河南农业大学计算机操作系统实验报告二操作系统的启动.doc

信息与管理科学学院计算机系实验报告课程名称： 计算机操作系统 实验名称： 操作系统的启动 姓 名： 张瑞芳 班 级： 指导教师： 刘羿 学 号： 实 验 室： 菊潭机房二 日 期： 2012.10.29 一、实验目的 跟踪调试EOS在PC机上从加电复位到成功启动的全过程，了解操作系统的启动过程。二、实验环境 EOS环境三、实验内容 调试EOS的启动过程，调试软盘引导扇区程序，调试加载程序，调试内核四、实验操作过程 1 准备EOS内核启动 OS Lab 后，首先新建一个EOS Kernel项目并生成项目。2 调试EOS的启动过程2.1 使用Bochs做为远程目标机按照下面的步骤将调试时使用的远程目标机修改为Bochs：1. 在“项目管理器”窗口中，右键点击目录树的根节点（kernel），选择快捷菜单中的“属性”，弹出项目的“属性页”对话框（此时按F1可以获得关于属性页的帮助）。2. 在弹出的项目“属性页”对话框中选中“远程目标机”属性（此时按F1可以获得关于此属性的帮助）。将“远程目标机”属性值修改为“Bochs Debug”。3. 点击“确定”按钮关闭“属性页”对话框。接下来就可以使用Bochs模拟器调试BIOS程序和软盘引导扇区程序了。2.2 调试BIOS按F5启动调试，此时会弹出两个Bochs窗口。标题为“Bochs for windows - Display”的窗口相当于计算机的显示器，显示操作系统的输出；标题为“Bochs for windows - Console”的窗口是Bochs的控制台，用来输入调试命令，输出各种调试信息。2.3 调试软盘引导扇区程序输入调试命令vb 0x0000:0x7c00在逻辑地址0x0000:0x7c00（相当于物理地址0x7c00）处添加一个断点。接下来输入调试命令c继续执行，到断点处中断。在Console窗口中输出下一个要执行的指令，即软盘引导扇区程序的第一条指令(0) 0x00007c00 0000:7c00 (unk. ctxt): jmp .+0x006d (0x00007c6f) ; eb6d 接下来使用调试命令sreg验证CS寄存器（0x0000）的值，使用调试命令r验证IP寄存器（0x7c00）的值。使用调试命令xp /512b 0x7c00显示软盘引导扇区程序的所有字节码,确保软盘引导扇区程序有512个字节。使用调试命令xp /512b 0x0600验证第一个用户可用区域是空白的。使用调试命令xp /512b 0x7e00验证第二个用户可用区域是空白的。在OS Lab的“项目管理器”窗口中打开“boot”文件夹，右键点击boot.asm文件，在弹出的快捷菜单中选择“打开生成的列表文件”，在源代码编辑器中就会打开文件boot.lst。接下来使用调试命令s，单步执行第一条指令，继续使用单步调试命令s进行调试，直到下面这些初始化CPU的指令执行完毕movax, csmovds, axmoves, axmovss, axxor sp, spmov bp, sp这些指令使用CS寄存器的值将DS、ES和SS寄存器初始化，由于CS寄存器的值为0，所以这些段寄存器（主要是代码段、数据段和堆栈段）的值就都被初始化为0了，最后将SP和BP都指向了64K堆栈的栈底，堆栈初始化完毕。接下来软盘引导扇区程序的主要任务就是将软盘中的loader.bin文件加载到物理内存的0x1000处，然后跳转到loader程序的第一条指令（物理地址0x1000处的指令）继续执行loader程序。下面在boot.lst文件中查找到加载完毕loader.bin文件后要跳转到loader程序中执行的指令。使用调试命令vb 0x0000:0x7d81在此指令处添加一个断点，输入调试命令c继续执行。按照打开boot.lst文件的方法同样可以打开loader.lst文件，在此文件中查找到loader程序的第一条指令。然后使用调试命令xp /8b 0x1000查看内存0x1000处的内存，验证此块内存的前三个字节和loader.lst文件中的第一条指令的字节码是相同的。根据loader.bin文件的大小，自己设计一个查看内存的调试命令，查看内存中loader程序结束位置的字节码，并与loader.lst文件中最后指令的字节码比较，验证loader程序被完全加载到了正确的位置。2.4 调试加载程序输入调试命令s，进入loader程序，Console窗口显示下一个要执行的指令，也就是loader程序的第一条指令， 在loader.lst文件中查找到准备进入EOS操作系统内核执行的指令 755 0000014F FF1517010080 call dword va_ImageEntry引用的代码是loader.lst中第一个节的结束和第二个节的开始593 000003C1 C20600 ret 6594 ;595 596 ;597 ;+598 ;保护模式代码599 SECTION .s32600 00000000 90 ALIGN32601 BITS32602 603 ProtectionMode:604 00000020 66B81000 movax, DS_SELECTOR使用添加物理地址断点的调试命令pb 0x1513在此指令处添加一个断点，然后输入调试命令c继续执行到此处中断。