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161720326 - 方建军 - PA3.1.pdf
南京航空航天大学《计算机组成原理Ⅱ课程设计》报告
目录
思考题
实验内容
遇到的问题及解决办法
心得体会
其他备注
南京航空航天大学《计算机组成原理Ⅱ课程设计》
报告
姓名：方建军
班级：1617203
学号：161720326
报告阶段：PA3.1
完成日期：2019.6.8
本次实验，我完成了所有内容
目录
南京航空航天大学《计算机组成原理Ⅱ课程设计》报告
目录
思考题
实验内容
遇到的问题及解决办法
心得体会
其他备注
思考题
1. 什么是操作系统？
操作系统（英语：operating system，缩写作 OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系
统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、
操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。
2. 我们在 PA2 中对 cputest 和部分设备测试的程序直接运行在 AM 之上，那么和 Nanos-lite 是运行在 AM 之上
的 有什么差距呢？我们可以把 Nanos-lite 看作一个和 PA2 中这些测试用例同等地位的一个 AM 程序吗？
权限不一样，不可以
3. 我们把 PA2 中运行的这些测试用例的运行方式称作“直接运行在硬件上的用户程序”，经过上个思考题的思考，
请你总结一下操作系统的实质：操作系统就是一个较为大型的( )，它和直接运行在硬件上的程序( )(有/无)实质差
别。
用户程序，无
4. 我们曾经问过这样一个问题：程序设计课上老师说程序运行到 main() 函数的 return 0; 语句，程序就结束
了，是真的吗？现在再回想一下，当时自己的回答是否正确。程序在进入 main 函数前和退出 main 函数后，都
做了什么工作？如果你还不能理解，请结合 _start() 及其中调用过的函数或过程再思考一下。
进入之前先将寄存器等内容入栈，出来时在恢复进入main函数前的状态
5.我们发现，系统调用会根据系统调用号在 IDT 中索引，取得该调用号对应的系统调用服务程序的地址，并跳转过
去。在触发系统调用前，会保护用户相关状态寄存器（EFLAGS, EIP等）到栈中，系统调用完毕后再恢复，这和我们
所学过的什么的过程非常相似？我们可以将系统调用的服务程序理解为一个比较特殊的“函数”吗？请说明理由。这
个“服务程序”和我们的“用户编写的函数”有什么不同？
与函先将数的过程调用类似，可以，因为在调用前都要做准备工作，先将一些寄存器内容入栈，调用完后再恢复
6.我们在 GNU/Linux 下编写了带有 bug 的程序，虽然能通过编译，但在运行时却遇到了“Segmentation Fault”（段
错误），为什么在编译阶段不能发现这些潜在的段错误呢？段错误通常是由哪些程序行为引起的？
段错误一般是当你访问了未申请的内存或非法的内存时产生的。主要还是程序的内存管理有问 题。编译时无法发现
7.我们知道进行函数调用的时候也需要保存调用者的状态：返回地址，以及调用约定（calling convention）中需要
调用者保存的寄存器。而进行异常处理之前却要保存更多的信息。尝试对比它们，并思考两者保存信息不同是什么原
因造成的。
函数调用没有保存cs等，因为异常处理可能涉及到多层函数调用
8. trap.S 中有一行 pushl %esp 的代码，乍看之下其行为十分诡异。你能结合前后的代码理解它的行为吗？Hint:
不用想太多，其实都是你学过的知识。
将陷进帧压栈
9.事件号和系统调用号有什么区别？
事件代表事件编号，而系统调用号代表事件所触发系统调用的编号
10.我们曾经在编写各种 C 语言程序时，遇到过这种情况：
#include
int main(){
int *p = NULL;
printf("I am here!");
*p = 10; // giving value to a NULL address will cause segmentation fault
return 0;
}
程序在运行到 *p = 10; 时出现了段错误，但是 I am here! 这个字符串却并没有被打印到屏幕上，这是为什么？
怎么修改上述代码使得能在 *p = 10; 出现段错误时，仍能打印出 I am here! 这个字符串？如下面的操作所示：
$ vim test.c # type code above into test.c
$ gcc test.c # compile test.c to ./a.out
$ ./a.out # execute ./a.out and a Segmentation fault will be reported
Segmentation fault
$ vim test.c # how to make some modification to let string get printed?
$ gcc test.c # compile test.c again
$ ./a.out # execute ./a.out again and the supposed string was printed
I am here!
