《MIT 6.828 Lab1: Booting a PC》实验报告

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实验内容

1. 熟悉x86汇编语言、QEMU x86仿真器、PC开机引导流程
2. 测试6.828 内核的启动加载器（boot loader）
3. 研究6.828 内核的初始化模板（JOS）

实验题目

Exercise 1：阅读汇编语言资料

Exercise 1. Familiarize yourself with the assembly language materials available on the 6.828 reference page. You don‘t have to read them now, but you‘ll almost certainly want to refer to some of this material when reading and writing x86 assembly.

We do recommend reading the section "The Syntax" in Brennan‘s Guide to Inline Assembly. It gives a good (and quite brief) description of the AT&T assembly syntax we‘ll be using with the GNU assembler in JOS.

解答

1. 读完《PC Assembly Language》，并输出学习笔记。
2. 读完《Brennan‘s Guide to Inline Assembly》，并输出学习笔记。

备注

1. PC Assembly Language Book是一本学习x86汇编语言的好书，不过要注意此书的例子是为NASM汇编器而设计，而我们课程使用的是GNU汇编器。

2. NASM汇编器使用Intel语法，而GNU汇编器使用AT&T语法。两者的语法差异可以参考Brennan‘s Guide to Inline Assembly。

Exercise 2：使用GDB命令跟踪BIOS做了哪些事情

Exercise 2. Use GDB‘s si (Step Instruction) command to trace into the ROM BIOS for a few more instructions, and try to guess what it might be doing. You might want to look at Phil Storrs I/O Ports Description, as well as other materials on the 6.828 reference materials page. No need to figure out all the details - just the general idea of what the BIOS is doing first.

解答

使用si命令得到的前22条汇编指令如下。虽然能看懂每条指令的字面意思，但看不懂具体实现的功能，后来参考myk的6.828 Lab1大致理解了基本功能：设置ss和esp寄存器的值，打开A20门（为了兼容老芯片而留下的历史包袱）、进入保护模式（需要设置cr0寄存器的PE标志）。

[f000:fff0]    0xffff0: ljmp   $0xf000,$0xe05b
[f000:e05b]    0xfe05b: cmpl   $0x0,%cs:0x6ac8
[f000:e062]    0xfe062: jne    0xfd2e1
[f000:e066]    0xfe066: xor    %dx,%dx
[f000:e068]    0xfe068: mov    %dx,%ss
[f000:e06a]    0xfe06a: mov    $0x7000,%esp
[f000:e070]    0xfe070: mov    $0xf34c2,%edx
[f000:e076]    0xfe076: jmp    0xfd15c
[f000:d15c]    0xfd15c: mov    %eax,%ecx
[f000:d15f]    0xfd15f: cli    
[f000:d160]    0xfd160: cld    
[f000:d161]    0xfd161: mov    $0x8f,%eax
[f000:d167]    0xfd167: out    %al,$0x70
[f000:d169]    0xfd169: in     $0x71,%al
[f000:d16b]    0xfd16b: in     $0x92,%al
[f000:d16d]    0xfd16d: or     $0x2,%al
[f000:d16f]    0xfd16f: out    %al,$0x92
[f000:d171]    0xfd171: lidtw  %cs:0x6ab8
[f000:d177]    0xfd177: lgdtw  %cs:0x6a74
[f000:d17d]    0xfd17d: mov    %cr0,%eax
[f000:d180]    0xfd180: or     $0x1,%eax
[f000:d184]    0xfd184: mov    %eax,%cr0
[f000:d187]    0xfd187: ljmpl  $0x8,$0xfd18f

备注

1. CS（CodeSegment）和IP（Instruction Pointer）寄存器一起用于确定下一条指令的地址。

2. CLI：Clear Interupt，禁止中断发生。STL：Set Interupt，允许中断发生。CLI和STI是用来屏蔽中断和恢复中断用的，如设置栈基址SS和偏移地址SP时，需要CLI，因为如果这两条指令被分开了，那么很有可能SS被修改了，但由于中断，而代码跳去其它地方执行了，SP还没来得及修改，就有可能出错。

