操作系統(tǒng)(第二個實驗)

1、操作系統(tǒng)實 驗 報 告課程名稱操作系統(tǒng)實驗課程編號0906553實驗項目名稱操作系統(tǒng)的啟動學(xué)號年級姓名專業(yè)學(xué)生所在學(xué)院指導(dǎo)教師實驗室名稱地點 哈爾濱工程大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第二講 操作系統(tǒng)的啟動一、實驗概述1. 實驗名稱操作系統(tǒng)的啟動2. 實驗?zāi)康母櫿{(diào)試EOS在PC機(jī)上從加電復(fù)位到成功啟動的全過程，了解操作系統(tǒng)的啟動過程。 查看EOS啟動后的狀態(tài)和行為，理解操作系統(tǒng)啟動后的工作方式。 3. 實驗類型驗證4. 實驗內(nèi)容準(zhǔn)備實驗調(diào)試EOS操作系統(tǒng)的啟動過程二、實驗環(huán)境EOS操作系統(tǒng)和OS Lab集成實驗環(huán)境，主要運用了C語言。三、實驗過程1. 源程序并附上注釋/*提供該示例代碼是為了闡釋一個

2、概念，或者進(jìn)行一個測試，并不代表著最安全的編碼實踐，因此不應(yīng)在應(yīng)用程序或網(wǎng)站中使用該示例代碼。對于超出本示例代碼的預(yù)期用途以外的使用所造成的偶然或繼發(fā)性損失，北京英真時代科技有限公司不承擔(dān)任何責(zé)任。*/#include "EOSApp.h"int main(int argc, char* argv)int i;for (i = 1; i <= 5; i+) printf("Hello,world! %dn", i);Sleep(1000);printf("Bye-bye!n");return 0;2. 程序運行時的初值和運行結(jié)果

3、2.1 準(zhǔn)備實驗 1. 啟動OS Lab。 2. 新建一個EOS Kernel項目。 3. 在“項目管理器”窗口中打開boot文件夾中的boot.asm和loader.asm兩個匯編文件。boot.asm是軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序的源文件，loader.asm是loader程序的源文件。 4. 按F7生成項目。5. 生成完成后，使用Windows資源管理器打開項目文件夾中的Debug文件夾。找到由 boot.asm生成的軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序boot.bin文件，該文件的大小一定為512字節(jié)（與軟盤引導(dǎo)扇區(qū)的大小一致）。找到由loader.asm生成的loader程序loader.bin文件，記錄下此文件的

4、大小1566字節(jié)。找到由其它源文件生成的操作系統(tǒng)內(nèi)核kernel.dll。 2.2 調(diào)試EOS操作系統(tǒng)的啟動過程 2.2.1 使用Bochs做為遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī) 按照下面的步驟將調(diào)試時使用的遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)修改為Bochs： 1. 在“項目管理器”窗口中，右鍵點擊項目節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇“屬性”。 2. 在彈出的“屬性頁”對話框右側(cè)的屬性列表中找到“遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)”屬性，將此屬性值修改為“Bochs Debug”（此時按F1可以獲得關(guān)于此屬性的幫助）。 3. 點擊“確定”按鈕關(guān)閉“屬性頁”對話框。接下來就可以使用Bochs模擬器調(diào)試BIOS程序和軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序了。 2.2.2 調(diào)試BIOS程序 按F

5、5啟動調(diào)試，此時會彈出兩個Bochs窗口。標(biāo)題為“Bochs for windows - Display”的窗口相當(dāng)于計算機(jī)的顯示器，顯示操作系統(tǒng)的輸出。標(biāo)題為“Bochs for windows - Console”的窗口是Bochs的控制臺，用來輸入調(diào)試命令，輸出各種調(diào)試信息。 啟動調(diào)試后，Bochs在CPU要執(zhí)行的第一條指令（即BIOS的第一條指令）處中斷。 此時，Display窗口沒有顯示任何內(nèi)容，Console窗口顯示要執(zhí)行的BIOS第一條指令的相關(guān)信息，并等待用戶輸入調(diào)試命令。從Console窗口顯示的內(nèi)容中，我們可以獲得關(guān)于BIOS第一條指令的如下信息： （1）行首的0xffff

6、fff0表示此條指令所在的物理地址。 （2）f000:fff0表示此條指令所在的邏輯地址（段地址:偏移地址）。 （3）jmp far f000:e05b是此條指令的反匯編代碼。 （4）行尾的ea5be000f0是此條指令的十六進(jìn)制字節(jié)碼，可以看出此條指令有5個字節(jié)。查看CPU在沒有執(zhí)行任何指令之前主要寄存器中的數(shù)據(jù)，以及內(nèi)存中的數(shù)據(jù)： 1. 在Console窗口中輸入調(diào)試命令sreg后按回車，顯示當(dāng)前CPU中各個段寄存器的值，其中CS寄存器信息行中的“s=0xf000”表示CS寄存器的值為0xf000。2. 輸入調(diào)試命令r后按回車，顯示當(dāng)前CPU中各個通用寄存器的數(shù)。其中“rip: 0x000

