2023开源操作系统训练营三阶段 proj2 练习1

ToniXWD

2023-12-13

训练营笔记 › 清华大学开源操作系统训练营2023

OS, Rust, riscv, 操作系统

练习实验书: https://scpointer.github.io/rcore2oscomp/docs/lab1/intro.html

1.编程作业

1.1 扩展 easy-fs-fuse

跟随前面文档的指引，扩展 easy-fs-fuse，使得它可以生成同时包含 Rust 和 C 用户程序的镜像

修改内核代码
此步骤参考任务书

修改Makefile
根据项目文档的说明, 基本上完成了生成同时包含 Rust 和 C 用户程序的镜像的需求, 但Makefile需要进行一定的修改
此处我基于ch8的代码进行修改

FS_IMG := target/fs.img
...
fs-img: $(APPS)
    @make -C ../user build TEST=$(TEST) CHAPTER=$(CHAPTER) BASE=$(BASE)
    @make -C ../testcases build
    @rm -f $(FS_IMG)
    @cp ../user/build/elf/* ../testcases/build/
    @cd ../easy-fs-fuse && cargo run --release -- -s ../testcases/build -o ../os/$(FS_IMG)

主要区别在于, 此次构建fs-img之前需要先编译testcases目录下的c程序, 并将user目录下的elf文件复制到testcases/build/下, 根据testcases/build/生成镜像时需要将任务书中的-t参数替换为-o参数

结果和测试
在os下执行make fs-img CHAPTER=8 BASE=2, 可以生成包含c程序的文件系统镜像。
同理，os下执行make run CHAPTER=8 BASE=2后运行42和hello程序:
- 42运行结果
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  >> 42
  Shell: Process 2 exited with code 42
  可以看出42返回值为42, 这与期望值相符合
- hello运行结果
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  >> hello xwd
  Incorrect argc
  Shell: Process 2 exited with code 1
  >> hello
  Incorrect argc
  Shell: Process 2 exited with code 1
  可以看出, hello程序无论是否添加参数, 都会输出错误信息, 这也是接下来要解决的问题。

1.2 修改os内核支持C程序

在 usershell 里运行了 42 和 hello 两个用户程序。42 的运行结果是符合预期的，但 hello 的结果看起来不太对，你的任务是修改内核，使得 hello 测例给出正常输出（即给出一行以 my name is 开头的输出，且 exit_code为0）。

原因分析
阅读原rCore文档与本实验文档
可以看出, 二者的栈分布是不同的, 先看旧的栈内存分布

可以看到在此栈的内存分布中, 实际的参数放在接近栈底的位置, 其指向的实际参数在靠近栈顶的位置, 并且通过阅读源码process.rs中的exec:
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trap_cx.x[10] = args.len();
trap_cx.x[11] = argv_base;
可知参数个数argc时通过手动计算args的长度计算得到的, 并没有存储在栈上。
阅读本实验指导书可知，C程序的栈内存分布如下：

在此栈的内存分布中, 实际的参数放在接近栈顶的位置, 其指向的实际参数在靠近栈底的位置，并且栈指针指向了argc
而且由testcases/lib/main.c可知:
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int __start_main(long *p)
{
int argc = p[0];
char **argv = (void *)(p+1);

exit(main(argc, argv));
return 0;
}
p是传递的栈指针sp, 因此argc会被置为栈指针当前指向的数据, 而根据前述分析可知, argc是存放于a0寄存器的, 因此后续使用argc时报错, 这是栈分布于C程序标准不一致导致的。
修改os思路
因此，需要将os中初始化栈分布相关的代码进行修改，使之符合C语言的约定，实际上我们要修改的代码位于：os/src/task/process.rs中的pub fn exec(self: &Arc<Self>, elf_data: &[u8], args: Vec<String>)
修改内存分布为上图的形式, 次过程不难, 具体代码实现可参考: 我的实现

小bug修改: 去除文件名
观察hello.c源码:

int main(int argc, char *argv[]) {
char greeting[11] = "my name is ";
char error[15] = "Incorrect argc\n";
if (argc != 1) {
    write(1, error, 15);
    return 1;
}
int len = 0;
while(argv[0][len] != 0) {
    len++;
}
write(1, greeting, 11);
write(1, argv[0], len);
return 0;
}

可知其argv[0]应当为命令行输入的参数, 而非约定中的程序名, 因此需要在系统调用中对args中去除第一个函数名参数:
具体代码实现可参考: 我的实现

运行结果
再次执行make run CHAPTER=8 BASE=2后运行hello程序

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Rust user shell
>> hello xwd
my name is xwdShell: Process 2 exited with code 0

2 问答作业

elf 文件和 bin 文件有什么区别？
elf是包含符号信息的二进制文件, bin文件是剥离了二进制信息的符号文件
以下是各个命令的输出

$ file elf/ch6_file0.elf
elf/ch6_file0.elf: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, RVC, double-float ABI, version 1 (SYSV), statically linked, stripped
$ file bin/ch6_file0.bin
bin/ch6_file0.bin: data

elf文件包含的信息有:

类型: ELF 64-bit LSB executable
RISC-V: 表示这是一个 RISC-V 架构的可执行文件。
RVC: 表示该文件使用了 RISC-V 的压缩指令集。
double-float ABI: 表示该文件使用了双精度浮点数 ABI（Application Binary Interface）。
版本 1 (SYSV): 表示该 ELF 文件采用了 SYSV 版本 1 的格式。
静态链接: 表示该文件是静态链接的，即所有的库和依赖在编译时就被链接进来了。
stripped: 表示该文件已经被剥离了符号信息。
bin文件包含的信息有:
“data” 表示这是一个二进制数据文件

总而言之, elf包含了程序的代码、数据、和用于指示操作系统如何运行程序的元数据, bin是纯二进制格式的文件，不包含元数据

因此riscv64-linux-musl-objdump -ld ch6_file0.bin > debug.S命令会报错:

1 2	$ riscv64-linux-musl-objdump -ld ch6_file0.bin > debug.S riscv64-linux-musl-objdump: ch6_file0.bin: file format not recognized

而riscv64-linux-musl-objdump -ld ch6_file0.elf > debug.S可以得到反汇编文件debug.S