mit 6.828 lab 代码和笔记，以及中文注释源代码已放置在github中: https://github.com/yunwei37/xv6-labs
init
setup
实验内容采用git分发：
代码语言：javascript复制git clone https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/jos.git lab测试的话可以使用：
代码语言：javascript复制make gradePart 1: PC Bootstrap
需要了解x86汇编以及内联汇编的写法，参看：
http://www.delorie.com/djgpp/doc/brennan/brennan_att_inline_djgpp.html https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/readings/pcasm-book.pdf
运行 qemu
代码语言：javascript复制cd lab
make
make qemuPC的物理地址空间：
代码语言：javascript复制 ------------------ <- 0xFFFFFFFF (4GB)
| 32-bit |
| memory mapped |
| devices |
| |
//////////
//////////
| |
| Unused |
| |
------------------ <- depends on amount of RAM
| |
| |
| Extended Memory |
| |
| |
------------------ <- 0x00100000 (1MB)
| BIOS ROM |
------------------ <- 0x000F0000 (960KB)
| 16-bit devices, |
| expansion ROMs |
------------------ <- 0x000C0000 (768KB)
| VGA Display |
------------------ <- 0x000A0000 (640KB)
| |
| Low Memory |
| |
------------------ <- 0x00000000使用 gdb 调试qemu：
打开新的窗口：
代码语言：javascript复制cd lab
make qemu-gdb在另外一个终端：
代码语言：javascript复制make
make gdb开始使用gdb调试，首先进入实模式；
- IBM PC从物理地址0x000ffff0开始执行，该地址位于为ROM BIOS保留的64KB区域的最顶部。
- PC从CS = 0xf000和IP = 0xfff0开始执行。
- 要执行的第一条指令是jmp指令，它跳转到分段地址 CS = 0xf000和IP = 0xe05b。
物理地址 = 16 *网段 偏移量
然后，BIOS所做的第一件事就是jmp倒退到BIOS中的较早位置；
Part 2: The Boot Loader 引导加载程序
PC的软盘和硬盘分为512个字节的区域，称为扇区。
当BIOS找到可引导的软盘或硬盘时，它将512字节的引导扇区加载到物理地址0x7c00至0x7dff的内存中，然后使用jmp指令将CS：IP设置为0000：7c00，将控制权传递给引导程序装载机。
引导加载程序必须执行的两个主要功能：
- 将处理器从实模式切换到 32位保护模式；
- 通过x86的特殊I / O指令直接访问IDE磁盘设备寄存器，从硬盘读取内核；
引导加载程序的源代码：
boot/boot.S
代码语言：javascript复制#include <inc/mmu.h>
# 启动CPU：切换到32位保护模式，跳至C代码；
# BIOS将该代码从硬盘的第一个扇区加载到
# 物理地址为0x7c00的内存，并开始以实模式执行
# %cs=0 %ip=7c00.
.set PROT_MODE_CSEG, 0x8 # 内核代码段选择器
.set PROT_MODE_DSEG, 0x10 # 内核数据段选择器
.set CR0_PE_ON, 0x1 # 保护模式启用标志
.globl start
start:
.code16 # 汇编为16位模式
cli # 禁用中断
cld # 字符串操作增量，将标志寄存器Flag的方向标志位DF清零。
# 在字串操作中使变址寄存器SI或DI的地址指针自动增加，字串处理由前往后。
# 设置重要的数据段寄存器（DS，ES，SS）
xorw %ax,%ax # 第零段
movw %ax,%ds # ->数据段
movw %ax,%es # ->额外段
movw %ax,%ss # ->堆栈段
# 启用A20：
# 为了与最早的PC向后兼容，物理
# 地址线20绑在低电平，因此地址高于
# 1MB会被默认返回从零开始。 这边代码撤消了此操作。
seta20.1:
inb $0x64,%al # 等待其不忙状态
testb $0x2,%al
jnz seta20.1
movb $0xd1,%al # 0xd1 -> 端口 0x64
outb %al,$0x64
seta20.2:
inb $0x64,%al # 等待其不忙状态
testb $0x2,%al
jnz seta20.2
movb $0xdf,%al # 0xdf -> 端口 0x60
outb %al,$0x60
