程序的加载和执行（六）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记26

叁歲伎倆 2022-07-29 11:40 39阅读 0赞

# 程序的加载和执行（六）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记26 #

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通过本文能学到什么？

*  NASM的条件汇编
 *  用NASM编译的时候，通过命令行选项定义宏
 *  Makefile的条件语句
 *  在make命令行中覆盖Makefile中的变量值
 *  第13章习题解答
 *  复习如何构造栈段描述符

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我们接着上篇博文说。  
在我修改后的文件中，用到了条件汇编。  
比如：

%ifdef DEBUG
    
        put_core_salt:  ;打印内核的符号
        ... 
        ...
        put_usr_salt:  ;打印用户的符号
        ...
        ... 
    %endif

下文对此进行讲解。

# 1.条件汇编 #

与C预处理器相似，NASM允许对一段源代码只在某特定条件满足时进行汇编。  
注意，C语言的预处理指令是由`#`字符开头的一些命令，NASM编译器的预处理指令由`%`开头。

## 1.1 只在某特定条件满足时进行汇编 ##

%if<condition>
        ;if <condition>满足时接下来的代码被汇编。
        ......
    
    %elif<condition2>
        ; 当 if<condition>不满足，而<condition2>满足时，该段代码被汇编。
        ......
    
    %else
        ;当<condition>跟<condition2>都不满足时，该段代码被汇编。
        ......
    
    %endif

`%else`跟`%elif`子句都是可选的，也可以使用多于一个的`%elif`子句。

## 1.2 测试单行宏是否存在 ##

%ifdef DEBUG
        ...
    
    %endif

如果我们定义了宏`DEBUG`，那么省略号处的代码就会被汇编，否则不会。

以定义宏`DEBUG`为例，可以用两种方法。

## 1.3 在代码中直接定义宏 ##

%define DEBUG

## 1.4 通过命令行选项 ##

编译文件的时候，用`-d 宏名称`。

-d DEBUG

例如：

nasm c13_core.asm -o c13_core.bin -d DEBUG

注意：`-d`可以写成`-D`，它和后面宏名之间的空格也可以不要。  
例如：

nasm c13_core.asm -o c13_core.bin -dDEBUG

# 2.关于Makefile #

因为加入了条件汇编，所以Makefile和上篇博文中的不太一样。  
上篇博文地址：  
[程序的加载和执行（五）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记25][x86_25]

修改后的Makefile如下。

DEBUG = 0
    
    BIN = c13_mbr.bin c13_core.bin c13.bin empty
    A_DIR = /home/cjy/a.img
    C_DIR = /home/cjy/c.img
    
    all:$(BIN)
    
    .PHONY:all clean
    
    c13_mbr.bin:c13_mbr.asm
        nasm $< -o $@
        dd if=$@ of=$(A_DIR)
    
    c13_core.bin:c13_core.asm
    ifeq ($(DEBUG),1)
        nasm $< -o $@ -D DEBUG
    else
        nasm $< -o $@ 
    endif
        dd if=$@ of=$(C_DIR) bs=512 seek=1 conv=notrunc
    
    c13.bin:c13.asm
        nasm $< -o $@
        dd if=$@ of=$(C_DIR) bs=512 seek=50 conv=notrunc
    
    empty:diskdata.txt
        dd if=$< of=$(C_DIR) bs=512 seek=100 conv=notrunc
        touch $@
    
    clean:
        $(RM) $(BIN)

## 2.1 条件语句 ##

首先，我们定义了一个变量（也被称作宏）`DEBUG`，并给其赋值为0；  
需要注意的是以下几行：

ifeq ($(DEBUG),1)
        nasm $< -o $@ -D DEBUG
    else
        nasm $< -o $@ 
    endif

这里用到了Makefile的条件语句。执行make时，会根据运行时的不同情况选择不同的执行分支。  
在这个例子中，当变量`DEBUG`的值为1时，就执行`nasm $< -o $@ -D DEBUG` ；  
当变量`DEBUG`的值不为1时，就执行`nasm $< -o $@` ；

当我们想编译带调试信息的源文件，修改Makefile中`DEBUG`的值为1就可以了。

但是，还有没有更简单的方法呢？

## 2.2 在命令行中定义变量 ##

当命令行中的变量（宏）定义跟makefile中的定义有冲突时，以命令行中的定义为准。所以，我们可以在执行make的时候加上`变量=新值`，以覆盖Makefile文件中的变量值。

对于本文的例子，除了修改Makefile中`DEBUG`的值为1这种方法外，还有一种方法是在命令行中重新给变量（宏）赋值。

make "DEBUG=1"

