Lab01

思考题

thinking1.1

参数

-D : Display assembler contents of all sections，即反汇编所有节的内容

-S : Intermix source code with disassembly，显示与反汇编结合的源代码

编译与反汇编Ⅰ

main.c

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int main(){
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
        return 0;
}

反汇编main.o(只截取main代码段)

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00000000 <main>:
    0:   27bdffe0    addiu   sp,sp,-32	//8 bytes
    4:   afbe0018    sw  s8,24(sp)		//store $s8 into stack
    8:   03a0f021    move    s8,sp		//store $sp into s8
    c:   24020001    li  v0,1			//$v0 = 1
    10:   afc20010    sw  v0,16(s8)		//
    14:   24020002    li  v0,2
    18:   afc2000c    sw  v0,12(s8)
    1c:   8fc30010    lw  v1,16(s8)
    20:   8fc2000c    lw  v0,12(s8)
    24:   00621021    addu    v0,v1,v0
    28:   afc20008    sw  v0,8(s8)
    2c:   00001021    move    v0,zero
    30:   03c0e821    move    sp,s8
    34:   8fbe0018    lw  s8,24(sp)
    38:   27bd0020    addiu   sp,sp,32
    3c:   03e00008    jr  ra
    40:   00000000    nop

反汇编main(只截取main代码段)

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004000b0 <main>:
    4000b0:   27bdffe0    addiu   sp,sp,-32
    4000b4:   afbe0018    sw  s8,24(sp)
    4000b8:   03a0f021    move    s8,sp
    4000bc:   24020001    li  v0,1
    4000c0:   afc20010    sw  v0,16(s8)
    4000c4:   24020002    li  v0,2
    4000c8:   afc2000c    sw  v0,12(s8)
    4000cc:   8fc30010    lw  v1,16(s8)
    4000d0:   8fc2000c    lw  v0,12(s8)
    4000d4:   00621021    addu    v0,v1,v0
    4000d8:   afc20008    sw  v0,8(s8)
    4000dc:   00001021    move    v0,zero
    4000e0:   03c0e821    move    sp,s8
    4000e4:   8fbe0018    lw  s8,24(sp)
    4000e8:   27bd0020    addiu   sp,sp,32
    4000ec:   03e00008    jr  ra
    4000f0:   00000000    nop

在链接时进行了重定位，main地址不再是0，而是0x4000b0。

编译与反汇编Ⅱ——反汇编vmlinux

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80010040 <main>:
    80010040:   27bdffe8    addiu   sp,sp,-24
    80010044:   afbf0010    sw  ra,16(sp)
    80010048:   3c048001    lui a0,0x8001
    8001004c:   0c00428e    jal 80010a38 <printf>
    80010050:   24840af8    addiu   a0,a0,2808
    80010054:   3c048001    lui a0,0x8001
    80010058:   24840b14    addiu   a0,a0,2836
    8001005c:   2405000a    li  a1,10
    80010060:   3c068001    lui a2,0x8001
    80010064:   0c00428e    jal 80010a38 <printf>
    80010068:   24c60b1c    addiu   a2,a2,2844
    8001006c:   0c004024    jal 80010090 <mips_init>
    80010070:   00000000    nop	   
    80010074:   3c048001    lui a0,0x8001
    80010078:   24840b24    addiu   a0,a0,2852
    8001007c:   24050014    li  a1,20
    80010080:   3c068001    lui a2,0x8001
    80010084:   0c00429e    jal 80010a78 <_panic>
    80010088:   24c60b2c    addiu   a2,a2,2860
    8001008c:   00000000    nop