7、00000:0000fff0”表示IP寄存器的值為0xfff0。 3. 輸入調(diào)試命令xp /1024b 0x0000，查看開始的1024個字節(jié)的物理內(nèi)存。在Console中輸出的這1K物理內(nèi)存的值都為0，說明BIOS中斷向量表還沒有被加載到此處。4. 輸入調(diào)試命令xp /512b 0x7c00，查看軟盤引導(dǎo)扇區(qū)應(yīng)該被加載到的內(nèi)存位置。輸出的內(nèi)存值都為0，說明軟盤引導(dǎo)扇區(qū)還沒有被加載到此處。 可以驗證BIOS第一條指令所在邏輯地址中的段地址和CS寄存器值是一致的，偏移地址和IP寄存器的值是一致的。由于內(nèi)存還沒有被使用，所以其中的值都為0。 2.2.3 調(diào)試軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序 接下來從0x7c00處

8、調(diào)試軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序： 1. 輸入調(diào)試命令vb 0x0000:0x7c00，這樣就在邏輯地址0x0000:0x7c00（相當(dāng)于物理地 址0x7c00）處添加了一個斷點。 2. 輸入調(diào)試命令c繼續(xù)執(zhí)行，在0x7c00處的斷點中斷。中斷后會在Console窗口中輸出下一個要執(zhí)行的指令，即軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序的第一條指令。3.在紙上分別記錄下此條指令的字節(jié)碼（eb6d）和此條指令要跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的下一條指令的地址（括號中的0x00007c6f）。 4.輸入調(diào)試命令sreg驗證CS寄存器（0x0000）的值。 5.輸入調(diào)試命令r驗證IP寄存器（0x7c00）的值。 6.由于BIOS程序此時已經(jīng)執(zhí)行完畢，輸入調(diào)試

9、命令xp /1024b 0x0000驗證此時BIOS中斷向量表已經(jīng)被載入。7.輸入調(diào)試命令xp /512b 0x7c00顯示軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序的所有字節(jié)碼。觀察此塊內(nèi)存最開始的兩個字節(jié)分別為0xeb和0x6d，這和引導(dǎo)程序第一條指令的字節(jié)碼（eb6d）是相同的。此塊內(nèi)存最后的兩個字節(jié)分別為0x55和0xaa，表示引導(dǎo)扇區(qū)是激活的，可以用來引導(dǎo)操作系統(tǒng)，這兩個字節(jié)是boot.asm中最后一行語句 dw 0xaa55 定義的。 8.輸入調(diào)試命令xp /512b 0x0600驗證圖3-2中第一個用戶可用區(qū)域是空白的。 9. 輸入調(diào)試命令xp /512b 0x7e00驗證圖3-2中第二個用戶可用區(qū)域是空

10、白的。 10. 自己設(shè)計兩個查看內(nèi)存的調(diào)試命令，分別驗證這兩個用戶可用區(qū)域的高地址端也是的。11. 輸入調(diào)試命令xp /512b 0xa0000驗證圖3-2中上位內(nèi)存已經(jīng)被系統(tǒng)占用。 12. 自己設(shè)計一個查看內(nèi)存的調(diào)試命令，驗證上位內(nèi)存的高地址端已經(jīng)被系統(tǒng)占用。NASM匯編器在將boot.asm生成為boot.bin的同時，會生成一個boot.lst列表文件，幫助開發(fā)者調(diào)試boot.asm文件中的匯編代碼。按照下面的步驟查看boot.lst文件： 1. 在“項目管理器”窗口中，右鍵點擊“boot”文件夾中的boot.asm文件。 2. 在彈出的快捷菜單中選擇“打開生成的列表文件”，在源代碼編輯

11、器中就會打開文件boot.lst。 3. 將boot.lst文件和boot.asm文件對比可以發(fā)現(xiàn)，此文件包含了boot.asm文件中所有的匯編代碼，同時在代碼的左側(cè)又添加了更多的信息。 4. 在boot.lst中查找到軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序第一條指令所在的行（第73行） 73 00000000 EB6D jmp short Start 此行包含的信息有：73是行號。 00000000是此條指令相對于程序開始位置的偏移（第一條指令應(yīng)該為0）。 EB6D是此條指令的字節(jié)碼，和之前記錄下來的指令字節(jié)碼是一致的。 軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序的主要任務(wù)就是將軟盤中的loader.bin文件加載到物理內(nèi)存0x1000處

12、，然后跳轉(zhuǎn)到loader程序的第一條指令（物理地址0x1000處的指令）繼續(xù)執(zhí)行l(wèi)oader程序。按照下面的步驟調(diào)試此過程： 1. 在boot.lst文件中查找到加載完畢loader.bin文件后要跳轉(zhuǎn)到loader程序中執(zhí)行的指令（第278行） 根據(jù)此指令相對于程序開始（0x7C00）的偏移（0x0181）可以得到此指令的邏輯地址為0x0000:7D81。 2.輸入調(diào)試命令vb 0x0000:0x7d81添加一個斷點。 3.輸入調(diào)試命令c繼續(xù)執(zhí)行，到斷點處中斷。在Console窗口中顯示 此條指令會跳轉(zhuǎn)到物理內(nèi)存0x1000處（即Loader程序的第一條指令）繼續(xù)執(zhí)行。 4.按照打開boot

