操作系统的状态机模型 (操作系统的加载; thread-os 代码讲解)

【操作系统的状态机模型 (操作系统的加载; thread-os 代码讲解) [南京大学2022操作系统-P9]】https://www.bilibili.com/video/BV1yP4y1M7FE

https://jyywiki.cn/OS/2022/slides/9.slides#/1/2

本学期的 OSLabs

热身实验

  • Lab0 (amgame): 熟悉代码框架

正经实验

  • Lab1 (pmm): Physical memory management
    • 多处理器 (bare-metal) 上的 kalloc/free
  • Lab2 (kmt): Kernel multi-threading
    • 中断和异常驱动的上下文 (线程) 切换
  • Lab3 (uproc): User processes
    • 虚拟地址空间、用户态进程和系统调用
  • Lab4 (vfs): Virtual file system
    • devfs, procfs, 简单的文件系统；ELF 加载器

 

大学的真正意义

将已有的知识和方法重新消化，为大家建立好 “台阶”，在有限的时间里迅速赶上数十年来建立起的学科体系。

今天的学术界可比 Bill Gates 的时代卷多了

  • 学术界基本没啥是需要一个毛头小伙子来教的

例子：破除 “写操作系统很难”、“写操作系统很牛” 的错误认识

  • 操作系统真的就是个 C 程序
  • 你只是需要 “被正确告知” 一些额外的知识
    • 然后写代码、吃苦头
    • 从而建立正确的 “专业世界观”

例子

“专业世界观” 的例子 (这些都没啥，paper 都发不了)

  • 写 x86 模拟器的时候，不知道哪条指令错了，怎么办？
  • 做操作系统实验的时候，如果遇到神秘 CPU Reset，怎么办？
  • 做实验做不下去的时候，该实现什么工具？

“专业世界观” 的学习方法

  • 经典研究论文 (OSDI, SOSP, ATC, EuroSys, ...)
  • 久经考验的经典教学材料 (xv6, OSTEP, CSAPP, ...)
  • 海量的开源工具 (GNU 系列, qemu, gdb, ...)
  • 第三方资料，慎用 (tutorials, osdev wiki, ...)

 

硬件和软件的桥梁

 

C 程序

我们已经知道如何写一个 “最小” 的 C 程序了：

  • minimal.S
  • 不需要链接任何库，就能在操作系统上运行

“程序 = 状态机” 没问题

  • 带来更多的疑问
    • 但谁创建的这个状态机？？？
      • 当然是操作系统了……呃……
    • 这个程序可以在没有操作系统的硬件上运行吗？
      • “启动” 状态机是由 “加载器” 完成的
      • 加载器也是一段程序 (状态机)
      • 这个程序由是由谁加载的？

 

Bare-metal 与程序员的约定

为了让计算机能运行任何我们的程序，一定存在软件/硬件的约定

  • CPU reset 后，处理器处于某个确定的状态
    • PC 指针一般指向一段 memory-mapped ROM
      • ROM 存储了厂商提供的 firmware (固件)
    • 处理器的大部分特性处于关闭状态
      • 缓存、虚拟存储、……
  • Firmware (固件，厂商提供的代码)
    • 将用户数据加载到内存
      • 例如存储介质上的第二级 loader (加载器)
      • 或者直接加载操作系统 (嵌入式系统)

 

 

 

 

x86 Family: CPU Reset 行为

 

CPU Reset (Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual, Volume 3A/3B)

  • 寄存器会有初始状态
    • EIP = 0x0000fff0
    • CR0 = 0x60000010
      • 16-bit 模式
    • EFLAGS = 0x00000002
      • interrupt disabled
  • TFM (5,000 页 by 2019)
    • 最需要的 Volume 3A 只有 468 页

 Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-sdm.html

CPU Reset 之后：发生了什么？

《计算机系统基础》：不仅是程序，整个计算机系统也是一个状态机

  • 从 PC (CS:IP) 指针处取指令、译码、执行……
  • 从 firmware 开始执行
    • ffff0 通常是一条向 firmware 跳转的 jmp 指令

Firmware: BIOS vs. UEFI

  • 都是主板/主板上外插设备的软件抽象
    • 支持系统管理程序运行
  • Legacy BIOS (Basic I/O System)
  • UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)

 

Legacy BIOS: 约定

Firmware 必须提供机制，将用户数据载入内存

  • Legacy BIOS 把第一个可引导设备的第一个扇区加载到物理内存的 7c00 位置
    • 此时处理器处于 16-bit 模式
    • 规定 CS:IP = 0x7c00, (R[CS] << 4) | R[IP] == 0x7c00
      • 可能性1：CS = 0x07c0, IP = 0
      • 可能性2：CS = 0, IP = 0x7c00
    • 其他没有任何约束

 

能不能看一下代码？

Talk is cheap. Show me the code. ——Linus Torvalds

有没有可能我们真的去看从 CPU Reset 以后每一条指令的执行？

计算机系统公理：你想到的就一定有人做到。

  • 模拟方案：QEMU
  • 真机方案：JTAG (Joint Test Action Group) debugger
    • 一系列 (物理) 调试寄存器，可以实现 gdb 接口 (!!!)

调试 QEMU: 确认 Firmware 的行为

亲眼确认 Firmware 到底是不是会加载启动盘第一个扇区到 0x7c00 内存位置！

调试 QEMU 模拟器

  • 查看 CPU Reset 后的寄存器
    • info registers
  • 查看 0x7c00 内存的加载
    • watch *0x7c00 - 《计算机系统基础》的良苦用心
    • 查看当前指令 x/i ($cs * 16 + $rip)
    • 打印内存 x/16xb 0x7c00
  • 进入 0x7c00 代码的执行
    • b *0x7c00, c (撒花！我们一会再回来)

 

 

 

posted @ 2022-10-03 22:45  papering  阅读(160)  评论(0)  编辑  收藏  举报