注意：当没有空格的时候，引号也可以省略。由于宏定义必须作为单个参数进行传递，所以要避免使用空格，所以更妥当的方法是使用引号。

# 3.第13章习题解答 #

> 在本章中，用户程序只给出建议的栈大小，但并不提供栈空间。现在，修改内核程序和用户程序，改由用户程序自行提供栈空间。要求：栈段必须定义在用户程序头部之后。

在这里，我给出自己的答案，供学习者参考。

## 3.1 对于源文件`c13.asm`的修改 ##

修改有两处。第一处是：

![SKIrWbS.png][]  
由于栈空间由用户程序提供，所以必须指明栈段的汇编地址和大小，这样内核程序才能有足够的信息为用户创建栈段描述符。

第二处是：  
![CZWAdpN.png][]

因为题目已经要求栈段必须定义在用户程序头部之后，所以这里紧接着头部定义栈空间。

**小插曲**  
编译这个文件，会报错。

c13.asm:14: error: division operator may only be applied to scalar values
    make: *** [c13.bin] 错误 1

哦，这是为什么呢？我改成了

stack_len        dd (stack_end-0)/(4*1024)

依然报同样的错误。  
通过查资料，发现有的朋友是这样回答的：

> A label is a relocatable value——its value is modified by the linker/loader.The difference between two labels(in the same section) is a scalar value, and NASM will work with it.

好吧，既然同一个section的两个标号的差值是标量，那我这样写好了：

stack_len        dd (stack_end-stack_start)/(4*1024)

其实`stack_start`这个标号之前是没有的，是我为了做差值专门加上的。  
你还别说，这样写真的管用，不报错了。

## 3.2 对源文件`c13_core.asm`的修改 ##

![SlLR3zO.png][]

左边的代码（配书代码），内核为用户栈分配内存，然后计算栈的高端物理地址。  
右边的代码（习题代码），内核不需要分配内存，仅仅从头部取出栈的起始地址，然后计算栈的高端物理地址。  
这段代码是我半年前写的，可是现在读起来也觉得陌生了。那就解释一下最关键的3行，加深自己的记忆。

![YknMEqM.png][]

469      mov edx,edi
    470      add edx,[edi+0x08]                ; 栈段起始的线性地址
    471      add eax,edx                       ; 得到栈的高端物理地址

此时，DS指向了0-4GB的数据段，EDI中的内容是用户程序的加载地址。  
469：EDX中是用户程序的加载地址；  
470：从用户头部偏移0x08处取得`section.stack.start`，加上用户程序的加载地址（EDX），就得到了用户栈的起始地址。如图所示。  
471：栈段描述符中的基地址，应该是栈空间的高端物理地址，所以还要加上栈的大小（在EAX中）。  
如果不明白为什么这样构造栈段描述符，可以参考我的博文：  
[如何构造栈段描述符][Link 1]

## 3.3 在Bochs中验证程序 ##

我们的修改对吗？“实践出真知”。

### 3.3.1 验证思路 ###

因为栈空间是用户程序提供的，内核只是根据头部信息创建对应的栈段描述符。所以我们要验证的就是栈段描述符和用户定义的栈是否相符。在上面提到的博文中，我已经详细推导了如何构造栈段描述符。

用户程序的头部结构如下图所示：  
![用户程序头部结构][20160416112737141]

本实验的用户程序的符号表有3个符号，所以头部总长度为`0x328`;由于用户程序的加载地址是`0x100000`，所以栈空间的起始地址为`0x100328`;又因为栈空间大小定义为`0x1000(4KB)`，所以栈空间的高端物理地址为`0x100328+0x1000=0x101328`，  
这应该就是栈段描述符的基地址。

有效段界限应为`0xFFFFFFFF-栈的大小（以字节为单位）`，即`0xFFFFFFFF-0x1000=0xFFFFEFFF`，这应该是栈段描述符中的段界限。

### 3.3.2 验证结果 ###

在Bochs中运行程序，跑起来后，`Ctrl`\+`C`暂停程序，输入`info gdt`可以查看GTD的信息。我们看到在下图中：  
![WrJjC22.png][]

黄色划线的描述符与我们的推理相符。所以，我们的修改是正确的。

【end】

[x86_25]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/51147709
[SKIrWbS.png]: http://i.imgur.com/SKIrWbS.png
[CZWAdpN.png]: http://i.imgur.com/CZWAdpN.png
[SlLR3zO.png]: http://i.imgur.com/SlLR3zO.png
[YknMEqM.png]: http://i.imgur.com/YknMEqM.png
[Link 1]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50967180
[20160416112737141]: /images/20220724/645f675d207c40108851d3f07d2131e7.png
[WrJjC22.png]: http://i.imgur.com/WrJjC22.png