MIT 6.828 JOS学习笔记7. Lab 1 Part 2.2: The Boot Loader

Posted 2020-06-16

Lab 1 Part 2 The Boot Loader

Loading the Kernel

我们现在可以进一步的讨论一下boot loader中的C语言的部分，即boot/main.c。但是在我们分析之前，我们应该先回顾一些关于C语言的基础知识。

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 Exercise 4：

　　阅读关于C语言的指针部分的知识。最好的参考书自然是"The C Programming Language"。

　　阅读5.1到5.5节。然后下载pointers.c的代码，并且编译运行它，确保你理解在屏幕上打印出来的所有的值是怎么来的。尤其要重点理解第1行，第6行的指针地址是如何得到的，以及在第2行到第4行的值是如何得到的，还有为什么在第5行打印出来的值看起来像程序崩溃了。

　　Waring：除非你已经对C语言相当了解，否则千万不要跳过这一个练习。

　   这个练习的解答连接：http://www.cnblogs.com/fatsheep9146/p/5216735.html

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　　为了能够理解boot/main.c程序，你必须首先清楚什么是ELF文件。当你在编译并且链接了像JOS内核这样的C语言程序之后，编译器会把C语言源文件(.c后缀)转换为目标文件(.o后缀)。目标文件中包含的是机器直接能够执行的机器指令。链接器在把所有的目标文件组合成一个单独的二进制映像(binary image)，比如obj/kern/kernel。这类二进制映像文件就是ELF格式的。

　　在6.828中，你可以认为一个可以执行的ELF文件是由三大部分组成：一个是带有加载信息的文件头，然后紧跟着程序段表，然后紧跟着的就是几个程序段(program section)。其中每一个段都是一块连续的代码或者数据。它们在被运行时要首先被加载到内存中。boot loader的工作就是把它们加载到内存中。

　　一个ELF文件，开始处是一个固定长度的ELF文件头，后面紧跟着一个程序段表，这个段表中列出了要加载到内存中的所有段。关于ELF文件头的格式在inc/elf.h文件中有声明。在6.828中我们对三个段非常感兴趣：

　　* .text段：存放所有程序的可执行代码

　　* .rodata段：存放所有只读数据的数据段，比如字符串常量。

　　* .data段：存放所有被初始化过的数据段，比如有初始值的全局变量。

　　当链接器在计算整个程序的内存布局时，它会为没有被初始化过的变量，比如int x;，在一个紧跟在.data段后的段，.bss段中保留它们的信息。C语言要求所有没有被初始化的变量值都为0。因而我们并不需要在ELF文件中存放这些变量的值，因为一定是0。因此链接器只是把这些变量的地址和大小存放在.bss段中。只有当程序装入内存后，由装入器为这些段赋予初值0。

　　你可以通过下面的指令来考察JOS内核中所有段的名字，大小和地址。

　　　　 objdump -h obj/kern/kernel

　　得到的结果如下图：

　　

　　在图中我们会发现这个可执行文件的所有段的信息，其中不仅仅包括我们之前提到的那四个段，还有一些其他的，他们主要用于存放一些debug信息等等。

　　在每一个段中都有两个比较重要的字段，VMA(链接地址)，LMA(加载地址)。其中加载地址代表的就是这个段被加载到内存中后，它所在的物理地址。链接地址则指的是这个段希望被存放到的逻辑地址。

　　每一个ELF文件中都有一个Program Headers Table，用于指明ELF文件中哪些部分被加载到内存，以及被加载到内存中的地址。你可以通过输入下述指令来获取kernel的Program Headers Table的信息：

　　　　objdump -x obj/kern/kernel

　　

　　其中Program Header中列出的是所有被加载到内存中的段的信息，这也是Program Headers Table的表项。每一个表项图中都把这个表项中涉及到的所有字段都列出来了。可见有一些段最后没有被加入到内存之中。在上图中，那些需要被加载到内存的段被标记为LOAD。    

　　Bios通常会把boot sector加载到内存地址0x7c00处，这是boot sector的加载地址，也是boot sector的链接地址。我们可以通过boot/Makefrag文件中的-Ttext 0x7c00语句设置boot sector的链接地址，并且这个链接地址后来会被链接器所使用，保证链接器产生正确的代码。

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　　Exercise 5

　　　　再一次追踪一下boot loader的一开始的几句指令，找到第一条满足如下条件的指令处：

　　　　当我修改了boot loader的链接地址，这个指令就会出现错误。

　　　　找到这样的指令后，把boot loader的链接地址修改一下，我们要在boot/Makefrag文件中修改它的链接地址，修改完成后运行 make clean， 然后通过make指令重新编译内核，再找到那条指令看看会发生什么。最后别忘了改回来。

　　练习解答连接：http://www.cnblogs.com/fatsheep9146/p/5220004.html

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　　再让我们回顾一下内核的加载地址和链接地址。和boot loader不同，内核的这两个地址是不同的。内核告诉boot loader把它加载到低地址处（加载地址），但是它希望运行在高地址处（链接地址）。我们将在下一章仔细看这个问题。

　　除了各个段的信息，在ELF头部中，还有一个非常重要的信息就是e_entry字段。这个字段存放的是这个可执行程序的执行入口处的链接地址。通过下面的指令你可以查看内核程序入口处。

　　

　　 可见程序入口地址为0x0010000C，这个地址也和我们之前的分析相符合。

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　　Exercise 6

　　在这个练习中，我们将尝试使用GDB的x命令（查看内存命令）。 x/Nx ADDR。这个指令将打印出从ADDR地址开始之后的N个字的内容。重启一下Qemu。在Bios进入boot loader之前，内存地址0x00100000处8个字的内容，然后进入boot loader运行到内核开始处停止，再看下这个地址处的值。为什么二者不同？第二次这个内存处所存放的值的含义是什么？

　　解答：

　　　　在进入boot loader之前，从内存地址0x00100000处开始之后8个字的内容为：

　　　　

　　　　在进入kernel那一刻之前，从内存地址0x00100000处开始之后8个字的内容为：

　　　　

      为什么会产生这种变化，因为bootmain函数在最后会把内核的各个程序段送入到内存地址0x00100000处，所以这里现在存放的就是内核的某一个段的内容，由于程序入口地址是0x0010000C，正好位于这个段中，所以可以推测，这里面存放的应该是指令段，即.text段的内容。

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　　那么到此为止Lab 1的Part 2部分的所有实验就都已经完成了。

　　如果有问题和建议，欢迎骚扰

　　　　[email protected]