，os的虚拟内存系统，会将kernel 映射到虚拟内存的高地址上，而用户代码起始执行位置从低地址开始。

目前只需要映射4MB内存： 虚拟地址0xf0000000 - 0xf0400000 到 物理地址 0x00000000 - 0x00400000.这个映射表是手写的，存在：kern/entrypgdir.c 接下来两步： 1. 将entry_pgdir 的地址加载至寄存器：cr3 2. 将 寄存器cr0置1,标志着虚拟内存的开始，以后使用的地址都是虚拟地址

exercise 8 是本lab第一次要写代码，这节的任务主要就是滤清c语言的printf，将数据格式化打印到控制台的原理。

vprintfmt函数中，就是处理格式化输出，以c语言中的printf("hello: %4d，%8d",1001,1010) ，fmt即为hello: %4d，ap中包含了两个参数：1001、1010,首先会原样输出fmt中，第一个%前的所有字符，然后处理格式化输出，计算输出宽度和格式，然后根据不同的格式，例如十进制，八进制等，计算base=?，处理有符号数的符号等等，最后调用printnum(是数字的话)。

exercise 9,观察stack。

进入entry后，一开始是没有对%esp %ebp寄存器进行修改的，知道进入i386_init以前，说明设置系统堆栈的是这两句：

movl    $0x0,%ebp            # nuke frame pointer
movl    $(bootstacktop),%esp

进入gdb进行调试：

可见，初始化stack时，将栈顶指向了:0xf0110000,注意，在数据段中定义栈顶bootstacktop之前，首先分配了KSTKSIZE这么多的存储空间，专门用于堆栈，这个KSTKSIZE = 8 * PGSIZE = 8 * 4096 = 32KB。所以用于堆栈的地址空间为 0xf0108000-0xf0110000，其中栈顶指针指向0xf0110000. 那么这个堆栈实际坐落在内存的 0x00108000-0x00110000物理地址空间中。

exercise 10就是观察递归调用函数时，如何保存返回地址，压入参数，保存调用者保存寄存器。

exercise 11 接下来，要理解指针的意义，和对其进行加减操作，解引用操作等。然后完成monitor.c代码中，输出相应数据。 来看看需要输出哪些数据吧：

Stack backtrace: (这个简单，直接cprintf)
  ebp f0109e58  eip f0100a62  args 00000001 f0109e80 f0109e98 f0100ed2 00000031
  ebp f0109ed8  eip f01000d6  args 00000000 00000000 f0100058 f0109f28 00000061

ebp eip寄存器的值在哪呢？首先，已经写好了一个 read_ebp()函数给我们使用，那么显然可以读到ebp的值，对其解引用会得到ebp寄存器指向内存堆栈的位置，该位置即为上一层调用的esp栈顶的位置，所以对其+1,就是eip的值，接下来就是五个参数的值。

exercise 12 更进一步，打印调试信息。

# kdebug.c
// Your code here.
	stab_binsearch(stabs,&lline,&rline,N_SLINE,addr);
	if(lline<=rline){
		info->eip_line=stabs[lline].n_desc;
	}else{
		info->eip_line = -1;
	}

这里我是根据上下文的代码猜的，多试了几次就对了，首先二分查找行号，第四个参数，根据注释//text segment line number可以猜到，然后如果查找到了，就把该行的某个字段赋予eip_line，这里我猜了几次，我一开始用的是value字段，结果不对，后来网上看了别人的代码，改成了正确的。这里还有个坑人的是，注释中写了一句：If found, set info->eip_line to the right line number. 结果right line 的答案一直通不过，我改了lline 就过了.

所有代码写好后，命令行中： make grade 就是对整个lab1的code进行测试：

全部通过的话就会是以上结果。