操作系统实验三_操作系统内核

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实验目的

1、加深理解操作系统内核概念
2、了解操作系统开发方法
3、掌握汇编语言与高级语言混合编程的方法
4、掌握独立内核的设计与加载方法
5、加强磁盘空间管理工作

实验要求

1、知道独立内核设计的需求
2、掌握一种x86汇编语言与一种C高级语言混合编程的规定和要求
3、设计一个程序，以汇编程序为主入口模块，调用一个C语言编写的函数处理汇编模块定义的数据，然后再由汇编模块完成屏幕输出数据，将程序生成COM格式程序，在DOS或虚拟环境运行。
4、汇编语言与高级语言混合编程的方法，重写和扩展实验二的的监控程序，从引导程序分离独立，生成一个COM格式程序的独立内核。
5、再设计新的引导程序，实现独立内核的加载引导，确保内核功能不比实验二的监控程序弱，展示原有功能或加强功能可以工作。
6、编写实验报告，描述实验工作的过程和必要的细节，如截屏或录屏，以证实实验工作的真实性

实验环境

Windows 10
WSL （Windows Subsystem for Linux） [Ubuntu 18.04.2 LTS]：WSL 是以软件的形式运行在 Windows 下的 Linux 子系统，是近些年微软推出来的新工具，可以在 Windows 系统上原生运行 Linux。
gcc version 7.5.0：C 语言程序编译器，Ubuntu 自带。
ld version 2.3.0: 链接器，Ubuntu自带
NASM version 2.13.02：汇编程序编译器，通过sudo apt install nasm安装在 WSL 上。
Oracle VM VirtualBox ：轻量开源的虚拟机软件，安装在Windows下。
VSCode - Insiders v1.33.0：好用的文本编辑器，有丰富的插件，可以用它来打开WSL中的文件夹，用它自带的终端执行make命令。
GNU Make 4.1：安装在 Ubuntu 下，一键编译并连接代码，生成最终的文件。
Bochs 2.1.1：安装在Windows下，用于调试代码。

自制工具

由于我的虚拟机和Bochs都安装在Windows下，所以需要将WSL中生成的文件写入至Windows的磁盘，这可以用我编写的工具 do 来解决，只需要执行

1	./do 文件名写入的扇区

就可以了。

实验内容

概述

首先了解c语言程序与汇编语言程序混合编译的方法，再开发操作系统内核，它具有两个主要功能:

提供加载用户程序的方法，用户可以将程序写入磁盘，然后让操作系统执行这些用户程序。
控制键盘输入和屏幕输出，使得用户可以与操作系统交互。

再将上一次实验的4个程序放进磁盘，让操作系统执行它们，查看执行结果是否正确。

c与汇编混合编译

由于操作系统内核非常复杂，只用汇编语言是很难完成的，因此需要使用c语言和汇编语言的混合编译，生成可执行的二进制文件。

可以用gcc将一个c语言程序编译生成汇编语言文件，如对下面这个test.c：

int f(int val){
  return val+1;
}
int main(){
  f(3);
}

执行

1	gcc -march=i386 -m16 -ffreestanding -fno-PIE -masm=intel -S test.c -o test.asm

会生成一个x86格式的汇编语言文件test.asm。它的内容很复杂，但我们只用关注一些关键的地方:

main:
.LFB1:
	.cfi_startproc
	push	ebp;函数开始时，总要push ebp，保护这个寄存器
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	mov	ebp, esp
	.cfi_def_cfa_register 5
	push	3 ;传递参数用push，把参数压到栈里，被调用的函数就能发现
	call	f ;这里调用了f这个函数,用的是call指令
	add	esp, 4 ;由于前面的ret和pop指令，现在esp指向的值就是3，也就是刚才传的参数，所以把esp+=3，会让栈恢复到函数调用之前的状态
	nop
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret ;返回只用一条ret指令就可以了。由于我的test.c文件没有return 0，所以gcc帮我补上了一条ret指令
	.cfi_endproc

f 函数是这样的:

f:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	push	ebp ;这里也是要push ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	mov	ebp, esp
	.cfi_def_cfa_register 5
	mov	eax, DWORD PTR [ebp+8] ;main函数用了call指令，esp要减4；前面push 了 ebp ，esp又要减4，所以esp+8才是我们传递给f函数的参数。
	inc	eax ;返回一个值，可以把它放在eax里
	pop	ebp ;这里把ebp pop 掉，esp+=4
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret ;这里返回，esp+=4
	.cfi_endproc

