Lab 1 Part 2 The Boot Loader
Loading the Kernel
我們現在可以進一步的討論一下boot loader中的C語言的部分，即boot/main.c。但是在我們分析之前，我們應該先回顧一些關於C語言的基礎知識。
Exercise 4：
閱讀關於C語言的指針部分的知識。最好的參考書自然是"The C Programming Language"。
閱讀5.1到5.5節。然后下載pointers.c的代碼，並且編譯運行它，確保你理解在屏幕上打印出來的所有的值是怎么來的。尤其要重點理解第1行，第6行的指針地址是如何得到的，以及在第2行到第4行的值是如何得到的，還有為什么在第5行打印出來的值看起來像程序崩潰了。
Waring：除非你已經對C語言相當了解，否則千萬不要跳過這一個練習。
這個練習的解答連接：http://www.cnblogs.com/fatsheep9146/p/5216735.html
為了能夠理解boot/main.c程序，你必須首先清楚什么是ELF文件。當你在編譯並且鏈接了像JOS內核這樣的C語言程序之后，編譯器會把C語言源文件(.c后綴)轉換為目標文件(.o后綴)。目標文件中包含的是機器直接能夠執行的機器指令。鏈接器在把所有的目標文件組合成一個單獨的二進制映像(binary image)，比如obj/kern/kernel。這類二進制映像文件就是ELF格式的。
在6.828中，你可以認為一個可以執行的ELF文件是由三大部分組成：一個是帶有加載信息的文件頭，然后緊跟着程序段表，然后緊跟着的就是幾個程序段(program section)。其中每一個段都是一塊連續的代碼或者數據。它們在被運行時要首先被加載到內存中。boot loader的工作就是把它們加載到內存中。
一個ELF文件，開始處是一個固定長度的ELF文件頭，后面緊跟着一個程序段表，這個段表中列出了要加載到內存中的所有段。關於ELF文件頭的格式在inc/elf.h文件中有聲明。在6.828中我們對三個段非常感興趣：
* .text段：存放所有程序的可執行代碼
* .rodata段：存放所有只讀數據的數據段，比如字符串常量。
* .data段：存放所有被初始化過的數據段，比如有初始值的全局變量。
當鏈接器在計算整個程序的內存布局時，它會為沒有被初始化過的變量，比如int x;，在一個緊跟在.data段后的段，.bss段中保留它們的信息。C語言要求所有沒有被初始化的變量值都為0。因而我們並不需要在ELF文件中存放這些變量的值，因為一定是0。因此鏈接器只是把這些變量的地址和大小存放在.bss段中。只有當程序裝入內存后，由裝入器為這些段賦予初值0。
你可以通過下面的指令來考察JOS內核中所有段的名字，大小和地址。
objdump -h obj/kern/kernel
得到的結果如下圖：
在圖中我們會發現這個可執行文件的所有段的信息，其中不僅僅包括我們之前提到的那四個段，還有一些其他的，他們主要用於存放一些debug信息等等。
在每一個段中都有兩個比較重要的字段，VMA(鏈接地址)，LMA(加載地址)。其中加載地址代表的就是這個段被加載到內存中后，它所在的物理地址。鏈接地址則指的是這個段希望被存放到的邏輯地址。
每一個ELF文件中都有一個Program Headers Table，用於指明ELF文件中哪些部分被加載到內存，以及被加載到內存中的地址。你可以通過輸入下述指令來獲取kernel的Program Headers Table的信息：
objdump -x obj/kern/kernel
其中Program Header中列出的是所有被加載到內存中的段的信息，這也是Program Headers Table的表項。每一個表項圖中都把這個表項中涉及到的所有字段都列出來了。可見有一些段最后沒有被加入到內存之中。在上圖中，那些需要被加載到內存的段被標記為LOAD。
BIOS通常會把boot sector加載到內存地址0x7c00處，這是boot sector的加載地址，也是boot sector的鏈接地址。我們可以通過boot/Makefrag文件中的-Ttext 0x7c00語句設置boot sector的鏈接地址，並且這個鏈接地址后來會被鏈接器所使用，保證鏈接器產生正確的代碼。
Exercise 5
再一次追蹤一下boot loader的一開始的幾句指令，找到第一條滿足如下條件的指令處：
當我修改了boot loader的鏈接地址，這個指令就會出現錯誤。
找到這樣的指令后，把boot loader的鏈接地址修改一下，我們要在boot/Makefrag文件中修改它的鏈接地址，修改完成后運行 make clean， 然后通過make指令重新編譯內核，再找到那條指令看看會發生什么。最后別忘了改回來。
練習解答連接：http://www.cnblogs.com/fatsheep9146/p/5220004.html
再讓我們回顧一下內核的加載地址和鏈接地址。和boot loader不同，內核的這兩個地址是不同的。內核告訴boot loader把它加載到低地址處（加載地址），但是它希望運行在高地址處（鏈接地址）。我們將在下一章仔細看這個問題。
除了各個段的信息，在ELF頭部中，還有一個非常重要的信息就是e_entry字段。這個字段存放的是這個可執行程序的執行入口處的鏈接地址。通過下面的指令你可以查看內核程序入口處。
可見程序入口地址為0x0010000C，這個地址也和我們之前的分析相符合。
Exercise 6
在這個練習中，我們將嘗試使用GDB的x命令（查看內存命令）。 x/Nx ADDR。這個指令將打印出從ADDR地址開始之后的N個字的內容。重啟一下Qemu。在Bios進入boot loader之前，內存地址0x00100000處8個字的內容，然后進入boot loader運行到內核開始處停止，再看下這個地址處的值。為什么二者不同？第二次這個內存處所存放的值的含義是什么？
解答：
在進入boot loader之前，從內存地址0x00100000處開始之后8個字的內容為：
在進入kernel那一刻之前，從內存地址0x00100000處開始之后8個字的內容為：
那么到此為止Lab 1的Part 2部分的所有實驗就都已經完成了。
如果有問題和建議，歡迎騷擾
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