• 【实现】bootloader加载并运行ucore

    【实现】bootloader加载并运行ucore

    了解完proj2/3的组成与编译，并大致理解上述两个背景知识后，我们就可以分析bootloader加载并运行ucore操作系统的工作流程。

    硬盘数据是储存到硬盘扇区中，一个扇区大小为512字节。读一个扇区的流程可参看bootmain.c中的readsect函数实现。大致如下：

    1. 读I/O地址0x1f7，等待磁盘准备好；
    2. 写I/O地址0x1f2~0x1f5,0x1f7，发出读取第offseet个扇区处的磁盘数据的命令；
    3. 读I/O地址0x1f7，等待磁盘准备好;
    4. 连续读I/O地址0x1f0，把磁盘扇区数据读到指定内存。

    这个函数是被bootloader用于读取硬盘上的ucore操作系统。bootloader为了读取硬盘上的ucore操作系统，将调用bootmain函数首先读取了位于主引导扇区的后的连续8个扇区（可参见bootmain函数中的第一条语句），并把数据放到0x10000处（可回顾一下2.7.1中描述链接bin/kernel的过程），并按照数据结构elfhdr来解析这块4KB大小的数据；如果其e_magic数据域不等于ELF_MAGIC（即0x464C457F），则表示这个不是标准的ELF格式的文件；如果等于ELF_MAGIC，则继续解析，并根据其e_phnum数据域的值来读取多个program header，并根据program header的信息，了解到ucore中各个segment的起始位置和大小，然后把放在硬盘上的相关segment读入到内存中。

    【实验】分析kernel并在bootloader中显示kernel的segment信息

    1. 在proj3目录下执行命令make，则会在bin目录下生成kernel，即ELF执行格式文件的操作系统ucore；

    2. 在proj3目录下执行命令 readelf -h bin/kernel，可得到有关elf header的如下信息

      1.  ELF Header:
      2.    Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
      3.    Class:                             ELF32
      4.    Data:                              2's complement, little endian
      5.    Version:                           1 (current)
      6.    OS/ABI:                            UNIX - System V
      7.    ABI Version:                       0
      8.    Type:                              EXEC (Executable file)
      9.    Machine:                           Intel 80386
      10.    Version:                           0x1
      11.    Entry point address:               0x100000
      12.    Start of program headers:          52 (bytes into file)
      13.    Start of section headers:          19872 (bytes into file)
      14.    Flags:                             0x0
      15.    Size of this header:               52 (bytes)
      16.    Size of program headers:           32 (bytes)
      17.    Number of program headers:         3
      18.    Size of section headers:           40 (bytes)
      19.    Number of section headers:         17
      20.    Section header string table index: 14

      从中，我们可以看到kernel的入口点在0x100000，program header相对文件的偏移位置在52，elf header的大小为52字节，program header的大小为32字节。

    3. 在proj3目录下执行命令 readelf -l bin/kernel，可得到有关program header的如下信息

      1.  Elf file type is EXEC (Executable file)
      2.  Entry point 0x100000
      3.  There are 3 program headers, starting at offset 52
      5.  Program Headers:
      6.    Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
      7.    LOAD           0x001000 0x00100000 0x00100000 0x01038 0x01038 R E 0x1000
      8.    LOAD           0x002038 0x00102038 0x00102038 0x00004 0x00004 RW  0x1000
      9.    GNU_STACK      0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x4
      11.   Section to Segment mapping:
      12.    Segment Sections...
      13.     00     .text .rodata 
      14.     01     .data 
      15.     02

    从中，我们可以看到kernel的入口点在0x100000，代码段位于0x100000，大小为0x1038；数据段位于0x102038，大小为0x04。

    【实验】用gdb调试bootloader，并在gdb中显示kernel的segment信息

    我们还可通过用gdb调试bootloader进行验证，具体步骤如下：

    1. 开两个窗口；在一个窗口中，在proj3目录下执行命令make；
    2. 在proj3目录下执行 “qemu -hda bin/ucore.img -S –s”,这时会启动一个qemu窗口界面，处于暂停状态，等待gdb链接；
    3. 在另外一个窗口中，在proj3目录下执行命令 gdb obj/bootblock.o；

    4. 在gdb的提示符下执行如下命令，会有一定的输出：

      1.  (gdb) target remote :1234   #与qemu建立远程链接
      2.  (gdb) break bootmain.c:100  #在bootmain.c的第100行设置一个断点
      3.  (gdb) continue              #让qemu继续执行

      这时qemu会继续执行，但执行到bootmain.c的第100行时会暂停，等待gdb的控制。这时可以在gdb中继续输入如下命令来参考kernel的信息：

      1.  (gdb) p /x *(struct elfhdr *)0x10000  #按struct elfhdr结构显示0x10000处内容
      2.  $7 = {e_magic = 0x464c457f, e_elf = {0x1, 0x1, 0x1, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0}, e_type = 0x2, e_machine = 0x3, e_version = 0x1, e_entry = 0x100000, e_phoff = 0x34, e_shoff = 0x4550, e_flags = 0x0, e_ehsize = 0x34, e_phentsize = 0x20,   e_phnum = 0x3, e_shentsize = 0x28, e_shnum = 0x11, e_shstrndx = 0xe}

      查看bootmain函数，可以知道，此时在0x10000处已经读入了kernel的ELF头信息，有三个program header 表(e_phnum值),继续在gdb中敲入命令，可以得到更多信息：

      1.  (gdb) next                #执行下一条指令
      2.  (gdb) p /x *ph            #获得text段的program header表信息
      3.  $5 = {p_type = 0x1, p_offset = 0x1000, p_va = 0x100000, p_pa = 0x100000, p_filesz = 0x1038,  p_memsz = 0x1038, p_flags = 0x5, p_align = 0x1000}
      4.  (gdb) next                #执行下一条指令
      5.  (gdb) next                #执行下一条指令
      6.  (gdb) p /x *ph            #获得data段的program header表信息
      7.  $6 = {p_type = 0x1, p_offset = 0x2038, p_va = 0x102038, p_pa = 0x102038, p_filesz = 0x4, p_memsz = 0x4, p_flags = 0x6, p_align = 0x1000}

      对照readelf命令输出的信息，可以发现bootloader正确读出了text段和data段的program header表信息，并根据这些信息调用如下函数

      1.  -->readseg(ph->p_va, ph->p_memsz, ph->p_offset);
      2.      -->readsect((uint8_t *)va, offset);

      把这两个段的内容读入到正确的线性内存地址中。然后再根据e_entry = 0x100000，跳转到0x100000处去执行，这其实就是把处理器控制权转移给了ucore了。