实验课程: 操作系统

实验名称: Lab3 从实模式到保护模式

1. 实验要求

任务 1

1.1

复现Example 1，说说你是怎么做的并提供结果截图，也可以参考Ucore、Xv6等系统源码，实现自己的LBA方式的磁盘访问。
提示：部分需要的文件存放在src/example-1下，请根据需要将其放置于自己创建的lab3文件夹下。

1.2

在Example1中，我们使用了LBA28的方式来读取硬盘。此时，我们只要给出逻辑扇区号即可，但需要手动去读取I/O端口。然而，BIOS提供了实模式下读取硬盘的中断，其不需要关心具体的I/O端口，只需要给出逻辑扇区号对应的磁头（Heads）、扇区（Sectors）和柱面（Cylinder）即可，又被称为CHS模式。现在，同学们需要将LBA28读取硬盘的方式换成CHS读取，同时给出逻辑扇区号向CHS的转换公式。最后说说你是怎么做的并提供结果截图。

 LBA向CHS模式的转换
 int 13h中断

参数	数值
驱动器号（DL寄存器）	80h
每磁道扇区数	63
每柱面磁头数（每柱面总的磁道数）	18

任务 2

复现Example 2，使用gdb或其他debug工具在进入保护模式的4个重要步骤上设置断点，并结合代码、寄存器的内容等来分析这4个步骤，最后附上结果截图。gdb的使用可以参考appendix的“debug with gdb and qemu”部份。

提示：部分需要的文件存放在src/example-2下，请根据需要将其放置于自己创建的lab3文件夹下。

任务 3

改造“Lab2-Assignment 4”为32位代码，即在保护模式后执行自定义的汇编程序。

2. 实验过程

任务 1

1.1

编写bootloader.asm和mbr.asm，在 mbr.asm处放入使用LBA模式读取硬盘的代码，并加载bootloader到地址0x7e00，输出Hello World部份的代码放入到bootloader.asm中,具体代码内容见附件

然后我们编译 bootloader.asm，写入硬盘起始编号为1的扇区，共有5个扇区。

1 2	nasm -f bin bootloader.asm -o bootloader.bin dd if=bootloader.bin of=hd.img bs=512 count=5 seek=1 conv=notrunc

mbr.asm也要重新编译和写入硬盘起始编号为0的扇区。

1 2	nasm -f bin mbr.asm -o mbr.bin dd if=mbr.bin of=hd.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc

使用qemu运行即可，

1	qemu-system-i386 -hda hd.img -serial null -parallel stdio

1.2

CHS和LBA的转换

磁头数为硬盘磁头的总数，扇区数为每磁道的扇区数

逻辑编号（即LBA地址）=（柱面编号×磁头数+磁头编号）×扇区数+扇区编号-1

  C = LBA//每磁道的扇区数//磁头号 即 C=(LBA div NS)div NH；

  H = (LBA//每磁道扇区数) mod 磁头号  即 H=(LBA div NS)mod NH；

  S = (LBA mod 每磁道扇区数) + 1  即 S=(LBA mod NS)+1

例如 LBA = 0 则 CHS = 0/0/1

经过计算，S = 2, C =0 , H = 0
在这里我们改写load_bootloader:和asm_read_hard_disk:

接下来的步骤与1.1相同

具体代码见关键代码展示部分

任务 2

创建img：

1	qemu-img create hd.img 10m

首先我们编译bootloader.asm，写入硬盘起始编号为1的扇区，共有5个扇区。

1 2	nasm -f bin bootloader.asm -o bootloader.bin dd if=bootloader.bin of=hd.img bs=512 count=5 seek=1 conv=notrunc

mbr.asm也要重新编译和写入硬盘起始编号为0的扇区。

1 2	nasm -f bin mbr.asm -o mbr.bin dd if=mbr.bin of=hd.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc

