Lab2
我们会在Lab2中实现一个真实的操作系统内核的调试，我们采用的是[xv6-public](https://github.com/mit-pdos/xv6-public)的代码
预备知识（工具篇）
需要编译这个操作系统内核，我们需要了解一些qemu和一些关于link的知识。
qemu（我们采用的版本是qemu-system-i386）
QEMU是一款开源的硬件虚拟化软件，它允许用户在单个物理机器上创建和运行多个虚拟机（VM）。它可以模拟各种硬件平台，为运行不同操作系统和应用程序提供一个隔离的VM环境。QEMU被广泛用于开发和测试，同时也用于生产环境中部署虚拟服务器。
PS：就是一个提供硬件虚拟化的软件和VMware之类的相同，个人没研究过VMware的全部功能。不知道能不能支持numa
下面请自行阅读Makefile，对于不知道的参数使用man指令来进行阅读。
下面的代码提供了一个操作系统的多种启动方式
qemu: fs.img xv6.img
$(QEMU) -serial mon:stdio $(QEMUOPTS)
qemu-memfs: xv6memfs.img
$(QEMU) -drive file=xv6memfs.img,index=0,media=disk,format=raw -smp $(CPUS) -m 256
qemu-nox: fs.img xv6.img
$(QEMU) -nographic $(QEMUOPTS)
.gdbinit: .gdbinit.tmpl
sed "s/localhost:1234/localhost:$(GDBPORT)/" < $^ > $@
qemu-gdb: fs.img xv6.img .gdbinit
@echo "*** Now run 'gdb'." 1>&2
$(QEMU) -serial mon:stdio $(QEMUOPTS) -S $(QEMUGDB)
qemu-nox-gdb: fs.img xv6.img .gdbinit
@echo "*** Now run 'gdb'." 1>&2
$(QEMU) -nographic $(QEMUOPTS) -S $(QEMUGDB)
使用.gdbinit（建议掌握）（这一段是ChatGPT生成的）
PS：如果不使用.gdbinit，调试的枯燥程度很难想象的
gdb 提供了一种机制来自动加载预定义的命令，这通常通过一个名为 .gdbinit 的文件完成。当 gdb 启动时，它会在当前目录下查找 .gdbinit 文件，并执行其中的命令。这对于设置调试会话的环境非常有用，比如定义自定义命令、设置断点或配置显示选项等。
用法示例
下面是一个 .gdbinit 文件的简单示例：
# .gdbinit
# 设置断点
break main
# 设置调试格式
set print pretty
# 定义自定义命令
define hello
echo Hello, GDB!\\n
end
在上述示例中：
break main: 在 main 函数上设置一个断点。
set print pretty: 设置打印输出格式为“pretty”，以便更易于阅读。
define ... end: 定义一个自定义命令，这里定义了一个名为 hello 的命令，它将输出 "Hello, GDB!"。
注意
出于安全原因，gdb 默认不会自动加载当前目录中的 .gdbinit 文件。要允许加载，请在 /home/
更多命令和用法
run: 带参数启动你的程序。
info registers: 显示寄存器的当前状态。
x/...: 用于内存检查。
bt: 显示调用堆栈。
使用 .gdbinit 的优点
自动设置：可以自动设置断点、监视点等。
环境配置：可以预先定义一些格式和显示的配置。
自定义命令：可以创建自定义命令以简化复杂的调试流程。
通过合理利用 .gdbinit，你可以提高调试的效率和准确性，特别是在复杂项目中。你可以将常用的命令和设置放在 .gdbinit 文件中，这样在每次启动 gdb 时都会自动加载这些预定义的设置和命令，省去了手动设置的麻烦。
预备知识（知识篇）
编译过程（结合gcc指令的介绍）（在这里我们着重讨论的是ld的过程）
预处理（Preprocessing）:
在GCC中，预处理步骤可以通过 E 标志单独执行。
命令示例：gcc -E source.c。
这将只执行预处理步骤，处理如#include、#define等指令，并输出扩展的源代码。
编译（Compilation）:
编译步骤将预处理后的代码转换为汇编代码。
在GCC中，这可以通过 S 标志来执行。
命令示例：gcc -S source.c。
这将生成一个汇编文件（通常是.s扩展名）。
汇编（Assembly）:
GCC将汇编代码转换为机器代码（目标文件）。
通常这一步是自动进行的，但也可以单独执行。
命令示例：gcc -c source.s，这将生成一个目标文件（.o扩展名）。
链接（Linking）:
最后，GCC的链接器（通常是ld）将一个或多个目标文件与所需的库文件链接在一起，生成可执行文件。
