uCore2020 lab1练习一作业

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lab1
- 练习一
- - 1、操作系统镜像文件ucore.img生成过程
  - - `init.o等文件`的生成过程
    - `bin/kernal`的生成过程
    - `bin/sign`的生成过程
    - `bin/bootblock`的生成过程
    - `bin/ucore.img`的生成过程
  - 2、被系统认为是符合规范的的硬盘主引导扇区的特征
  - - `<sys/stat.h>` 和系统调用`stat()`
- 拓展

lab1

练习一

练习一问题

1、操作系统镜像文件ucore.img生成过程

# 详细展现make的编译执行过程
make V=  > make.txt

`init.o等文件`的生成过程

+ cc kern/init/init.c
gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/init/init.c -o obj/kern/init/init.o

-Ikern/init/：告诉GCC在编译过程中搜索头文件时，除了默认的目录外，还需要在kern/init/目录下查找。
-fno-builtin：这个参数告诉GCC不要使用内置函数。在某些情况下，这可以提高编译后的代码的可移植性，因为它避免了依赖特定编译器的内部实现。
-Wall：这个参数开启所有警告。在开发过程中，通过查看这些警告信息，可以帮助找到潜在的错误或不好的编程习惯。
-ggdb：这个参数告诉GCC生成调试信息，这对于调试程序时使用GDB调试器非常有用。
-m32：这个参数指定生成的是32位代码。这在构建针对32位系统的程序时非常有用。
-gstabs：这个参数告诉GCC使用STABS格式生成调试信息，这是GDB调试器支持的一种格式。
-nostdinc：这个参数告诉GCC不要使用标准的stdio.h等标准库头文件。这可能意味着你已经包含了特定的头文件，或者你不想使用标准库中的某些功能。
-fno-stack-protector：这个参数告诉GCC不要为代码段添加栈保护。这可能是在某些安全敏感的应用中，为了性能优化而做出的妥协。
-Ilibs/、-Ikern/debug/、-Ikern/driver/、-Ikern/trap/、-Ikern/mm/：这些参数分别指定了其他包含目录，用于包含特定目录下的头文件。
-c：这个参数告诉GCC只进行编译，不进行链接。这意味着只生成目标文件，而不会生成可执行文件。
kern/init/init.c：编译的源代码文件。
-o obj/kern/init/init.o：这是编译后的目标文件的输出路径。obj/目录通常用于存放编译后的目标文件。

`bin/kernal`的生成过程

ld -m    elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel  obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/mm/pmm.o  obj/libs/printfmt.o obj/libs/string.o

-m elf_i386：指定了目标架构为Intel x86架构，使用ELF（Executable and Linkable Format）格式。
-nostdlib：表示不使用标准库，这意味着链接器不会自动包含任何标准库函数。
-T tools/kernel.ld：指定了一个链接脚本文件kernel.ld，其中包含了关于如何链接和布局各个目标文件的详细信息。
-o bin/kernel：指定了输出文件的名称为bin/kernel

目标文件（.o文件）的列表，它们包含了内核的各个部分：
obj/kern/init/init.o：初始化模块的代码
obj/kern/libs/readline.o：用于命令行输入处理的代码
obj/kern/libs/stdio.o：标准输入输出库的代码
obj/kern/debug/kdebug.o、obj/kern/debug/kmonitor.o、obj/kern/debug/panic.o：调试相关的代码
obj/kern/driver/clock.o、obj/kern/driver/console.o、obj/kern/driver/intr.o、obj/kern/driver/picirq.o：驱动程序相关的代码
obj/kern/trap/trap.o、obj/kern/trap/trapentry.o、obj/kern/trap/vectors.o：中断处理相关的代码
obj/kern/mm/pmm.o：内存管理模块的代码
obj/libs/printfmt.o、obj/libs/string.o：字符串处理和格式化函数的代码
ld工具会将上述*.o文件链接到一起，合并成一个完整的内核映像文件

`bin/sign`的生成过程

+ cc tools/sign.c
gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c -o obj/sign/tools/sign.o
gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign

GCC首先会编译tools/sign.c文件生成目标文件obj/sign/tools/sign.o，然后会将这个目标文件链接成一个可执行文件bin/sign。这个可执行文件可以用来执行特定的签名操作，可能是用于对文件或数据进行数字签名的工具。

`bin/bootblock`的生成过程

+ cc boot/bootasm.S
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
+ cc boot/bootmain.c
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc  -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
+ ld bin/bootblock
ld -m    elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00 obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o

Makefile中的命令对obj/bootblock进一步处理得到bin/bootblock
在这里插入图片描述

`bin/ucore.img`的生成过程

dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc

Linux系统中使用dd命令来创建和操作磁盘镜像

dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000

dd：这是用于复制文件的命令，它可以将数据从输入文件（if）复制到输出文件（of）。
if=/dev/zero：指定输入文件为/dev/zero。这是一个特殊的文件，读取它会得到无限的0。
of=bin/ucore.img：指定输出文件为当前目录下的bin/ucore.img。
count=10000：指定要复制的块的数量，这里是10000块。每块的大小默认为512字节，所以这将创建一个大约5MB的文件。

dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc

if=bin/bootblock：指定输入文件为当前目录下的bin/bootblock，这通常是一个启动块或者引导扇区。
of=bin/ucore.img：指定输出文件为bin/ucore.img，即之前创建的镜像文件。
conv=notrunc：指定不截断输出文件，即保留 ucore.img 文件中超出 bin/bootblock 大小的部分。这条命令会将 bootblock 文件的内容写入到 ucore.img 的开头，而不改变 ucore.img 的其余部分。

dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc

if=bin/kernel：指定输入文件为当前目录下的bin/kernel，这通常是操作系统的内核映像。
of=bin/ucore.img：同上，输出文件是bin/ucore.img。
seek=1：这个选项告诉dd在输出文件中跳过1块（通常是512字节），从而开始写入的位置不是文件的开始处，而是从第二个块开始。
conv=notrunc：同上，保持输出文件的原有大小，不截断。
这些命令通常用于构建一个包含引导扇区和内核的磁盘镜像文件，该文件可以被模拟器或者实际的硬件用来启动一个操作系统。在这个例子中，bin/ucore.img最终将包含一个引导块和内核，它们在磁盘上的位置分别是从起始处和第二个块开始。