# 使用引导GDT从实模式切换到保护模式
# 并使用段转换以保证虚拟地址和它们的物理地址相同
# 因此
# 有效内存映射在切换期间不会更改。
lgdt gdtdesc
movl %cr0, �x
orl $CR0_PE_ON, �x
movl �x, %cr0
# 跳转到下一条指令，但还是在32位代码段中。
# 将处理器切换为32位指令模式。
ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg
.code32 # 32位模式汇编
protcseg:
# 设置保护模式数据段寄存器
movw $PROT_MODE_DSEG, %ax # 我们的数据段选择器
movw %ax, %ds # -> DS: 数据段
movw %ax, %es # -> ES:额外段
movw %ax, %fs # -> FS
movw %ax, %gs # -> GS
movw %ax, %ss # -> SS: 堆栈段
# 设置堆栈指针并调用C代码，bootmain
movl $start, %esp
call bootmain
# 如果bootmain返回（不应该这样），则循环
spin:
jmp spin
# Bootstrap GDT
.p2align 2 # 强制4字节对齐
gdt:
SEG_NULL # 空段
SEG(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff) # 代码段
SEG(STA_W, 0x0, 0xffffffff) # 数据部分
gdtdesc:
.word 0x17 # sizeof(gdt) - 1
.long gdt # address gdtboot/main.c
代码语言：javascript复制#include <inc/x86.h>
#include <inc/elf.h>
/**********************************************************************
* 这是一个简单的启动装载程序，唯一的工作就是启动
* 来自第一个IDE硬盘的ELF内核映像。
*
* 磁盘布局
* * 此程序（boot.S和main.c）是引导加载程序。这应该
* 被存储在磁盘的第一个扇区中。
*
* * 第二个扇区开始保存内核映像。
*
* * 内核映像必须为ELF格式。
*
* 启动步骤
* * 当CPU启动时，它将BIOS加载到内存中并执行
*
* * BIOS初始化设备，中断例程集以及
* 读取引导设备的第一个扇区（例如，硬盘驱动器）
* 进入内存并跳转到它。
*
* * 假设此引导加载程序存储在硬盘的第一个扇区中
* 此代码接管...
*
* * 控制从boot.S开始-设置保护模式，
* 和一个堆栈，然后运行C代码，然后调用bootmain（）
*
* * 该文件中的bootmain（）会接管，读取内核并跳转到该内核。
**********************************************************************/
#define SECTSIZE 512
#define ELFHDR ((struct Elf *) 0x10000) // /暂存空间
void readsect(void*, uint32_t);
void readseg(uint32_t, uint32_t, uint32_t);
void
bootmain(void)
{
struct Proghdr *ph, *eph;
// 从磁盘读取第一页
readseg((uint32_t) ELFHDR, SECTSIZE*8, 0);
// 这是有效的ELF吗？
if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC)
goto bad;
// 加载每个程序段（忽略ph标志）
ph = (struct Proghdr *) ((uint8_t *) ELFHDR ELFHDR->e_phoff);
eph = ph ELFHDR->e_phnum;
for (; ph < eph; ph )
// p_pa是该段的加载地址（同样
// 是物理地址）
readseg(ph->p_pa, ph->p_memsz, ph->p_offset);
// 从ELF标头中调用入口点
// 注意：不返回！
((void (*)(void)) (ELFHDR->e_entry))();
bad:
outw(0x8A00, 0x8A00);
outw(0x8A00, 0x8E00);
while (1)
/* do nothing */;
}
// 从内核将“偏移”处的“计数”字节读取到物理地址“ pa”中。
// 复制数量可能超过要求
void
readseg(uint32_t pa, uint32_t count, uint32_t offset)
{
uint32_t end_pa;
end_pa = pa count;
// 向下舍入到扇区边界
pa &= ~(SECTSIZE - 1);
// 从字节转换为扇区，内核从扇区1开始
offset = (offset / SECTSIZE) 1;
// 如果速度太慢，我们可以一次读取很多扇区。
// 我们向内存中写入的内容超出了要求，但这没关系 --
// 我们以递增顺序加载.