命令示例：gcc source.o -o program。
这里，source.o是目标文件，program是最终生成的可执行文件。
综合命令:
通常，上述步骤可以通过单个GCC命令一次性完成：gcc source.c -o program。
这个命令将执行全部的编译步骤：预处理、编译、汇编和链接，最终生成名为program的可执行文件。
GCC还有许多其他选项和功能，例如优化选项（如-O2）、调试信息生成（如-g）等，可以根据具体需求进行选择和使用。
链接器脚本
GNU手册
链接器脚本定义了程序的内存布局，指定了不同段（如文本段、数据段、bss段等）在可执行文件中的位置和地址。这对于操作系统这样需要精确控制内存布局的程序来说非常重要。
下面的代码也正好能说明2G user + 2G kernel的分配
我们会在后面的例子中分析xv6的链接器脚本（kernel.ld）
/* Simple linker script for the JOS kernel.
See the GNU ld 'info' manual ("info ld") to learn the syntax. */
OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
/* Link the kernel at this address: "." means the current address */
/* Must be equal to KERNLINK */
. = 0x80100000;
.text : AT(0x100000) {
*(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
}
PROVIDE(etext = .); /* Define the 'etext' symbol to this value */
.rodata : {
*(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*)
}
/* Include debugging information in kernel memory */
.stab : {
PROVIDE(__STAB_BEGIN__ = .);
*(.stab);
PROVIDE(__STAB_END__ = .);
}
.stabstr : {
PROVIDE(__STABSTR_BEGIN__ = .);
*(.stabstr);
PROVIDE(__STABSTR_END__ = .);
}
/* Adjust the address for the data segment to the next page */
. = ALIGN(0x1000);
/* Conventionally, Unix linkers provide pseudo-symbols
* etext, edata, and end, at the end of the text, data, and bss.
* For the kernel mapping, we need the address at the beginning
* of the data section, but that's not one of the conventional
* symbols, because the convention started before there was a
* read-only rodata section between text and data. */
PROVIDE(data = .);
/* The data segment */
.data : {
*(.data)
}
PROVIDE(edata = .);
.bss : {
*(.bss)
}
PROVIDE(end = .);
/DISCARD/ : {
*(.eh_frame .note.GNU-stack)
}
}
启动调试
启动的分类
冷启动，是指计算机在关机状态下按 POWER 键启动，又叫硬件启动，比如开机，这种启动方式在启动之前计算机处于断电状态，像内存这种需要加电维持的存储部件里面的内容都丢失了，加电开机那一刻里面的值都是随机的，操作系统会对其进行初始化。
热启动是在加电的情况下启动，又叫软件启动，比如重启，这种启动方式在启动之前和启动之后电没断过，内存等存储部件里面的值不会改变，但毕竟是启动过程，操作系统会对其进行初始化。
PS：不知道大家有没有遇到电脑卡死的情况，这种情况下一般不是长按开机键，进行reset。在世纪初左右的电脑，reset键和开机键是分开的。
BIOS->MBR->Bootloader->OS->Multiprocessor
在这引入启动的过程，然后我们正式开始实验，我们这里不考虑多核启动的问题
编译运行
建议先把CPU数设置为1，然后进行调试，简化启动流程。当然可以在Makefile中进行修改（建议修改Makefile减少后续的操作）
make
make qemu
make CPU=1 qemu-gdb
