操作系統(tǒng)的啟動實驗報告

1、操作系統(tǒng)實驗報告課程名稱操作系統(tǒng)實驗實驗項目名稱操作系統(tǒng)的啟動學(xué)號班級姓名專業(yè)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)生所在學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)教師實驗室名稱地點計算機基礎(chǔ)第七實驗室21B475哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 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。Q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.實驗類型驗證性實驗4.實驗內(nèi)容調(diào)試EOS操作系統(tǒng)的啟動過程包括：（1）.使用Bochs做為遠程目標機;（2）.調(diào)試BIOS程序;（3）.調(diào)試軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序;（4）.調(diào)試加載程序;（5）.調(diào)

2、試內(nèi)核;（6）.查看EOS啟動后的狀態(tài)和行為二、實驗環(huán)境EOS操作系統(tǒng)和配套的IDE集成開發(fā)環(huán)境。三、實驗過程設(shè)計思路和流程圖CPU從默認位置執(zhí)行BIOS的開機自檢和初始化程序，之后BIOS將軟盤引導(dǎo)扇區(qū)加載到0 x7C00并執(zhí)行。軟盤引導(dǎo)扇區(qū)中的Boot程序開始執(zhí)行，將軟盤根目錄中的Loader程序文件Loader.bin加載到0 x1000并執(zhí)行Loader程序開始執(zhí)行，先加載Kernel.dll,然后啟動保護模式和分頁機制，最后跳到Kernel.dll的入口點執(zhí)行Kernel.dll開始執(zhí)行，初始化EOS內(nèi)核，EOS啟動完畢圖2-1.EOS操作系統(tǒng)的啟動過程流程圖算法實現(xiàn)：驗證性試驗，無

3、算法。需要解決的問題及解答(試驗指導(dǎo)).為什么EOS操作系統(tǒng)從軟盤啟動時要使用boot.bin和loader.bin兩個程序？使用一個可以嗎？它們各自的主要功能是什么？如果將loader.bin的功能移動到boot.bin文件中，則boot.bin文件的大小是否仍然能保持小于512字節(jié)？答：boot文件夾包含了兩個匯編文件boot.asm和loader.asm。這兩個文件生成的二進制文件boot.bin和loader.bin會被寫入軟盤鏡像文件。操作系統(tǒng)啟動時boot.bin和loader.bin引導(dǎo)軟盤加載程序，二者缺一不可。使用Boot.bin的主要功能是引導(dǎo)軟盤；loader.bin的主

4、要功能是加載程序。如果把loader.bin功能移動到boot.bin程序中，必然導(dǎo)致程序規(guī)模擴大，可能使其大于512字節(jié)。.軟盤引導(dǎo)扇區(qū)加載完畢后內(nèi)存中有兩個用戶可用的區(qū)域，為什么軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序選擇將loader.bin加載到第一個可用區(qū)域的0 x1000處呢？這樣做有什么好處？這樣做會對loader.bin文件的大小有哪些限制。答：首先用戶只用兩個可用區(qū)域，加載位置非此即彼。第一個可用用戶區(qū)是低地址區(qū)，且空間大小比較小，適合容納小文件，所以我們選擇將占用空間小的loder.bin加載到第一用戶區(qū)。優(yōu)點：由低地址開始，便于檢索查找。小文件占用小空間，節(jié)約資源。限制：loader.bin文件

5、必須小于lc00k.練習(xí)使用Bochs單步調(diào)試BIOS程序、軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序和loader程序，加深對操作系統(tǒng)啟動過程的理解。.仔細比較實驗指導(dǎo)10-5圖和圖10-6，嘗試說明哪個是應(yīng)用程序的進程，它和系統(tǒng)進程有什么區(qū)別，哪個是應(yīng)用程序的主線程，它和系統(tǒng)線程有什么區(qū)別。答：圖10-6是應(yīng)用程序的進程，在進程列表中只有一個ID為1的系統(tǒng)進程，其優(yōu)先級為24，包含有10個線程，其中的ID為2的線程是該進程的主線程，系統(tǒng)進程沒有映像名稱。在線程列表中有10個線程，它們都是系統(tǒng)線程。區(qū)別：主線程的優(yōu)先級別高。存放在物理內(nèi)存的低端。主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)代碼及其說明：驗證性實驗，無此項目。源程序并附上注釋：