2、被系统认为是符合规范的的硬盘主引导扇区的特征

sign.c负责将obj/bootblock.out加上主引导扇区特征（0x55，0x5A）后转化为bin/bootblock

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	// 结构体 stat：用于存储通过 stat 系统调用获取的文件状态信息
    struct stat st;

    // 确保能够正确地提供了所需的两个文件名参数！
    if (argc != 3) 
    {
        fprintf(stderr, "Usage: <input filename> <output filename>\n");
        return -1;
    }

    // 使用 stat 函数获取输入文件的状态信息，并检查文件是否存在以及是否可以访问
    if (stat(argv[1], &st) != 0)
    {
        fprintf(stderr, "Error opening file '%s': %s\n", argv[1], strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 'obj/bootblock.out' size: 472 bytes
    printf("'%s' size: %lld bytes\n", argv[1], (long long)st.st_size);

    // 如果输入文件的大小超过 510 字节，打印错误消息并退出。
    if (st.st_size > 510)
    {
        fprintf(stderr, "%lld >> 510!!\n", (long long)st.st_size);
        return -1;
    }

    // 分配一个 512 字节的缓冲区，并用 0 填充它
    char buf[512];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));

    // 打开输入文件进行二进制读取，并将文件内容读取到缓冲区中，读取完毕后关闭输入文件
    FILE *ifp = fopen(argv[1], "rb");
    int size = fread(buf, 1, st.st_size, ifp);
    if (size != st.st_size)
    {
        fprintf(stderr, "read '%s' error, size is %d.\n", argv[1], size);
        return -1;
    }
    fclose(ifp);

    // 主引导记录的签名（0x55和0xAA） 在缓冲区的第 510 和 511 个字节位置分别设置值为 0x55 和 0xAA。
    buf[510] = 0x55;
    buf[511] = 0xAA;

    // 打开输出文件进行二进制写入，并将缓冲区（512 字节）写入到输出文件中。
    FILE *ofp = fopen(argv[2], "wb+");
    size = fwrite(buf, 1, 512, ofp);
    if (size != 512)
    {
        fprintf(stderr, "write '%s' error, size is %d.\n", argv[2], size);
        return -1;
    }
    fclose(ofp);
    // 打印成功信息
    printf("build 512 bytes boot sector: '%s' success!\n", argv[2]);
    return 0;
}

`<sys/stat.h>` 和系统调用`stat()`

<sys/stat.h> 是一个在 Unix 和类 Unix 操作系统中常见的头文件，它定义了用于操作文件系统信息的结构和函数。

系统调用stat()用于获取文件或文件系统状态信息来填充结构体stat。

//如果成功，返回 0；如果出错，返回 -1 并设置 errno。
int stat(const char *path, struct stat *buf);

以下是 sys/stat.h 中常见的结构和宏定义的简要介绍：

// 结构体 stat：用于存储通过 stat 系统调用获取的文件状态信息
struct stat {
    dev_t     st_dev;         // 文件的设备号
    ino_t     st_ino;         // 文件的 i-node 号
    mode_t    st_mode;        // 文件的保护模式
    nlink_t   st_nlink;       // 文件的链接数
    uid_t     st_uid;         // 文件所有者的用户 ID
    gid_t     st_gid;         // 文件所有者的组 ID
    dev_t     st_rdev;        // 设备文件的设备号，如果是普通文件则为 0
    off_t     st_size;        // 文件大小，字节数
    blksize_t st_blksize;     // 块大小
    blkcnt_t  st_blocks;      // 块数量
    time_t    st_atime;       // 最后访问时间
    time_t    st_mtime;       // 最后修改时间
    time_t    st_ctime;       // 最后状态改变时间
};

// 宏定义：sys/stat.h 还定义了一些宏，用于检查文件类型。
#define S_ISDIR(m)  ((m) & S_IFDIR)  // 判断是否为目录
#define S_ISCHR(m)  ((m) & S_IFCHR)  // 判断是否为字符设备
#define S_ISBLK(m)  ((m) & S_IFBLK)  // 判断是否为块设备
#define S_ISREG(m)  ((m) & S_IFREG)  // 判断是否为普通文件
#define S_ISFIFO(m) ((m) & S_IFIFO)  // 判断是否为管道
#define S_ISLNK(m)  ((m) & S_IFLNK)  // 判断是否为符号链接
#define S_ISSOCK(m) ((m) & S_IFSOCK) // 判断是否为套接字

下面是一个使用 sys/stat.h 和 stat 函数的简单示例代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    struct stat st;
    if (stat("example.txt", &st) == -1) {
        perror("stat error");
        return 1;
    }

    printf("File size: %ld bytes\\n", st.st_size);
    printf("Last modified time: %s", ctime(&st.st_mtime));
    return 0;
}