while (pa < end_pa) {
// 由于尚未启用分页，因此我们正在使用
// 一个特定的段映射 (参阅 boot.S), 我们可以
// 直接使用物理地址. 一旦JOS启用MMU
// ，就不会这样了
readsect((uint8_t*) pa, offset);
pa = SECTSIZE;
offset ;
}
}
void
waitdisk(void)
{
// 等待磁盘重新运行
while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
/* do nothing */;
}
void
readsect(void *dst, uint32_t offset)
{
// 等待磁盘准备好
waitdisk();
outb(0x1F2, 1); // count = 1
outb(0x1F3, offset);
outb(0x1F4, offset >> 8);
outb(0x1F5, offset >> 16);
outb(0x1F6, (offset >> 24) | 0xE0);
outb(0x1F7, 0x20); // cmd 0x20 - 读取扇区
// 等待磁盘准备好
waitdisk();
// 读取一个扇区
insl(0x1F0, dst, SECTSIZE/4);
}加载内核
- ELF二进制文件： 可以将ELF可执行文件视为具有加载信息的标头，然后是几个程序段，每个程序段都是要在指定地址加载到内存中的连续代码或数据块。ELF二进制文件以固定长度的ELF标头开头，其后是可变长度的程序标头， 列出了要加载的每个程序段。
执行objdump -h obj/kern/kernel，查看内核可执行文件中所有部分的名称，大小和链接地址的完整列表：
- .text：程序的可执行指令。
- .rodata：只读数据，例如C编译器生成的ASCII字符串常量。
- .data：数据部分保存程序的初始化数据，例如用int x = 5等初始化程序声明的全局变量；
- VMA 链接地址，该节期望从中执行的内存地址。
- LMA 加载地址，
obj/kern/kernel: file format elf32-i386
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 00001acd f0100000 00100000 00001000 2**4
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
1 .rodata 000006bc f0101ae0 00101ae0 00002ae0 2**5
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
2 .stab 00004291 f010219c 0010219c 0000319c 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
3 .stabstr 0000197f f010642d 0010642d 0000742d 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
4 .data 00009300 f0108000 00108000 00009000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
5 .got 00000008 f0111300 00111300 00012300 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
6 .got.plt 0000000c f0111308 00111308 00012308 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
7 .data.rel.local 00001000 f0112000 00112000 00013000 2**12
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
8 .data.rel.ro.local 00000044 f0113000 00113000 00014000 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
9 .bss 00000648 f0113060 00113060 00014060 2**5
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
10 .comment 00000024 00000000 00000000 000146a8 2**0
CONTENTS, READONLY查看引导加载程序的.text部分：
objdump -h obj/boot/boot.out
代码语言：javascript复制obj/boot/boot.out: file format elf32-i386
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 0000019c 00007c00 00007c00 00000074 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, CODE
1 .eh_frame 0000009c 00007d9c 00007d9c 00000210 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
2 .stab 00000870 00000000 00000000 000002ac 2**2
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
3 .stabstr 00000940 00000000 00000000 00000b1c 2**0
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
4 .comment 00000024 00000000 00000000 0000145c 2**0
CONTENTS, READONLY引导加载程序使用ELF 程序标头来决定如何加载这些部分，程序标头指定要加载到内存中的ELF对象的哪些部分以及每个目标地址应占据的位置。
检查程序头：objdump -x obj/kern/kernel
ELF对象需要加载到内存中的区域是标记为“ LOAD”的区域。
代码语言：javascript复制Program Header:
LOAD off 0x00001000 vaddr 0xf0100000 paddr 0x00100000 align 2**12
filesz 0x00007dac memsz 0x00007dac flags r-x
LOAD off 0x00009000 vaddr 0xf0108000 paddr 0x00108000 align 2**12
filesz 0x0000b6a8 memsz 0x0000b6a8 flags rw-
STACK off 0x00000000 vaddr 0x00000000 paddr 0x00000000 align 2**4
filesz 0x00000000 memsz 0x00000000 flags rwx查看内核程序的入口点objdump -f obj/kern/kernel：
obj/kern/kernel: file format elf32-i386
architecture: i386, flags 0x00000112:
EXEC_P, HAS_SYMS, D_PAGED
start address 0x0010000c- 在开始时，gdb会提示：The target architecture is assumed to be i8086
- 切换到保护模式之后(ljmpl 0x8,0xfd18f指令后)，提示: The target architecture is assumed to be i386
练习6：
重置机器（退出QEMU / GDB并再次启动它们）。在BIOS进入引导加载程序时检查0x00100000处的8个内存字，然后在引导加载程序进入内核时再次检查。
进入引导加载程序:
代码语言：javascript复制(gdb) x/8x 0x00100000
0x100000: 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00000000
0x100010: 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00000000设置断点： b *0x7d81
引导加载程序进入内核:
代码语言：javascript复制(gdb) x/8x 0x00100000
0x100000: 0x1badb002 0x00000000 0xe4524ffe 0x7205c766
0x100010: 0x34000004 0x2000b812 0x220f0011 0xc0200fd8