6、驗證性實驗，無此項目。程序運行時的初值和運行結(jié)果,實驗過程1.調(diào)試BIOS程序.在Console窗口中輸入調(diào)試命令sreg后按回車，顯示當前CPU中各個段寄存器的值，如圖2-1。其中CS寄存器信息行中的“s=0 xf000”表示CS寄存器的值為0 xf000.輸入調(diào)試命令r后按回車，顯示當前CPU中各個通用寄存器的值，如圖10-3。其中“rip:0 x00000000:0000fff0”表示IP寄存器的值為0 xfff0。19回E3 B-nchafurTjndavj-CcnuletJnpIjtrFBefleBS-ht(wgc*r-BMr(wflPJ3*0 x00叫Be；D-UNUIWIIPB9

7、:e=D*0M9札FsiHaBBOQg&：QmSOSB,IdtrtfKVUtW也hUHUIHtHfSW,dLUKfltHWFrffvalid.tr：dh-HxUQmHhHfl.d.l-DHEHDf/lB24h(bocUl；胭0泗麗3泗80S他t0994009x990 xMHxMOUmU加眥HmUBABEWHHUCHJ山UkW9UKtiUBstHSBMliftBKraPjcR-iii0AflO8H(WfiHfllft叱跡*Hea弘彌0kMflxflB麻q號Uxa&thcos24=UhUMWkUHHxHH=DkMnscAINkAEWnflAMRiWi*為督ug*35：籾遺鼎iGUAMAxAAxdA

8、th日冃flxO&=企磴i。仙HkHUxUaxSHBxBBBxtH3BbcQMIflRnRMaWlre：CUflflHkQQHktlD甘的關(guān)盟67甘-缶湘KW8；粗Kt業(yè)1MxUUUmHHOxUMUjtHM16：flkflO口砂BjlMMBZO1UzxiMUxHUMkHUHxHHUxMU32iHxEKIHkHHOflAHwHAHxHRUzxUdUxtitJ4S：flxMlOkflAS6；0ZK0SMxBaaxm二1切嗎42hL1h7c43HIkwluJtRkBWSBflWflW&71W*CbDswt*UvUddxtiH缶的OxUHHMBdtMIBiWEfVcChoguc+anoxoarmbbR

9、icfiWBWWfiBfift?riflho-giiaBx：0弧羽?；←怳kUHHMHtflWHiMU?c18ChDUUUUUUUH0?c2tiCboua*Uk0BVxVBHkN9RxanHRBAFWAEK)R7c3UChouf*RhHH刃xHRBwRfl目胡跆B陽翻尅測07品日2調(diào)試軟盤引導(dǎo)扇區(qū)程序輸入調(diào)試命令vb0 x0000:0 x7c00,這樣就在邏輯地址0 x0000:0 x7c00（相當于物理地址0 x7c00）處添加了一個斷點。輸入調(diào)試命令c繼續(xù)執(zhí)行，在0 x7c00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，如下（0）0

10、x00007c000000:7c00（unk.ctxt）:jmp.+0 x006d（0 x00007c6f）;eb6d為了方便后面的使用，先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0 x00007c6f）。輸入調(diào)試命令sreg驗證CS寄存器（0 x0000）的值。輸入調(diào)試命令r驗證IP寄存器（0 x7c00）的值。BocMTnrIindowj-CojijnleCbach：ubHMaRaMSM7cBtiC畑Bi-trahpoint+317258in巧M朋；麗低応atS3筋海臨CH)LHumKHTteUHlUW：7cMCunk.EtKt)：jnp

11、.-*0Mfllted-0M0000.dh-0 xiW0fW3ffl.diixotnjee.0a00fffFtMild-1validw?aldd=l“mmualid-lIldfetr：3HKH(UWf(Lh-UKtllWUSUe,.dL-rHKHtrMlffrvalxnrJntJ-orS=HHPffiflffiinMIB-BtffiHHflFWakR剛酚阿骨金pa嗣即羽L的斷她0咱鴻脈ATHx&ttllMtHniM：HaUUKHMUQpHOBH0MUaHHUMUFtUMQ:flffli(WOfW恥師00嗣靳眄fffioeo即ofdfIFtfSFzfafj)fctf.由于BIOS程序此時已經(jīng)執(zhí)行

12、完畢，輸入調(diào)試命令xp/1024b0 x0000驗證此時BIOS中斷向量表已經(jīng)被載入。炳B-n-rlwforVinavsConsol*bnchE：”x|)yl024bBxIMeH(hiinlidl;泅即商陰觀。的盹。減Cbutfu?*xffAx88MUtixUffidMHtimiUtdUMMUSaCbous-*fHxRBIhtJShuMiWtlWWRWRflniKOiuuus*pKrr弧盹旳tpMhUUHIWHIWUiMJHflWLStiiDus*_wfFnwaBBbtramHWHHMWtmun$*Nflf晞弗0Kf9wUMtJHUWUMHMCI2Sd?u3*_KffUmOBfctfBXHEW

