GeekOS课程设计-Project 1

悠悠 2022-10-13 12:42 388阅读 0赞

### Project 1 ###

*   *  1、实验任务
     *  2、实验原理
     *  3、具体实现
     *   *  1. 编辑elf.c文件
         *  2. 编辑.bochsrc文件
         *  3. 编辑Makefile文件
     *  4、运行结果
     *  5、课后作业
     *  感谢阅读

[源代码链接][Link 1]

## 1、实验任务 ##

1.  修改/geekos/elf.c文件：在函数Parse\_ELF\_Executable()中添加代码，分析ELF格式的可执行文件（包括分析得出ELF文件头、程序头，获取可执行文件长度，代码段、数据段等信息），并填充Exe\_Format数据结构中的域值。
2.  在Linux环境下编译系统得到GeekOS镜像文件。
3.  编写一个相应的bochs配置文件。
4.  在bochs中运行GeekOS系统显示结果。

## 2、实验原理 ##

ELF目标文件格式：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>连接程序视图</th> 
   <th>执行程序视图</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ELF头部</td> 
   <td>ELF头部</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>程序头部表（可选）</td> 
   <td>程序头部表</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>节区1</td> 
   <td>段1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>···</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>节区n</td> 
   <td>段2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>···</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>节区头部表</td> 
   <td>节区头部表（可选）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

ELF文件的映像与执行程序镜像的对应关系：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NDEzNDk4_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
  ELF文件有三种类型，分别是目标文件（.o）、可执行文件（.exe）以及动态链接库（.so）。ELF文件中一般包含ELF文件头（程序入口地址，段偏移量，段数量）、段表、数据段和代码段、节区等等。  
  ELF文件是X86 Linux系统下的一种常用目标文件(object file)格式，有三种主要类型：

1.  适于连接的可重定位文件(relocatable file)，可与其它目标文件一起创建可执行文件和共享目标文件。
2.  适于执行的可执行文件(executable file)，用于提供程序的进程映像，加载的内存执行。
3.  共享目标文件(shared object file),连接器可将它与其它可重定位文我们现在要做的，就是要编写一个ELF文件的分析函数，从ELF文件中读取相应的进程创建格式。和共享目标文件连接成其它的目标文件，动态连接器又可将它与可执行文件和其它共享目标文件结合起来创建一个进程映像。

ELF 的文件头包含整个文件的控制结构。它的定义如下：

#define EI_NIDENT 16
    typedef struct{ 
    	unsigned char 	e_ident[EI_NIDENT];	/* 目标文件标识 */
    	Elf32_Half 	e_type;			    /* 目标文件类型 */
    	Elf32_Half 	e_machine;		    /* 机器类型 */
    	Elf32_Word 	e_version;		        	/* 目标文件版本 */
    	Elf32_Addr 	e_entry;			    /* 程序入口虚地址 */
    	Elf32_Off 	e_phoff;			    /* program header table的偏移量 */
    	Elf32_Off 	e_shoff;			    /* section header table的偏移量 */
    	Elf32_Word 	e_flags;		        	/* 处理器相关标志信息 */
    	Elf32_Half 	e_ehsize;	        		/* ELF头部的大小 */
    	Elf32_Half 	e_phentsize;	    		/* program header table的表项大小 */
    	Elf32_Half 	e_phnum;	        		/* program header table的表项数 */
    	Elf32_Half 	e_shentsize;	    		/* section header table的表项大小 */
    	Elf32_Half 	e_shnum;	        		/* section header table的表项数 */
    	Elf32_Half 	e_shstrndx;	    		/*节区头部表与节区名称字符串表表项的索引*/
    }Elf32_Ehdr;