如何启动调试
在一个窗口中输入make qemu-gdb，另外一个相同目录下的窗口中启动gdb即可。
手册的重要性
PS：RTFM，STFW
手册规定了计算机所有可能的行为，计算机永远不会错，所以当我们想要学习这种人定的机器时，我们应该使用手册。
如果大家在后面的实验中遇到了问题，应该积极的RTFM和STFW
Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
intel 32位和64位开发手册.pdf
理论过程
BIOS的作用：
将硬盘(通常引导设备就是硬盘)最开始那个扇区 MBR 加载到0x7c00
自检，然后对一些硬件设备做简单的初始化
构建中断向量表加载中断服务程序
MBR的作用：
MBR 的代码在分区表中寻找可以引导存在操作系统的分区，也就是寻找标记为 0x80 的活动分区，然后加载该活动分区的引导块，再执行其中的操作系统引导程序 Bootloader。
Bootloader的作用：
主要作用就是将操作系统加载到内存里面。操作系统也是一个程序，需要加载到内存里面才能运行
还做了一些其他事情，比如进入保护模式，开启分页机制，建立内存的映射等等
OS的作用：
操作系统内核加载到内存之后，就做一些初始化工作建立好工作环境，比如各个硬件的初始化，重新设置 GDT，IDT 等等初始的操作。初始化启动其他处理器(如果有多个处理器的话)。这里不细说，也不好叙述。
Multiprocessor：（拓展知识）
先启动一个 CPU，用它作为基础启动其他的处理器。先启动的这个 CPU 称作 BSP(BootStrap Processor)，其他处理器叫做 AP(Application Processor)。
BIOS
在启动的瞬间就会完成CS和IP的初始化：CS = 0xf000, IP = 0xfff0
操作系统在开机时处于实地址模式
刚启动的时候计算机处于实模式，实模式地址下总线只用了20位，只有2^20=1M的寻址空间，换句话说只用了内存的低1M，这时候分页机制还没建立，CPU就是运行在实际的物理地址上。（实模式）
如何访问实地址模式下的内存：
在实模式下，物理地址（即实际RAM中的地址）是通过将CS左移4位（或者说乘以16）并与IP相加来计算的。下面是计算公式：
Physical Address=CS * 16+ IP
根据CS = 0xf000, IP = 0xfff0，可以得到
address =0xf000 << 4 + 0xfff0=0xffff0
LAB1：
使用gdb来查看0xffff0的语句是什么？并且说明BIOS在内存中的位置。
MBR过程
介绍：MBR（Master Boot Record）是位于存储设备（如硬盘或SSD）最开始部分的一个特殊区域，具有重要的启动和分区表信息。MBR的大小通常为512字节。
bootasm.S 和 bootmain.c 两文件联合在一起编译成二进制文件 bootblock 放在磁盘最开始的那个扇区，然后被 BIOS 加载到0x7c00处，从0x7c00处开始执行。
使用file指令查看文件的属性
file bootblock
bootblock: DOS/MBR boot sector
查看Makefile
bootblock: bootasm.S bootmain.c
$(CC) $(CFLAGS) -fno-pic -O -nostdinc -I. -c bootmain.c
$(CC) $(CFLAGS) -fno-pic -nostdinc -I. -c bootas1m.S
$(LD) $(LDFLAGS) -N -e start **-Ttext 0x7C00** -o bootblock.o bootasm.o bootmain.o
$(OBJDUMP) -S bootblock.o > bootblock.asm
$(OBJCOPY) -S -O binary -j .text bootblock.o bootblock
./sign.pl bootblock
PS：这里我就不多做解释了，如果感兴趣，我会给出一个相似的实验，写一个能直接再硬件上运行的程序（拓展补充）
LAB2：
使用gdb进行内存追踪，来查看具体是BIOS的哪一段代码加载了MBR。
LAB3：
阅读bootasm.S，给出A20线如何开启
给出操作系统如何切换到保护模式
拓展补充
BIOS VS UEFI
写一个能直接再硬件上运行的程序（拓展补充）
实验任务
要求：
需要有自己信息的截图，gdb需要输出自定义字符串（带学号和姓名），需要高亮关键调试信息并进行解释
(gdb) printf "学号-姓名"
关于2-3需要给出详细解释，具体到函数层面。（解释每个代码段的功能）
2-1 LAB：
使用gdb来查看地址0xffff0的语句是什么？并且说明BIOS在内存中的位置。
2-2 LAB：
使用gdb进行内存追踪，来查看具体是BIOS的哪一段代码加载了MBR。
2-3 LAB：
阅读bootasm.S，给出A20线如何开启
给出操作系统如何切换到保护模式的，结合代码说明，最好能结合手册说明。