13、AHAFWnBHFniH3lChnyiis*xff陽胸加捋泅砂戀胸翊Q的覘3抽bD?us*xff9mUHthcfSCDDfus*9測也00厲0酣盹酮*；lti4:32i4U：叭;&!64：?2：a如SxbJHz53flxiSQ：小Hk5Jax&?0k2caxiltfUxffAxffkixff0 xrntixffKff0Kf貼刖MkUHUKHWKHHk(0UkFRvFRHxfHBwfUHwfHSxfUSxu00k3Uw53曲；3ftx7暢539如x4dDxfeg.輸入調(diào)試命令xp/512b0 x7c00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Oxeb和0 x6d,這

14、和引導(dǎo)程序第一條指令的字節(jié)碼(eb6d)是相同的。h.輸入調(diào)試命令xp/512b0 x0600驗證圖3-2中第一個用戶可用區(qū)域是空白的。PQfhSf4TYindows.明利事Eht55Dxjabochs1:出胡團B她刪前的哺昭bD-U3+UmUHxSUxUbdBwnpnHnnfwnmiwGnflcba-uc-+wBRBxM內(nèi)3x80KeweeeeeoeeoeGie-Kfm0 xeUxW昭如RxfMiexee恢踽exse加測歐ee口前。UMeeflMeeAweeQxflOuKeeHflB。麗0exflopMeeUxUDBnWflUmWUBMnnSk90exaoflMaeexauexiin輸入調(diào)試

15、命令xp/512b0 x7e00驗證圖3-2中第二個用戶可用區(qū)域是空白的。3kOHUxOBHxBfl：lMEtk蘭=12、XH/Sl21)0t7enH4抽aKanSnVD0M00BnCIB孤靦UmUUHxHn她DOxflSOkU0HkRHUkUHxfiHUhHUBxBWQxfleUvUMHxQFlUxtMU0MOUk00 x06d泗UkEWAxWUKtiUHxtw虹朝HxRA伽32北A他砂V2nBacMforItMows-CtnutiLe旦蛇酗H覘由加兇托曲wHHwUEtBmIMXflfWAFIfiranE!07tBfiCd仙”IrQ”Er則和呼x000i*0O0es7citixHUxH0Bx

16、INda24xflRAx00RxRflzQ泗0麗洲商酣即*2Pbo?U5*IkUUkHBOmIKI湖圜酗謂伽吧11尸kHBmOB關(guān):K0fl解麗IH卿M陽科JQhog5*K0U弧餉thitttjxUmJHUtNdtiGHJH7e3bo?uE*icenDxBHBscBHxR郵HBHIWq麗冊匸鋤*k09弘百&0mB&KUtWIMNIMMEWHr?eCbogus*X0HSxBB醞B8兀円靦BRflCWMEWtV?甲芝lifl*naa旺00脅靦肛的SwH0uKoaexsaj.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)域的高地址端也是空白的。u廠Vindaws一CtansaleElhwa

17、BeBMBHHEMEniiE7C14g(i+QBQSmBOUWEOwflDHxflF)RxRf!liBMfMKbmclw:14*M；p/SlSbfcttfdffLb4chs=JeHxUiHUUUtK3MBtfVfdffogii3r+S=G91CHUUxUtlUxtl虹仙UxHOHxQ69BmBBBmB0HM0IWRIR80R0PI09fe07dvguuti-+M=400K009M0 x80OxsaUmSO0m0&MteWiimgusi：+14-IMUxiHU旳仙UxtfttBwOBBwMHxnmnHnmRraiffe17磯mu卻二Hk$JRRxHRRxdRKe缶回刃盼盹HxUHdUEWtHMW

18、QfclfCbogg*32=虹圖HkHWUx43UUxUHUxHHUxeE)BmSDBxtWlnxBEHaiMBBHNVfe27；RxRflRxflRHxflHRmH9w096m00h0B測跑幅=x0她。馭仙001eaaxUHHhUSMhBEhXiHMEIMEk90E!a9fe37bo昌+S:(ixBflBxiBSOxMOmABRxHSHmHSBxXR9x60000000000?Fc3f=0jc688k0603SsaaixUUMmMHMxHEJk.輸入調(diào)試命令xp/512bOxaOOOO驗證圖3-2中上位內(nèi)存已經(jīng)被系統(tǒng)占用。HOruSSOmUWnoBpflSboguaf瓠0 x/rxpSl2h