使用查看内存的调试命令x /1wx 0x80001117查看此处内存保存的32位函数入口地址，在Console窗口中输出0x0000000080001117 : 0x800*记录下Console输出的地址，接下来可以调试进入内核入口点函数，然后再验证内核入口点函数的地址与此地址是一致的。2.5 调试内核在OS Lab的“项目管理器”窗口中打开ke文件夹中的start.c文件，此文件中只定义了一个函数，就是操作系统内核的入口点函数KiSystemStartup。在KiSystemStartup函数中的KiInitializePic();代码行添加一个断点。现在可以在Console窗口中输入调试命令c继续调试，在刚刚添加的断点处中断。在start.c源代码文件中的KiSystemStartup函数名上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“添加监视”，KiSystemStartup函数就被添加到了“监视”窗口中，在“监视”窗口中可以看到此函数的值为void (PVOID) 0x800* 与在虚拟内存x80001117处保存的函数入口地址相同，说明的确是由Loader程序进入了操作系统内核。按F5继续执行EOS操作系统内核，在Display窗口中显示EOS操作系统已经启动，并且控制台程序已经开始运行了。在OS Lab中选择“调试”菜单中的“停止调试”，结束此次调试。五、实验结果及结论 1准备EOS内核并调试BIOS。启动调试后，Display窗口没有显示任何内容，Console窗口显示Bochs在BIOS程序的第一条指令处中断0xfffffff0 f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b ; ea5be000f0在Console中输入调试命令sreg后按回车，查看输出内容中CS寄存器的值cs:s=0xf000, dh=0xff0093ff, dl=0x0000ffff, valid=7其中的s=0xf000表示CS寄存器中的值。接着输入调试命令r后按回车，查看IP寄存器的值rip: 0x00000000:0000fff0可以验证BIOS第一条指令逻辑地址中的段地址和CS寄存器值是一致的，偏移地址和IP寄存器的值是一致的。2.调试软盘引导扇区程序输入调试命令vb 0x0000:0x7c00在逻辑地址0x0000:0x7c00（相当于物理地址0x7c00）处添加一个断点。接下来输入调试命令c继续执行，到断点处中断。中断后会在Display窗口中会显示Booting from Floppy表示PC机开始从软盘引导。在Console窗口中输出下一个要执行的指令， (0) 0x00007c00 0000:7c00 (unk. ctxt): jmp .+0x006d (0x00007c6f) ; eb6d接下来使用调试命令sreg验证CS寄存器（0x0000）的值，使用调试命令r验证IP寄存器（0x7c00）的值。使用调试命令xp /512b 0x0600验证第一个用户可用区域是空白的。使用调试命令xp /512b 0x7e00验证第二个用户可用区域是空白的。在OS Lab的“项目管理器”窗口中打开“boot”文件夹，右键点击boot.asm文件，在弹出的快捷菜单中选择“打开生成的列表文件”，在boot.lst中查找到软盘引导扇区程序的第一条指令 73 00000000 EB6D jmp short Start其中的73是行号；00000000是此条指令相对于程序开始位置的偏移（第一条指令应该为0）；EB6D是此条指令的字节码，和之前记录下来的指令字节码是一致的。继续在boot.lst文件中找到Start标签对应的指令 118 0000006F 8CC8 movax, cs3.调试加载程序记录下Console输出的地址，接下来可以调试进入内核入口点函数，验证内核入口点函数的地址与此地址是一致的。4.调试内核在OS Lab的“项目管理器”窗口中打开ke文件夹中的start.c文件，此文件中只定义了一个函数，就是操作系统内核的入口点函数KiSystemStartup。在KiSystemStartup函数中的KiInitializePic();代码行添加一个断点。在Console窗口中输入调试命令c继续调试，在刚刚添加的断点处中断。按F5继续执行EOS操作系统内核，在Display窗口中显示EOS操作系统已经启动，并且控制台程序已经开始运行了。在OS Lab中选择“调试”菜单中的“停止调试”，结束此次调试。六、心得体会 通过准备EOS内核并调试EO