使用qemu运行即可，观察结果

1	qemu-system-i386 -hda hd.img -serial null -parallel stdio

下面进行调试

生成符号表

我们首先删除mbr.asm和bootloader.asm的org语句，因为我们会在链接的过程中指定他们代码和数据的起始地址，其效果和org指令完全相同。

我们编译mbr.asm，生成可重定位文件mbr.o。其中，-g参数是为了加上debug信息。

1	nasm -o mbr.o -g -f elf32 mbr.asm

然后我们为可重定位文件mbr.o指定起始地址0x7c00，分别链接生成可执行文件mbr.symbol和mbr.bin

1 2	ld -o mbr.symbol -melf_i386 -N mbr.o -Ttext 0x7c00 ld -o mbr.bin -melf_i386 -N mbr.o -Ttext 0x7c00 --oformat binary

对于bootloader.asm，我们执行上述类似的操作。

1
2
3

nasm -o bootloader.o -g -f elf32 bootloader.asm 
ld -o bootloader.symbol -melf_i386 -N bootloader.o -Ttext 0x7e00
ld -o bootloader.bin -melf_i386 -N bootloader.o -Ttext 0x7e00 --oformat binary

然后将mbr.bin和bootloader.bin分别写入hd.img，写入的位置是lab2-Example 2中指定的位置。

1 2	dd if=mbr.bin of=hd.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc dd if=bootloader.bin of=hd.img bs=512 count=5 seek=1 conv=notrunc

debug基本流程

写好makefile和gdbinit文件后

直接在命令行输入

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3

make build

sudo make debug

在下面的位置设置第一个断点：
我们在内存中使用一个48位的变量pgdt来表示GDTR的内容。
然后把GDT的信息写入变量pgdt，把pgdt的内容加载进GDTR。即这两句

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3

;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [pgdt], 39      ;描述符表的界限   
lgdt [pgdt]

设置断点 b bootloader.asm:35(即在mov word[pgdt], 39)一行
加载GDTR信息后查看

汇编查看内存

如x/3uh 0x54320从地址0x54320开始，读取3个双字节（h），以无符号十六进制方式显示（u）

第二个断点位置：

当我们想进入保护模式时，首先需要打开第 21 根地址线。第21根地址线的开关位于南桥芯片的端口A20，使用 in，out 指令可以对主板端口进行读、写操作。代码如下。

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3

in al, 0x92 ; 南桥芯片内的端口
or al, 0000_0010B
out 0x92, al ; 打开 A20

在or语句设置断点，查看ax的第二位是否变为1

第三个断点位置

保护模式的真正开关——CR0。CR0 是 32 位的寄存器，包含了一系列用于控制处理器操作模式和运行状态的标志位，其第0位是保护模式的开关位，称为PE（protect mode enable）位。 PE置1，CPU 进入保护模式

cli        ; 保护模式下中断机制尚未建立，应禁止中断
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax   ; 设置 PE 位

在or语句处设置断点观察第0位变化

第四个断点位置

1	jmp dword CODE_SELECTOR:protect_mode_begin

解决“dbus-launch“ (No such file or directory)的问题

任务 3

对lab2assignment4中的代码进行修改。使之能在32位模式保护模式下运行

因为保护模式下禁止了中断，不能通过int 10h方式输出字符，我们需要按照lab2任务1的方式进行输出。

在bootloader进入保护模式部分后加入代码

3. 关键代码

任务1.2中读取磁盘代码：

load_bootloader:
    call asm_read_hard_disk  ; 读取硬盘
    ;inc ax
    ;cmp ax, 5
    ;jle load_bootloader
jmp 0x0000:0x7e00        ; 跳转到bootloader
asm_read_hard_disk:   
; 从硬盘读取一个逻辑扇区

; 参数列表
; ax=逻辑扇区号0~15位
; cx=逻辑扇区号16~28位
; ds:bx=读取出的数据放入地址
;pushad

; 返回值
; bx=bx+512

  mov ah, 2
  mov al, 5;读5个扇区
  mov ch, 0;CH＝柱面
  mov cl, 2;CL＝扇区
  mov dh, 0;DH＝磁头
  mov dl, 80h;DL＝驱动器
  int 13h
 
    ret

任务2中gdbinit内容

target remote:1234
set disassembly-flavor intel
# 设置反汇编的格式为Intel风格
add-symbol-file mbr.symbol 0x7c00
# 添加符号文件mbr.symbol，并指定它的加载地址为0x7c00。
add-symbol-file bootloader.symbol 0x7e00
layout src