其中E\_ident 的 16 个字节标明是个ELF文(7F+‘E’+‘L’+‘F’+class+data+version+pad)。E\_type表示文件类型，2表示可执行文件。E\_machine说明机器类别，3表示386机器，8表示MIPS机器。E\_entry给出进程开始的虚地址，即系统将控制转移的位置。E\_phoff指出program header table的文件偏移，e\_phentsize表示一个program header表中的入口的长度（字节数表示），e\_phnum给出program header表中的入口数目。类似的，e\_shoff，e\_shentsize，e\_shnum分别表示section header表的文件偏移，表中每个入口的的字节数和入口数目。E\_flags给出与处理器相关的标志，e\_ehsize给出ELF文件头的长度（字节数表示）。\_shstrndx表示section名表的位置，指出在section header表中的索引。  
  一个目标文件的节头表可以让我们定位所有的节段。节头表是个elfHeader结构的数组，一个节头表索引是这个数组的下标。ELF 头表的shoff成员给出了节头表的偏移量（从文件开始的计数）。shnum表示多少个入口，shentsize给出了每个入口的大小。其结构体定义如下：

typedef struct { 
    	unsigned char 		ident[16];
    	unsigned short 		type;      		/*可执行文件的类型*/
    	unsigned short	 	machine;   		/*机器的类型*/
    	unsigned int 		version;      	    /*值为 1*/
    	unsigned int 		entry;       	    /*虚拟地址*/
    	unsigned int 		phoff;			/*program header 的偏移*/
    	unsigned int 		sphoff;			/*section header 的偏移*/
    	unsigned int 		flags;			/*指示具体的进程*/
    	unsigned short 		ehsize;			/*elf 头部的大小*/
    	unsigned short 		phentsize;		    /*program header 的大小*/
    	unsigned short 		phnum;
    	unsigned short 		shentsize; 		/*section header 的大小*/
    	unsigned short 		shnum; 			/*section header 的个数*/
    	unsigned short 		shstrndx;
    } elfHeader;

程序头部仅对于可执行文件和共享文件有意义，可执行文件或者共享目标文件的程序头部是一个结构数组，每个结构描述了一个段或者系统准备执行所必需的其他信息，一个文件使用ELF头的phentsize和phnum成员来指定其拥有的程序头大小。

typedef struct { 
        unsigned  int   type;			/*类型*/
        unsigned  int   offset;			/*从文件开始的偏移*/
        unsigned  int   vaddr;			/*在内存中的第一个字节*/
        unsigned  int   paddr;			/*段的物理地址*/
        unsigned  int   fileSize;			/*段在文件中的大小*/
        unsigned  int   memSize;		/*内存镜象中段的大小*/
        unsigned  int   flags;			/*段的标志*/
        unsigned  int   alignment;		/*段在文件中和内存中如何对齐*/
    } programHeader;

其中，核心的解释如下：

*  Offset：该成员给出了该段的驻留位置相对于文件开始处的偏移；
 *  fileSize：该成员给出了文件映像中该段的字节数，它可能是0；
 *  memSize：该成员给出了内存映像中该段的字节数，它可能是0；
 *  vaddr：该成员给出了该段在内存中的首字节地址；
 *  flags：该成员给出了和该段相关的标志。