19、BxauUuUrharhEl：IlHff町HRwffoKrrBxffeKrfUwffBMrrBKFfArrBxffHxfFSxffOxfraxffOxffSxffflKfrKifKffflNf-fB心Rsff0JtfTHKff0MffdxfJfHxffQMxffUfFFUxff鵡fF3432勺少48&64BS899b10-ft*7QqclisfarVijidavs-ConfaloaBxffBxffEhtf屜師筒0麗胴0溯庇陽4boyUiExffaxrr9xftxHIWUHtllWUHHaHHiabDgan*xffBxffEhtJfR”(i胸HHflRRhig+BxrraxffexffMMlft

20、WtNWUHUiWaHlf4ibous*BwfFEhffBbtfFRwAMREIRFWhau;BHffaff0k1f日泅躍0泅aSQQtia胸卿bo?U3*MffUwffthcffAMFnnnflFK&WRaViMViboyus-KxffBxffBx/fBxaMBeQae000aoiaHxFfa0 xrrflxff0 xrrHxFf9xffQxffUxffflxfUxffnMrrMxfFHxfFuKrrfiKffHkfrUKftfHxffUxffnHffMfHkTFflMffUxfFHscfFBMffBwfffluffUMff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

21、。EBarMfBT-CcflalaEBarMfBT-Ccflala bochs：lbS1311BxDFfdff0 xdc0 x76嘆60 x6AflxVc0 xcUEJkUcMH卑皿葉拠歸*flxrcBhccUmccHncccutrn0XCCHmccSk7RtfxWUkToDH6cQwlS吐鈾KCG0MCGMkccUytltaMcfttHkM32iW-4A：84；RhB圜D湘腳B00iTdfFbngua*缶W(wǎng)觸細嶺閥UmUMJUHHEWUHUfFeMF/：0r37Hx2fflkFIHBufc皿咖04睥：缶7翻i：Hxlfi0 xffHxffetwt:RAMA;iRWB8x(306mHBHxff

22、Hmc?050 xSKi7aeibo匚hy；：L號m:卩/8h0 x1S%Lh0k1416LbochsJ*HxMHHUBeiHBiNI0161tiCJbogustBxc2Bw04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，然后讓CPU進入保護模式并且啟用分頁機制，最后進入操作系統(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：在loader.lst文件中查找到準備進入EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行的指令（第755行）7550000014FFF1517010080calldwordva_ImageEntry計算此條指

23、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）593000003C1C20600ret6因為第一個節(jié)中最后一條指令的偏移為0 x03c1，并占用了3個字節(jié)（字節(jié)碼為C20600），所以可以計算出進入內(nèi)核執(zhí)行的指令所在的物理地址為0 x1513（0 x1000+0 x03c1+0 x3+0 x14f）。使用添加物理地址斷點的調(diào)試命令p

24、b0 x1513添加一個斷點。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）：（0）0 x000015130008:0000000080001513（unk.ctxt）:calldwordptrds:0 x80001117;ff1517110080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0 x8000117處的四個字節(jié)中。使用查看虛擬內(nèi)存的調(diào)試命令x/1wx0 x80001117查看內(nèi)存中保存的32位函數(shù)入口地址，在Console窗口中會輸出類似下面的內(nèi)容：0 x000

25、0000080001117:0 x800*記錄下此塊內(nèi)存中保存的函數(shù)地址，后面的實驗會驗證內(nèi)核入口點函數(shù)的地址與此地址是一致的。調(diào)試內(nèi)核：.在OSLab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。.在KiSystemStartup函數(shù)中的代碼行(第61行)KiInitializePic();添加一個斷點。.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。.在start.c源代碼文件中的KiSystemStartup函數(shù)名上點擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“添加

26、監(jiān)視”，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void(PVOID)0 x800*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程序進入了操作系統(tǒng)內(nèi)核。.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。EOS啟動后的狀態(tài)和行為.在控制臺中輸入命令“ver”后按回車。.輸出EOS版本后的控制臺如圖10-4所示。使用ver命令查看EOS的版本號。查看EOS啟動后的進程和線程的信息：.在控制臺中輸入命令pt”后按回車。.輸出的進程和線程信息如圖所示。chsforiiidu日DiLsplayiCBlH