makefile

run:
	@qemu-system-i386 -hda hd.img -serial null -parallel stdio 
	# 运行命令，使用qemu-system-i386虚拟机执行hd.img镜像文件，禁用串行输出和并行输出。

debug:
	@qemu-system-i386 -s -S -hda hd.img -serial null -parallel stdio &
	@sleep 1
	@gnome-terminal -e "gdb -q -x gdbinit"
	# 调试命令，使用qemu-system-i386虚拟机以调试模式运行hd.img镜像文件，
	# 禁用串行输出和并行输出，同时在后台运行。
	# 等待1秒钟，然后打开一个新的终端窗口并运行gdb调试器。

build:
	@nasm -g -f elf32 mbr.asm -o mbr.o
	@ld -o mbr.symbol -melf_i386 -N mbr.o -Ttext 0x7c00
	@ld -o mbr.bin -melf_i386 -N mbr.o -Ttext 0x7c00 --oformat binary
	@nasm -g -f elf32 bootloader.asm -o bootloader.o
	@ld -o bootloader.symbol -melf_i386 -N bootloader.o -Ttext 0x7e00
	@ld -o bootloader.bin -melf_i386 -N bootloader.o -Ttext 0x7e00 --oformat binary
	@dd if=mbr.bin of=hd.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc
	@dd if=bootloader.bin of=hd.img bs=512 count=5 seek=1 conv=notrunc
	# 构建命令，使用nasm汇编器将mbr.asm文件编译为mbr.o目标文件，
	# 使用ld链接器将mbr.o目标文件链接为mbr.symbol符号文件，
	# 使用ld链接器将mbr.o目标文件链接为mbr.bin二进制文件，
	# 设置链接地址为0x7c00，输出格式为二进制文件。
	# 使用nasm汇编器将bootloader.asm文件编译为bootloader.o目标文件，
	# 使用ld链接器将bootloader.o目标文件链接为bootloader.symbol符号文件，
	# 使用ld链接器将bootloader.o目标文件链接为bootloader.bin二进制文件，
	# 设置链接地址为0x7e00，输出格式为二进制文件。
	# 使用dd命令将mbr.bin文件的内容复制到hd.img镜像文件的偏移量为0的位置，
	# 复制512字节，覆盖原有内容，不进行截断。
	# 使用dd命令将bootloader.bin文件的内容复制到hd.img镜像文件的偏移量为512的位置，
	# 复制5个512字节，覆盖原有内容，不进行截断。

clean:
	@rm -fr *.bin *.o
	# 清理命令，删除所有的.bin和.o文件。

4. 实验结果

任务 1

1.1

1.2

使用CHS读取硬盘并加上了姓名学号

任务2

准备GDT，用lgdt指令加载GDTR信息 。(pgdt为39)

2. 打开第21根地址线 。（al第2位为1）

3. 开启cr0的保护模式标志位 。(ax第0位变为1)

4. 远跳转，进入保护模式

5.最后进入保护模式

任务3

5. 总结

遇到的问题及改进意见

在任务2中gdbinit文档中bootloader.symbol的地址应为0x7e00而不是0x7c00

写好makefile文件后在命令行make debug报错

“Failed to execute child process “dbus-launch”

“

Error constructing proxy for :1.288:/org/gnome/Terminal/Factory0:

连接已关闭Failed to use specified server:

连接已关闭Falling back to default server.Error constructing proxy for org.gnome.Terminal:/org/gnome/Terminal/Factory0: 连接已关闭

make: [makefile:6：debug] 错误 1

“

分别使用

sudo apt install dbus-x11

sudo make debug后解决了问题

实验总结

在这次实验中，我学习了LBA,CHS两种读写硬盘的方法，在实验中我还学习了实模式和保护模式的区别，从实模式跳转进入到保护模式、gdb的使用等内容。最后实现了移植大于512字节的程序。

yhzhuang

SYSU-2024操作系统lab3实验

实验名称: Lab3 从实模式到保护模式

1. 实验要求

任务 1

1.1

1.2

任务 2

任务 3

2. 实验过程

任务 1

1.1

1.2

任务 2

下面进行调试

生成符号表

debug基本流程

任务 3

3. 关键代码

4. 实验结果

任务 1

1.1

1.2

任务2

任务3

5. 总结