看来c语言生成的汇编程序也不算神秘，除了一些奇奇怪怪的指令，跟我们写的汇编程序也没有很大差别。通过上述分析，我们对函数调用和传递参数过程有了更深入的了解。

接着，我们编写一个汇编程序（msg.asm）和c程序（count.c）混合编程实例。汇编模块中定义一个字符串（为了方便，假设它以’\n’结尾），调用C语言的函数，统计其中某个字符出现的次数，汇编模块显示统计结果。

c程序如下:

int count(char* str){
  int i=0;
  for(;*str!='\n';str++){
    if(*str=='e')i++;
  }
  return i;
}
int main(void){
  count(0);
}

其中，汇编程序调用c程序的函数的过程如下:

push 0
push string; string 是一个标号，占2个字节，但c语言的指针是4个字节，于是要把前两个字节置为0，就在上面多push一个0
push 0;call会压栈2个字节，但c语言中默认的是压栈4个字节，如果我们不压栈4个字节，c程序中栈的位置会错乱
call count

函数返回会把返回值放在eax寄存器，然后汇编程序可以调用 10h 号中断把它显示出来。

编写makefile文件（makefile2）如下:

kernel:msg.o count.o my_mbr
	ld -m elf_i386 -N --oformat binary -Ttext 0x7e00 msg.o count.o -o kernel
	#ld 用于将汇编程序生成的二进制文件和c程序生成的二进制文件链接起来， -Ttest用于指定程序的起始位置为0x7e00处
	./do kernel 1 # 将kernel文件写入磁盘的第一个扇区
    ./do my_mbr 0 # my_mbr是引导扇区程序，它会将kernel文件加载到0x7e00处
msg.o:msg.asm
	nasm -felf msg.asm -o msg.o # 如果不加 -felf 参数好像就不能调用c程序中的函数
	nm msg.o > tem.txt #用 nm 命令来分析符号表，输出重定向到tem.txt文件
count.o:count.asm
	gcc -march=i386 -m16 -mpreferred-stack-boundary=2 -ffreestanding -fno-PIE -masm=intel -c count.c -o count.o
	#这里跟上文的编译方式基本一样，不同的是 -c 参数指定生成 .o 文件
	nm count.o >> tem.txt  #用 nm 命令来分析符号表，输出重定向到tem.txt文件的末端
my_mbr:my_mbr.asm
	nasm my_mbr.asm -o my_mbr

在VSCode自带终端中输入：

1	make -f makefile2

就完成了编译、链接和写入磁盘的工作，非常方便。得到的符号表如下:

0000001a t _end #因为msg.asm里将_start声明为全局变量，_end没有，所以这一行是 小写字母t 表示这是局部变量
00000000 T _start #这一行是大写字母T表示全局变量
         U count
0000001c t string
00000000 T count
0000003f T main

用bochs运行，结果如下:

运行结果正常。

开发操作系统内核

理论上来说，用纯C语言开发内核也是可以的，但要用到很多内嵌汇编，会使程序看起来令人不适。为此，我把 C 程序中需要用到的大量汇编语言代码放置在entry.asm中，c程序只需要执行

call 标号

就可以调用entry.asm 里的各种过程。

汇编程序部分

这部分的内容在entry.asm这个文件中，主要分为三部分。从第6行到第13行是第一部分，主要负责将控制权交给C程序中的main函数，当main函数返回时停机。

从第15行到第71行_load_program过程，用于加载用户程序。将程序从磁盘加载到内存可以调用 16h 号中断来实现，但我一调用就会出bug，于是我只能用《x86汇编语言：从实模式到保护模式》这本书里提供的代码。

调用这个过程之前要将用户程序被加载到的位置放置在dx中，用户程序在磁盘中的起始扇区放置在si中，用户程序的所占扇区数放置在bx中。

从第73行到第111行是clear过程，用于将屏幕清空。这个过程十分简单，不必赘述。

C程序部分

main.c这个文件中的内容是操作系统内核的主要部分。它包括基础I/O操作、工具函数和各种用户交互命令。

I/O 操作

为了方便输入输出，我首先编写了getchar()、putchar()、getline()、put()这4个函数。

第23行到第32行的内容是 getchar() 函数，它通过调用 16h 号中断来得到一个输入字符。如果这个字符的值是13（回车符的键盘码），则返回 ‘\n’ 。