13、.lst文件的方法打開loader.lst文件，并在此文件中查找到loader程序的第一條指令（第33行） 5.輸入調(diào)試命令xp /8b 0x1000查看內(nèi)存0x1000處的數(shù)據(jù)，驗證此塊內(nèi)存的前三個字節(jié)和loader.lst文件中的第一條指令的字節(jié)碼是相同的。 6.根據(jù)之前記錄的loader.bin文件的大小，自己設(shè)計一個查看內(nèi)存的調(diào)試命令，查看內(nèi)存中l(wèi)oader程序結(jié)束位置的字節(jié)碼，并與loader.lst文件中最后指令的字節(jié)碼比較，驗證loader程序被完全加載到了正確的位置。 2.2.4 調(diào)試加載程序 Loader程序的主要任務(wù)是將操作系統(tǒng)內(nèi)核（kernel.dll文件）加載到內(nèi)存中，

14、然后讓CPU進(jìn)入保護(hù)模式并且啟用分頁機(jī)制，最后進(jìn)入操作系統(tǒng)內(nèi)核開始執(zhí)行（跳轉(zhuǎn)到kernel.dll的入口點執(zhí)行）。按照下面的步驟調(diào)試上述過程： 1.在loader.lst文件中查找到準(zhǔn)備進(jìn)入EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行的指令（第755行） 2.計算此條指令的物理地址要復(fù)雜一些：偏移地址實際上是相對于節(jié)（節(jié)SECTION是NASM匯編中的概念）開始的。由于在boot.asm程序中只有一個節(jié)，所以之前計算的結(jié)果都是正確的，但是在loader.asm程序中有兩個節(jié)，并且此條指令是在第二個節(jié)中。下面引用的代碼是loader.lst中第一個節(jié)的最后一條指令（第593行） 因為第一個節(jié)中最后一條指令的偏移為0x

15、03c1，并占用了3個字節(jié)（字節(jié)碼為C20600），所以可以計算出進(jìn)入內(nèi)核執(zhí)行的指令所在的物理地址為0x1513（0x1000+0x03c1+0x3+0x14f）。 3.使用添加物理地址斷點的調(diào)試命令pb 0x1513添加一個斷點。 4.輸入調(diào)試命令c繼續(xù)執(zhí)行，到斷點處中斷。在Console窗口中顯示要執(zhí)行的下一條指令（注意，此時的邏輯地址都為虛擬地址）： 由于這里使用了函數(shù)指針的概念，所以，根據(jù)反匯編指令可以確定內(nèi)核入口點函數(shù)的地址就保存在虛擬地址0x8000117處的四個字節(jié)中。 5.使用查看虛擬內(nèi)存的調(diào)試命令x /1wx 0x80001117查看內(nèi)存中保存的32位函數(shù)入口地址，在Cons

16、ole窗口中會輸出類似下面的內(nèi)容：記錄下此塊內(nèi)存中保存的函數(shù)地址。 2.2.5 調(diào)試內(nèi)核 調(diào)試內(nèi)核的步驟如下： 1.在OS Lab的“項目管理器”窗口中打開ke文件夾中的start.c文件，此文件中只定義了一個函數(shù)，就是操作系統(tǒng)內(nèi)核的入口點函數(shù)KiSystemStartup。 2.在KiSystemStartup函數(shù)中的代碼行（第61行） KiInitializePic(); 添加一個斷點。 3.現(xiàn)在可以在Console窗口中輸入調(diào)試命令c繼續(xù)調(diào)試，在剛剛添加的斷點處中斷。 4.在start.c源代碼文件中的KiSystemStartup函數(shù)名上點擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“添加監(jiān)視”

17、，KiSystemStartup函數(shù)就被添加到了“監(jiān)視”窗口中。在“監(jiān)視”窗口中可以看到此函數(shù)地址為與在虛擬內(nèi)存x80001117處保存的函數(shù)入口地址相同，說明的確是由Loader程序進(jìn)入了操作系統(tǒng)內(nèi)核。 5.按F5繼續(xù)執(zhí)行EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核，在Display窗口中顯示EOS操作系統(tǒng)已經(jīng)啟動，并且控制臺程序已經(jīng)開始運行了。 2.2.6 EOS啟動后的狀態(tài)和行為 查看EOS的版本號： 1.在控制臺中輸入命令“ver”后按回車。 2.輸出EOS版本后的控制臺查看EOS啟動后的進(jìn)程和線程的信息： 1.在控制臺中輸入命令“pt”后按回車。 2輸出的進(jìn)程和線程信息。 查看有應(yīng)用程序運行時進(jìn)程和線程的信息： 1.在OS Lab中選擇“調(diào)試”菜單中的“停止調(diào)試”，結(jié)束之前的調(diào)試。 2.在OS Lab“項目管理器”窗口中雙擊Floppy.img文件，使用FloppyImageEditor工具打開此軟盤鏡像文件。 3.打開配套資源“學(xué)生包”，