OS-Lab1

一.内核的物理位置

操作系统最重要的部分是操作系统内核，因为内核需要直接与硬件交互管理各个硬件，从而利用硬件的功能为用户进程提供服务。

启动操作系统，我们就需要将内核代码在计算机结构上运行起来，一个程序要能够运行，其代码必须能够被 CPU 直接访问，所以不能在磁盘上，因为 CPU 无法直接访问磁盘。

CPU可以直接从硬盘里调用数据，然而这样太慢了，而内存则比硬盘快得多，把用有的东西先放入内存里面，CPU调用起来就快得。

所以不可能将内核代码保存在内存中。所以直观上可以认识到：

(1) 磁盘不能直接访问

(2) 内存掉电易失，内核文件有可能放置的位置只能是 CPU 能够直接访问的非易失性存储器——ROM 或 FLASH 中。

将硬件初始化的相关工作从操作系统中抽出放在bootloader中实现，意味着通过这种方式实现了硬件启动和软件启动的分离。 因此需要存储在非易失性存储器中的硬件启动相关指令不需要很多，能够很容易地保存在ROM或FLASH中。

bootloader在硬件初始化完后，需要为软件启动（即操作系统内核的功能）做相应的准备， 比如需要将内核镜像文件从存放它的存储器（比如磁盘）中读到RAM中。既然bootloader需要将内核镜像文件加载到内存中， 那么它就能选择使用哪一个内核镜像进行加载，即实现多重开机的功能。使用bootloader后，我们就能够在一个硬件上运行多个操作系统了

二.Bootloader

而当内存被初始化，bootloader将后续代码载入到内存中后，位于内存中的代码便能完整地使用C语言的各类功能了。 所以说，内存中的代码拥有了一个正常的C环境。

在 stage 1 时，需要初始化硬件设备，包括watchdog timer、中断、时钟、内存等。需要注意的一个细节是，此时内存 RAM 尚未初始化完成， 因而 stage 1 直接运行在存放 bootloader 的存储设备上（比如FLASH）。由于当前阶段不能在内存 RAM 中运行，其自身运行会受诸多限制， 比如有些 flash 程序不可写，即使程序可写的 flash 也有存储空间限制。这就是为什么需要stage 2的原因。 stage 1除了初始化基本的硬件设备以外，会为加载stage 2准备RAM空间，然后将stage 2的代码复制到RAM空间，并且设置堆栈，最后跳转到stage 2的入口函数。

stage 2运行在RAM中，此时有足够的运行环境，所以可以用C语言来实现较为复杂的功能。 这一阶段的工作包括，初始化这一阶段需要使用的硬件设备以及其他功能，然后将内核镜像文件从存储器读到RAM中，并为内核设置启动参数， 最后将CPU指令寄存器的内容设置为内核入口函数的地址，即可将控制权从bootloader转交给操作系统内核。

gxemul支持加载elf格式内核，所以启动流程被简化为加载内核到内存，之后跳转到内核的入口。启动完毕

三.编译和链接

printf的实现是在链接(Link)这一步骤中被插入到最终的可执行文件中的。那么，了解这个细节究竟有什么用呢？ 作为一个库函数，printf被大量的程序所使用。因此，每次都将其编译一遍实在太浪费时间了。printf的实现其实早就被编译成了二进制形式。

但此时，printf并未链接到程序中，它的状态与我们利用-c选项产生的hello.o相仿，都还处于未链接的状态。而在编译的最后，链接器(Linker)会将所有的目标文件链接在一起，将之前未填写的地址等信息填上，形成最终的可执行文件，这就是链接的过程。

对于拥有多个c文件的工程来说，编译器会首先将所有的c文件以文件为单位，编译成.o文件。最后再将所有的.o文件以及函数库链接在一起， 形成最终的可执行文件。

链接器通过哪些信息来链接多个目标文件呢？答案就在于在目标文件（也就是我们通过-c选项生成的.o文件）。 在目标文件中，记录了代码各个段的具体信息。链接器通过这些信息来将目标文件链接到一起。而ELF(Executable and Linkable Format)正是Unix上常用的一种目标文件格式。 其实，不仅仅是目标文件，可执行文件也是使用ELF格式记录的。

四.va_list、va_start和va_end三个宏的用法。

1.c语言提供了函数的不定长参数使用，比如 void func(int a, …)。三个省略号，表示了不定长参数。

注意：c标准规定了，函数必须至少有一个明确定义的参数，因此，省略号前面必须有至少一个参数。

2.va_list宏定义了一个指针类型，这个指针类型指向参数列表中的参数。

3.void va_start(va_list ap, last_arg)，修改了用va_list申明的指针，比如ap，使这个指针指向了不定长参数列表省略号前的参数。

4.type va_arg(va_list, type)，获取参数列表的下一个参数，并以type的类型返回。

5.void va_end(va_list ap)， 参数列表访问完以后，参数列表指针与其他指针一样，必须收回，否则出现野指针。一般va_start 和va_end配套使用。

5.函数的参数一般从右至左先后入栈，根据栈的特性，也就是，最左边的参数最先出栈。贴一段代码介绍下va_list、va_start和va_end的使用。

感兴趣的，可以把函数的整型换成char或者int，参数列表判断条件为NUL，还可以为每个参数指定类型。

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void functestarg(int, ...);
int main ()
{
	functestarg(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0);
	return 0;
}
void functestarg(int a, ...)
{
	va_list argpointer;
	va_start(argpointer, a);
	int argument;
	int count = 0;
	while(0 != (argument = va_arg(argpointer, int)))
	{
		printf("parameter%d:%d\n", ++count, argument);
	}
}

五.ELF文件的结构

ELF文件的解析

需要输出 ELF ⽂件的所有 section header 的序号和地址信息

typedef struct {
    unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];     /* Magic number and other info */
    // 存放魔数以及其他信息
    Elf32_Half      e_type;                 /* Object file type */
    // 文件类型 
    Elf32_Half      e_machine;              /* Architecture */
    // 机器架构
    Elf32_Word      e_version;              /* Object file version */
    // 文件版本
    Elf32_Addr      e_entry;                /* Entry point virtual address */
    // 入口点的虚拟地址
    Elf32_Off       e_phoff;                /* Program header table file offset */
    // 程序头表所在处与此文件头的偏移
    Elf32_Off       e_shoff;                /* Section header table file offset */
    // 段头表所在处与此文件头的偏移
    Elf32_Word      e_flags;                /* Processor-specific flags */
    // 针对处理器的标记
    Elf32_Half      e_ehsize;               /* ELF header size in bytes */
    // ELF文件头的大小（单位为字节）
    Elf32_Half      e_phentsize;            /* Program header table entry size */
    // 程序头表入口大小
    Elf32_Half      e_phnum;                /* Program header table entry count */
    // 程序头表入口数
    Elf32_Half      e_shentsize;            /* Section header table entry size */
    // 段头表入口大小
    Elf32_Half      e_shnum;                /* Section header table entry count */
    // 段头表入口数
    Elf32_Half      e_shstrndx;             /* Section header string table index */
    // 段头字符串编号
} Elf32_Ehdr;

六.lp_Print()函数流程图