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Info: 普典衡 21020007074
Date: 2023-12-02
一、实验要求（ 10% ）
1. 从操作系统角度理解 MIPS 体系结构
2. 掌握操作系统启动的基本流程
3. 掌握 ELF 文件的结构和功能
二、实验内容及步骤（ 80% ）
把include.mk中的
/opt/eldk/usr/bin/mips-4kc- 改成
/OSLAB/compiler/usr/bin/mips_4KC-
查看 gxemul 文件夹，该目录下生成了 vmlinux 内核文件
1. ELF 定义：
-ELF（ Executable and Linkable Format ）是一种文件格式，主要用于 Linux 平台。它用于存储各种类 型的文件，包括可执行文件、可重定位文件（通常是 `.o` 文件）、共享对象文件（如 `.so` 文件）和核 心转储文件。在 Windows 平台中，类似的格式是 PE/COFF 。
2. ELF 文件头：
-ELF 文件的起始位置是文件头，包含关于文件的静态信息。这些信息可以通过 `readelf` 命令查看。 文件头的结构和参数在 `/usr/include/elf.h` 中定义，分为 32 位版本（ Elf32_Ehdr ）和 64 位版本 （Elf64_Ehdr ），这两个版本在大多数内容上是相似的，结构如下所示：
typedef struct {
Elf32_Half e_type;//Elf 文件类型
Elf32_Half e_machine;//ELF 文件的 CPU 平台属性
Elf32_Word e_version;//ELF 版本信息
Elf32_Addr e_entry;//入口地址
Elf32_Off e_phoff;//程序头表的文件偏移（以字节为单位）。如果文件没有程序头表，则此成员值为零。
Elf32_Off e_shoff;//节头表的文件偏移（以字节为单位）。如果文件没有节头表，则此成员值为零。
Elf32_Word e_flags;//与文件关联的特定于处理器的标志。标志名称采用 EF_machine_flag 形式。
Elf32_Half e_ehsize;//ELF 头的大小（以字节为单位）
Elf32_Half e_phentsize;//文件的程序头表中某一项的大小（以字节为单位）。所有项的大小都相同
Elf32_Half e_phnum;//程序头表中的项数。
Elf32_Half e_shentsize;//节头的大小（以字节为单位）。节头是节头表中的一项。所有项的大小都相同
Elf32_Half e_shnum;//节头表中的项数
Elf32_Half e_shstrndx;//与节名称字符串表关联的项的节头表索引。
} Elf32_Ehdr; 2 补全全 readelf.c 中代码
// get section table addr, section header number and section header size.
shdr = (Elf32_Shdr *)(binary + ehdr->e_shoff);
sh_entry_count = ehdr->e_shnum;
sh_entry_size = ehdr->e_shentsize;// for each section header, output section number and section addr.
for (Nr = 0; Nr < sh_entry_count; ++Nr) {printf("%d:0x%x\n", Nr, shdr->sh_addr);shdr++;
}
编译运行结果如下：
之前生成的 vmlinux 内核文件为大端存储 big endian ，而 testELF 为小端存储 little endian 。
readelf 程序只 能解析后者而不能解析前者，因为 readelf 程序使用 c 语言不能简单的读取大端存储的数据。
补全 scse_03.lds ：
OUTPUT_ARCH(mips)
/*
Set the architecture to mips.
*/
ENTRY(_start)
/*
Set the ENTRY point of the program to _start.
*/
SECTIONS
{. = 0x80010000;.text : { *(.text) }.data : { *(.data) }.bss : { *(.bss) }/* To do:fill in the correct address of the key sectionssuch as text, data, bss...
*/end = . ;
} 生成 vmlinux 后查看各 section 地址：
在本次实验中，内核入口处设定的起始地址是 0x80000000 ，而 main 函数的位置在 0x80010000 。入口函 数（本例中为 start.S ）内部利用 `jal` 跳转指令来跳转至特定的函数地址。实现跨文件的函数调用时，这 种跳转通常先要求将数据存入栈中，随后再执行跳转。
补全 boot/start.S ：
/*To do: set up stack you can reference the memory layout in the include/mmu.h
*/
li sp, 0x80400000
jal main
nop 重新 make ，执行 gxemul -E testmips -C R3000 -M64 gxemul/vmlinux 命令：
补全 lib/print.c 中的 Ip_Print() 函数中缺失部分：
for (;;) {{/* scan for the next '%' */while ((*fmt) != '%' && (*fmt) != '\0') {OUTPUT(arg, fmt, 1);fmt++;}/* flush the string found so far *//* are we hitting the end? */if ((*fmt) == '\0') {break;}}/* we found a '%' */fmt++;/* check for long *//* check for other prefixes *//* check format flag */if (*fmt == '-') {ladjust = 1, fmt++;} else if (*fmt == '0') {padc = '0', fmt++;}for (; IsDigit(*fmt); fmt++) {width = width * 10 + Ctod(*fmt);}if (*fmt == '.') {fmt++;for (; IsDigit(*fmt); fmt++) {prec = prec * 10 + Ctod(*fmt);}}if (*fmt == 'l') {longFlag = 1;fmt++;}longFlag = 0;width = 0;ladjust = 0;prec = 0;padc = ' ';negFlag = 0;再次输入 gxemul -E testmips -C R3000 -M64 gxemul/vmlinux
Push lab1 分支：
通过
三、心得总结（写出自己在完成实验过程中遇到的问题、解决方法，以及体会、收获等）
（10%）
遇到的问题与解决方法：
1. 交叉编译器路径的配置：
开始时遇到交叉编译器路径不正确的问题。通过修改 include.mk 文件中的 CROSS_COMPILE 变量为正确的路径，解决了这个问题。
2. 理解并操作 ELF 文件：
ELF 文件的复杂结构最初让我感到困惑。通过研究 readelf 工具和 ELF 文件的头部结构，我逐渐
理解了它们的组成部分和功能。
3. 内核文件的大端和小端问题：
尝试解析不同格式的 ELF 文件时，发现 readelf 程序不能解析大端存储的 vmlinux 文件。我了解
到这是由于 C 语言处理字节顺序的方式造成的，进而理解了大端和小端存储格式的差异。
4. 编写和调试汇编代码：
在补全 boot/start.S 时，学会了如何编写 MIPS 汇编代码，并理解了汇编层面的函数跳转。
5. 编译和调试：
整个实验过程中，我反复进行编译、测试和调试，以确保每一部分都能正确工作。
体会和收获：
1. 深入理解 MIPS 架构：
通过这次实验，我对 MIPS 架构有了更深入的理解，包括其指令集和内存管理方式。
2. 操作系统启动过程的认识：
学习了操作系统启动的基本流程，特别是 bootloader 的作用以及如何将控制权从 bootloader 转移 到操作系统内核。
3. ELF 文件格式的深入了解：
对 ELF 文件格式的研究让我更好地理解了 Linux 下的可执行文件是如何被组织和管理的。
4. 实践编程技能：
实验过程中的编码和调试工作提升了我的编程能力，特别是在处理底层系统层面的编程时。
5. 解决问题的能力：
面对各种挑战和问题，我学会了如何系统地分析问题、查找资料并应用知识来找到解决方案。更加自信地面对未来可能遇到的技术挑战。