本项目要完成GeekOS启动后，从PFAT文件系统将可执行文件装入内存，建立进程并运行得到相应的输出。

## 3、具体实现 ##

### 1. 编辑elf.c文件 ###

在elf.c文件中修改Parse\_ELF\_Executable函数，代码如下：

int Parse_ELF_Executable(char *exeFileData, ulong_t exeFileLength,struct Exe_Format *exeFormat)
    { 
        int i;
        elfHeader *head = (elfHeader*)exeFileData;
        programHeader *proHeader = programHeader*)(exeFileData+head->phoff);
        KASSERT(exeFileData != NULL);
        KASSERT(exeFileLength > head->ehsize+head->phentsize*head->phnum);
    	/*32位系统中，数据总线宽度为32，每次能够读取4字节数据。 *地址总线为32，最大寻址空间为4GB。 *但是由于最低位A[0]～A[1]是不用于寻址的，因此只能访问4的倍数的地址空间。 */
        KASSERT(head->entry%4 == 0);    
    	exeFormat->numSegments = head->phnum;  //可执行文件的分段数
    	exeFormat->entryAddr = head->entry;    //可执行文件的入口地址
    	for(i=0; i<head->phnum; i++)
    	{ 
    		//设置可执行文件的段偏移量
        	exeFormat->segmentList[i].offsetInFile = proHeader->offset;
    		//可执行文件段数据的长度
        	exeFormat->segmentList[i].lengthInFile = proHeader->fileSize;
    		//设置用户内存空间的开始地址
        	exeFormat->segmentList[i].startAddress = proHeader->vaddr;
    		//设置内存空间的大小
        	exeFormat->segmentList[i].sizeInMemory = proHeader->memSize;
    		//设置虚拟（virtual memory）内存保护标志
       		exeFormat->segmentList[i].protFlags = proHeader->flags;
        	proHeader++;
    	}
    }

### 2. 编辑.bochsrc文件 ###

使用make进行编译，成功后生成两个镜像文件：fd.img和diskc.img。其中，diskc.img为模拟器能引导的操作系统镜像。配置bochs文件如下：

megs: 8
    boot: a
    floppya: 1_44=fd.img, status=inserted
    log: ./bochs.out
    ata0:enabled=1,ioaddr1=0x1f0,ioaddr2=0x3f0,irq=14
    ata0-master: type=disk, path=diskc.img, mode=flat, cylinders=40, heads=8, spt=63

### 3. 编辑Makefile文件 ###

TARGET_CC := $(TARGET_CC_PREFIX)gcc -m32
    HOST_CC := gcc -m32
    TARGET_LD := $(TARGET_CC_PREFIX)ld -m elf_i386
    GENERAL_OPTS := -O -Wall -fno-stack-protector $(EXTRA_C_OPTS)
    CC_GENERAL_OPTS := $(GENERAL_OPTS) #-Werror

## 4、运行结果 ##

make clean && make depend && make
    bochs

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NDEzNDk4_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
virtSpace是基地址，virsSpace是地址范围大小，codeSelector是代码段的段描述符，dataSelector是数据段的段描述符，紧接着运行得出3句字符串，因为在系统启动完成后，会创建一个内核级进程，执行一个 EXE 程序。具体过如下：首先将指定的文件读入内存缓冲区，并且调用函数对文件格式进行分析。分析完成就把可执行程序的程序段和数据段装入内存，开始执行。

## 5、课后作业 ##

**1.ELF文件格式包括什么内容？**

答：ELF文件由4部分组成，分别是ELF头（ELF header）、程序头部表（Program header table）、节区（Section）和节头部表（Section header table）。

**2.如何由ELF文件建立一个可运行的进程单位？**

答：ELF文件是保存在GeekOS的PFAT文件系统中，首先需要将文件读入内存缓冲区，解析程序段和数据段等将其装入内存，之后建立进程执行装入内存相应的代码。

**3.在GeekOS系统中建立一个内核级线程应该建立什么相应实体单元？**

答：Kernel\_Thread实体单元。

**4.在GeekOS系统内核中，如何运行建立好的线程？**

答：GeekOS操作系统为不同状态下的进程准备了不同的进程队列：就绪队列s\_runQueue，等待队列s\_reaperWaitQueue，销毁队列s\_graveyardQueue，而运行态的只有一个g\_currentThread指针指向哪个进程哪个进程就处于运行态。系统启动之后，会从Entry入口执行Main函数，执行到Init\_Scheduler()函数时会建立3个最开始的进程Main、Idle和Reaper，同时调度Main。Idle在就绪队列队尾，当无进程可调度时Idle就会被调度并一直运行Yield()函数检查是否有可调度进程并让步。所以新建的线程加入到就绪队列就可以通过相应的调度算法被调度运行。

## 感谢阅读 ##

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