第34行到第86行的内容是putchar() 函数，它接受一个字符类型的参数，将字符打印到屏幕上。打印的位置由locr 、 locc 这两个全局变量来决定。

当要打印的字符是一个普通的字符时，调用 10h 号中断在当前光标处输出这个字符，并调整locr 和 locc 两个变量的值；

当要打印的字符是回车符时，将locc置0，将locr++，调用 10h 号中断设置光标的位置为 locc 和 locr 指定的位置；

当要打印的字符是退格符时，首先修改 locc 和 locr 两个变量的值，保证这两个值始终都是下一次打印的字符在的屏幕上的位置。然后调用10h号中断修改当前光标的位置为为 locc 和 locr 指定的位置，将这个位置的值清0。

getline()函数接受一个字符类型的指针，不断调用getchar()，把读进来的字符存到字符串里，读到回车符就终止，给字符串加上一个 ‘\0’ 。

put()函数接受一个字符类型的指针，不断调用putchar()输出它，遇到 ‘\0’ 就终止。

工具函数

为了方便，我编写了 int_to_str () , str_to_int () 和 strcmp () 这几个函数。意思很明显，内容也缺乏技术含量，不再赘述。

用户交互

程序会不断循环，每次都用getline读取用户输入的命令，并进行交互，共有clear、help、load 和 quit 4种交互命令。

clear命令会将屏幕清空，这只需调用前面说过的entry.asm里的_clear过程就可以了。

help命令会打印提示信息。

quit命令会终止操作系统内核的执行。

load命令是最重要的命令。设计这个命令的初衷是，假设用户有一块装有我的操作系统内核的硬盘，但他完全不懂电脑，只会将程序写入硬盘。这个命令可以让他将程序加载到内存中并运行，而完全不需要修改操作系统的代码。

load命令会打印一条提示信息提示，提示用户输入程序在磁盘中的起始位置，再打印一条提示信息，提示用户输入程序在磁盘中占用的扇区数。然后调用 _load_program 过程将程序加载进内存0xa000处，设置es、ds寄存器的值，并将控制权交给用户程序。用户程序运行结束后，操作系统会将es、ds寄存器的值清0，并清空屏幕。

实验过程

编写一个makefile文件，然后就可以在VSCode自带的终端里输入make完成大量的工作:

user_programs=user_program_1 user_program_2 user_program_3 user_program_4
all: kernel my_mbr $(user_programs)
	./do kernel 1 # kernel 文件是生成的操作系统内核二进制文件
	./do my_mbr 0 # my_mbr 是引导扇区程序
kernel:entry.o main.o  
	ld -m elf_i386 -N --oformat binary -Ttext 0x7e00 entry.o main.o -o kernel
	# 这里将 entry.o 和 main.o 链接成kernel文件，参数在上文介绍过了，不再赘述
	nm entry.o > symbol_table.txt #分析符号表，结果在 symbol_table.txt
	nm main.o >> symbol_table.txt
entry.o:entry.asm
	nasm -felf $< -o $@
main.o:main.c
	gcc -march=i386 -m16 -mpreferred-stack-boundary=2 -ffreestanding -fno-PIE -masm=intel -c $< -o $@ #参数在上文已经介绍过了，不再赘述
my_mbr:my_mbr.asm
	nasm my_mbr.asm -o my_mbr
user_program_1:user_program_1.asm # user_program是一些用户程序，把它们分别写入到第10,20,30,40个扇区，然后可以在操作系统中加载它们
	nasm $< -o $@
	./do $@ 10
user_program_2:user_program_2.asm
	nasm $< -o $@
	./do $@ 20
user_program_3:user_program_3.asm
	nasm $< -o $@
	./do $@ 30
user_program_4:user_program_4.asm
	nasm $< -o $@
	./do $@ 40

用bochs运行，依次输入load,10,1（第一个用户程序在磁盘的第10个扇区，大小为1个扇区）：

效果拨群：

按下Ctrl+C，返回操作系统:

再依次输入load，20，2 加载第二个程序:

效果如下:

输入 load 40 4 后效果如下:

输入load 30 3 后效果如下:

输入help打印提示信息:

输入clear清空:

输入quit可以退出操作系统：

实验总结

这次实验算得上是很硬核了，用到了很多x86汇编的知识，还要用 ld 这种完全不熟的工具，用gcc里各种奇奇怪怪的参数，甚至为了方便我还学了一下makefile ~~（好像早就该学了吧）~~ ，遇到的困难也有很多，主要有：

对汇编语言不够了解。主要是函数调用和传参那里，非常麻烦，之前从没有深入了解过。而且C语言程序编译生成的汇编代码跟自己写的在风格上有很大差别，让我很不适应。一开始的时候只能看懂一些关键的语句的意思，好在我看多了之后还是克服了心中的 “恐惧感” 。
debug实在是太麻烦了。虽然我会使用bochs调试程序，但很多bug非常隐蔽，包括但不限于:
1. 在键盘中输入alt+tab切换屏幕，导致后面的输入无法被bochs读入。至今我都没想到解决的办法，好在不影响我写程序。
2. 向c语言的函数传字符串常量会出错。这个问题好像不止我一个遇到，其他的同学和网上的博客也有这样的问题。我至今也没找到原因，只能把字符串常量改为char*类型。
3. 向指向int类型的指针传short类型变量的地址。我声明了一个short变量，调用 str_to_int (char* s，int* val) 函数的时候把它的地址传了进去，本来我觉得反正都会进行类型转换，没啥问题。可是我执行了
  1
  *val=0;
  之后，问题就来了: short类型变量是2个字节，但 val 指针是int类型的指针，上面的操作会把内存中4个字节全部置为0。更要命的是，由于第一个参数先压栈，第二个字符后压栈，val指向的后面两个字节刚好就是 s 字符串的前两个字节，于是这个函数就不会得到正确的结果。当我想到这个问题时，我不禁为这世上有如此巧妙的bug而感到震惊。

int 16h 读键盘会导致光标位置出错。这是一个很奇怪的bug，不调用int 16h时，用int 10h 中断（ah=3）来读取光标位置可以正常运行，当我用 int 16h 读键盘输入后，用int 10h 中断（ah=03）就完全得不到正确结果，但在光标处打印字符却没有问题。我最终也没整明白这其中的缘由，只能放弃使用int 10h 中断来读取光标位置，改用 locc locr 这两个变量。

我后来想到，debug不一定要对着bochs的那些汇编代码一行行看，用内核输入输出函数也能帮助我debug，这样稍微缓解了我的压力。

很多工具不会用。说出来有点丢脸，在这次实验之前我从来没用过 ld 这个工具，当我看到老师给的ppt里那一串参数时，突然认识到自己是多么不学无术。经过我反复地尝试、不断地失败后，我总算学会了如何使用ld和gcc完成C程序与汇编程序混合编译~~事实上只是能跑起来而已，学会是不可能学会的~~。

虽然困难很多，但收获也同样不少。通过这次实验，我大大加强了对汇编语言和C语言的了解，对操作系统的工作方式的认识也更加深入了。同时，完成操作系统内核的开发也算是一件很鼓舞人心的事情，这让我有了更多的勇气和兴趣来进一步学习更深的知识。

参考资料

https://wu-kan.cn/_posts/2019-03-28-%E7%94%A8%E6%B1%87%E7%BC%96%E4%B8%8EC%E8%AF%AD%E8%A8%80%E5%BC%80%E5%8F%91%E7%8B%AC%E7%AB%8B%E5%86%85%E6%A0%B8/ （今年大三的学长，博客写的很不错）
https://blog.csdn.net/a200710716/article/details/45936643 （关于键盘输入的ASCII码的资料）
https://www.cnblogs.com/johnshao/archive/2011/06/13/2079638.html （int 10h 中断的详细介绍）
https://blog.csdn.net/ZCMUCZX/article/details/80462394?locationNum=4&fps=1 （int 16h 中断的详细介绍）
https://blog.csdn.net/daydayup654/article/details/78630341 （ ld 工具的详细介绍）
http://c.biancheng.net/view/661.html （gcc 的各种使用姿势）