thinking1.2

之前的testELF文件是小端编码，而内核文件vmlinux是大端编码，在读取数据时会产生错误，最终导致读取地址越界，因此我们的readELF程序并不能解析。

thinking1.3

因为在GXemul仿真器的帮助下，我们已经有了完整的C环境，只需要将内核加载后跳转到内核函数入口就可以启动完毕。

在链接器中，我们指定了内核加载的地址，并通过start中的代码，初始化硬件设备，设置堆栈入口，然后跳转到了内核函数入口处。

thinking1.4

避免页面冲突现象，即两个程序所占空间不能重合；

避免页面共享现象，即两个程序占据了同一页的空间。

对于当前程序加载时，应当以前一程序的尾地址向后页对齐后的地址作为起始地址，即保证两个程序不会占据同一页的空间，避免了页面共享和页面冲突现象。

thinking1.5

内核入口在0x80010000

main函数在0x80010040，从对vmlinux的反汇编中可以看到

在start.S文件中设置堆栈入口后，通过调用main函数，即MIPS中的jal指令，进入main函数

通过链接和重定位后，每个函数有自己的地址，可以通过jal进行跨文件调用函数

thinking1.6

将CP0的状态寄存器STATUS REGISTER置0，则其中的全局中断使能位也为0，禁用全局中断。

将CP0的CONFIG寄存器中值取出，将低三位置0又将第2位置1，则低三位K0区值为2，这时意为决定kseg0区不用高速缓存。

实验难点

难点一 ELF文件的解析

lab1-elf

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typedef struct {
    unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];     /* Magic number and other info */
    // 存放魔数以及其他信息
    Elf32_Half      e_type;                 /* Object file type */
    // 文件类型 
    Elf32_Half      e_machine;              /* Architecture */
    // 机器架构
    Elf32_Word      e_version;              /* Object file version */
    // 文件版本
    Elf32_Addr      e_entry;                /* Entry point virtual address */
    // 入口点的虚拟地址
    Elf32_Off       e_phoff;                /* Program header table file offset */
    // 程序头表所在处与此文件头的偏移
    Elf32_Off       e_shoff;                /* Section header table file offset */
    // 节头表所在处与此文件头的偏移
    Elf32_Word      e_flags;                /* Processor-specific flags */
    // 针对处理器的标记
    Elf32_Half      e_ehsize;               /* ELF header size in bytes */
    // ELF文件头的大小（单位为字节）
    Elf32_Half      e_phentsize;            /* Program header table entry size */
    // 程序头表入口大小
    Elf32_Half      e_phnum;                /* Program header table entry count */
    // 程序头表入口数
    Elf32_Half      e_shentsize;            /* Section header table entry size */
    // 节头表入口大小
    Elf32_Half      e_shnum;                /* Section header table entry count */
    // 节头表入口数
    Elf32_Half      e_shstrndx;             /* Section header string table index */
    // 节头字符串编号
} Elf32_Ehdr;
typedef struct {
  // section name
  Elf32_Word sh_name;
  // section type
  Elf32_Word sh_type;
  // section flags
  Elf32_Word sh_flags;
  // section addr
  Elf32_Addr sh_addr;
  // offset from elf head of this entry
  Elf32_Off sh_offset;
  // byte size of this section
  Elf32_Word sh_size;
  // link
  Elf32_Word sh_link;
  // extra info
  Elf32_Word sh_info;
  // alignment
  Elf32_Word sh_addralign;
  // entry size
  Elf32_Word sh_entsize;
 }Elf32_Shdr;
typedef struct {
  // segment type
  Elf32_Word p_type;
  // offset from elf file head of this entry
  Elf32_Off p_offset;
  // virtual addr of this segment
  Elf32_Addr p_vaddr;
  // physical addr, in linux, this value is meanless and has same value of p_vaddr
  Elf32_Addr p_paddr;
  // file size of this segment
  Elf32_Word p_filesz;
  // memory size of this segment
  Elf32_Word p_memsz;
  // segment flag
  Elf32_Word p_flags;
  // alignment
  Elf32_Word p_align;
 }Elf32_Phdr;