3. CLD: Clear Director。STD：Set Director。在字行块传送时使用的，它们决定了块传送的方向。CLD使得传送方向从低地址到高地址，而STD则相反。

4. 汇编语言中，CPU对外设的操作通过专门的端口读写指令来完成，读端口用IN指令，写端口用OUT指令。

5. LIDT: 加载中断描述符。LGDT：加载全局描述符。

6. 第一条指令：[f000:fff0] 0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b
   • PC开始运行时，CS = 0xf000，IP = 0xfff0，对应物理地址为0xffff0。（计算公式： physical address = 16 * segment + offset）
   • 第一条指令做了jmp操作，跳到物理地址为0xfe05b的位置。
7. 控制寄存器：控制寄存器（CR0～CR3）用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。CR0中含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志；CR1保留不用；CR2含有导致页错误的线性地址；CR3中含有页目录表物理内存基地址，因此该寄存器也被称为页目录基地址寄存器PDBR（Page-Directory Base address Register）。
   • CR0的4个位：扩展类型位ET、任务切换位TS、仿真位EM和数学存在位MP用于控制80x86浮点（数学）协处理器的操作。
   • CR0的位0是PE（Protection Enable）标志。当设置该位时即开启了保护模式；当复位时即进入实地址模式。这个标志仅开启段级保护，而并没有启用分页机制。若要启用分页机制，那么PE和PG标志都要置位。
   • CR0的位31是PG（Paging，分页）标志。当设置该位时即开启了分页机制；当复位时则禁止分页机制，此时所有线性地址等同于物理地址。在开启这个标志之前必须已经或者同时开启PE标志。即若要启用分页机制，那么PE和PG标志都要置位。

实验笔记

环境部署

安装编译工具链

参考Tools Used in 6.828: Compiler Toolchain。根据objdump -i和gcc -m32 -print-libgcc-file-name命令的输出结果，可以确认我的Ubuntu环境已经支持6.828所需的工具链，因此跳过这一环节。

安装QEMU仿真器

参考Tools Used in 6.828: QEMU Emulator以及Xin Qiu: MIT 6.828 Lab 1。

Part 1: PC Bootstrap

模拟x86

1. make命令
   • make：编译最小的6.828启动加载器和内核
   • make qemu：运行QEMU。控制台输出会同时打印在QEMU虚拟VGA显示和虚拟PC的虚拟串口
   • make qemu-nox：运行QEMU。控制台输出只会打印在虚拟串口

PC物理地址空间

1. 早期基于8088处理器的PC只支持1MB的物理地址寻址
   • 0x00000000 ~ 0x000A0000：640KB，Low Memory，早期PC能够使用的RAM地址。
   • 0x000A0000 ~ 0x000FFFFF：384KB，预留给硬件使用，比如视频显示缓存、存储固件等。
     • 0x000A0000 ~ 0x000C0000: 128KB，VGA显示
     • 0x000C0000 ~ 0x000F0000: 192KB，16-bit devices, expansion ROMs
     • 0x000F0000 ~ 0x00100000: 64KB，BIOS RAM
2. 后来80286和80386处理器出现，能够支持16MB乃至4GB的物理地址空间，但仍然预留最低的1MB物理地址空间，以便后向兼容已有软件。因此现代PC在0x000A0000和0x00100000这段内存空间中存在hole，把RAM划分成“low memory”（或“conventional memory”，最低的640KB内存）和“extend memory”（其他内存）两部分。

Part 2: The Boot loader

1. 当BIOS发现一个可启动的硬盘时，会将512字节的启动扇区加载到地址为0x7c00到0x7dff的内存中，然后使用jmp指令将CS:IP设置为0000:7c00，从而将控制权交给boot loader。

2. 6.828的boot loader由boot/boot.S和boot/main.c两个文件组成。

3. boot loader主要完成两个任务：
   • 将处理器由实模式切换到虚模式。
   • 从硬盘中读取内核（通过直接访问IDE磁盘设备寄存器）

问题汇总

1. Q：make qemu进入QEMU界面后如何退出？目前我只能通过关闭终端来退出。

2. Q：make qemu-gdb进入QEMU界面，然后通过关闭终端退出，再次make qemu-gdb时报错：“qemu-system-i386: -gdb tcp::25000: Failed to bind socket: Address already in use”，怎么解决？
   A: 发生这种问题是由于端口被程序绑定而没有释放造成。可以使用netstat -lp命令查询当前处于连接的程序以及对应的进程信息。然后用ps pid察看对应的进程，并使用kill pid关闭该进程即可。

《MIT 6.828 Lab1: Booting a PC》实验报告

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