这是Lab1的第一道难关，也是第一次上机的重要考点，在反复阅读代码以及ELF手册后，终于明白了ELF文件大概布局和格式。

ELF Header

每个ELF文件有且仅有一个ELF Header，也就是上述定义为Elf32_Ehdr的结构体，在这里记录了整个ELF文件的重要信息，其中最值得关注的，例如：

  • e_ident：是ELF文件的标识符，一共16个字节的内容，其中前4字节又被称为魔数，用于标识这是一个ELF文件；第6个字节是数据编码格式，用于判断是小端存储还是大端存储。
  • e_entry：程序入口的虚拟地址。
  • e_ehsize：ELF文件头的大小。
  • e_phoff/e_shoff：程序(节)头表的偏移地址，都是相对于ELF文件起始地址的偏移量
  • e_phentsize/e_shentsize：程序(节)头表中每一表项的大小。
  • e_phnum/e_shnum：程序(节)头表中表项的数量。

了解后三个变量的定义后，就基本可以做出exercise1.2了。

段与节

这是ELF文件中间的部分，也是文件真正的内容所在。

ELF文件有三种格式：可重定位文件，共享目标文件和可执行文件。

当文件为可重定位文件时，我们将中间部分称为节，这时在文件末尾的节头表相对更重要，它记录了所有节的信息；

当文件为另外两种类型时，我们将中间部分称为段，这时在文件头部的程序头表更为重要，它记录了所有段的信息。

总而言之，节与段只是在不同文件中表现形式的区别，实际上是同一部分内容。一般来说，段的数量会少于节，因为一个段一般会包含多个节的内容。

程序头表与节头表

从ELF文件布局图中看，这两个表一个在文件开头，一个在文件结尾(实际布局可能有所差异)。

之前提到过ELF文件头对应于一个ELF文件，在文件中有且仅有一个。

但是对于Elf32_Shdr, Elf32_Shdr两个结构体，每一个结构体就是表中的一个表项，对应于实际ELF文件中的一个节或段，记录了对应节或段的重要信息，其数量往往对应于文件中节或段的数量。

访问这两个表就需要我们借助ELF文件头中的信息。

以exercise1.2中访问节头表为例，先用e_shoff加上文件的起始地址，访问节头表的基地址；然后以e_shentsize作偏移，依次访问每一个节头表项，而节头表项的数量从e_shnum即可得知。

难点二 实战printf

处理长参数表

这个其实并不难，按照指导书提供的参数表格式依次处理就好。

需要注意的是对于参数的初始化，如width = prec = 0, padc = ' '等。

补充打印整数部分

这部分也不难，相对其他部分，引入了negFlag这一变量，只需先对打印的参数进行判断，若为负数则将其变为正数并置negFlag为1。

阅读代码并分析函数功能

这一部分应该是完成exercise1.5的前置功课，这才是最难的部分，真正实操的部分反而简单。

一些宏函数和变量类型：

  • va_list
  • va_start
  • va_arg
  • va_end

以及三个local help functions

  • PrintNum
  • PrintChar
  • PrintString

实验心得与总结

总的来说这一次实验总体难度水平中等偏难，相对于Lab0的入门实验，难度肯定是有了较大的提升。但是作为后续实验的基础来说，后续的实验只会更难。

在刚开始阅读指导书的时候，什么都不知道，一头雾水。能把每个分散的exercise做好，但是对整体的知识体系结构还是一无所知。

在完成printf实战之后再回头梳理整个脉络后，就会对Lab1的整体结构有个较为清楚的把握。

以总的Makefile为基础，可以将Lab1的几乎所有文件夹串联起来：

  • boot文件夹中的start.S主要与启动相关，负责初始化硬件，设置堆栈入口，以及跳转到main函数

  • drivers文件夹主要与外部硬件设备相关，如实现输出字符的地址定义就在这里console.c文件中

  • include文件夹主要包括了一些库函数，宏定义文件

  • lib文件夹则是包含了实现printf的文件

  • tools文件夹中是负责链接的文件，定义了内核入口地址

  • init文件夹中则是初始化和main函数文件，在Lab1中体现不多，在Lab2则是重点

  • readelf则是为了让我们手写函数去解析ELF文件

  • gxemul中是仿真器的位置

理解以后自然觉得不难，这样梳理以后就会对整体结构清晰很多。