Segmentation fault
请你在输入上述程序时，务必不要出现任何手误，确保是原样输入（当然，你无需输入注释内容），否则你将有可能
意外地不会出现此处的段错误。请你结合讲义内容和自己的实验，尝试找出解决方案，并解释其中的原因。
解决方案：将printf放到指针定义前面，
出现原因：C语言在定义指针变量时会先实现内存分配
11.方便起见，我们在更新后的框架代码中替大家实现了几个文件管理函数。那么，请你参考这些 fs_ 开头的函数，
思考一下它们是如何编写出来的
利用一些文件的基本知识
12.网上流传着一些关于仙剑奇侠传的秘技，其中的若干条秘技如下：
1. 很多人到了云姨那里都会去拿三次钱，其实拿一次就会让钱箱爆满！你拿了一次钱就去买剑把钱用到只剩一千
多，然后去道士那里，先不要上楼，去掌柜那里买酒，多买几次你就会发现钱用不完了。
2. 不断使用乾坤一掷（钱必须多于五千文）用到财产低于五千文，钱会暴增到上限，如此一来就有用不完的钱
了。
3. 当李逍遥等级到达 99 级时，用 5~10 只金蚕王，经验点又跑出来了，而且升级所需经验会变回初期 5~10 级内
的经验值，然后去打敌人或用金蚕王升级，可以学到灵儿的法术（从五气朝元开始）；升到 199 级后再用 5~10
只金蚕王，经验点再跑出来，所需升级经验也是很低，可以学到月如的法术（从一阳指开始）；到 299 级后再
用 10~30 只金蚕王，经验点出来后继续升级，可学到阿奴的法术（从万蚁蚀象开始）。
假设这些上述这些秘技并非游戏制作人员的本意，请尝试解释这些秘技为什么能生效。
相关数据发生了溢出
13.文件读写的具体过程 仙剑奇侠传中有以下行为：
在 navy-apps/apps/pal/src/global/global.c 的 PAL_LoadGame() 中通过 fread() 读取游戏存档
在 navy-apps/apps/pal/src/hal/hal.c 的 redraw() 中通过 NDL_DrawRect() 更新屏幕
请结合代码解释仙剑奇侠传、库函数、libos、Nanos-lite、AM、NEMU 是如何相互协助，来分别完成游戏存档的读
取和屏幕的更新。
游戏存档：库函数读取存档向Nanos-lite申请系统调用，Nanos-lite在转到AM实现，nemu底层实现
屏幕更新同上。
实验内容
1.实现loader
实现简单 loader，触发未实现指令 int:
代码：
ramdisk_read(DEFAULT_ENTRY,0,get_ramdisk_size());
return (uintptr_t)DEFAULT_ENTRY;
代码截图：
思想：直接调用ramdisk_read函数即可
实现引入文件系统后的 loader：
代码：
uintptr_t loader(_Protect *as, const char *filename) {
//ramdisk_read(DEFAULT_ENTRY,0,get_ramdisk_size());
int fd = fs_open(filename, 0, 0);
fs_read(fd, DEFAULT_ENTRY, fs_filesz(fd));
fs_close(fd);
return (uintptr_t)DEFAULT_ENTRY;
}
代码截图：
思想：用fs_open函数打开要加载的文件，用fs_read函数读取即可
2.添加寄存器和 LIDT 指令
根据 i386 手册正确添加 IDTR 和 CS 寄存器：
在reg.h里添加CS和IDTR寄存器即可
截图：
在 restart() 中正确设置寄存器初始值：
设置即可
代码：
static inline void restart() {
/* Set the initial instruction pointer. */
cpu.eip = ENTRY_START;
cpu.eflags = 0x00000002;
cpu.cs = 0x8;
#ifdef DIFF_TEST
init_qemu_reg();
#endif
}
截图：
实现LIDT指令：
代码：
make_EHelper(lidt) {
cpu.idtr.limit = vaddr_read(id_dest->addr, 2);
if (decoding.is_operand_size_16)
cpu.idtr.base = vaddr_read(id_dest->addr + 2, 3);
else
cpu.idtr.base = vaddr_read(id_dest->addr + 2, 4);
print_asm_template1(lidt);
}
代码截图：
思想：根据i386手册实现即可，并添加译码表
3.实现 INT 指令
代码：
raise_intr:
void raise_intr(uint8_t NO, vaddr_t ret_addr) {
/* TODO: Trigger an interrupt/exception with ``NO''.
- That is, use ``NO'' to index the IDT.
*/
union {
GateDesc gd;
struct{uint32_t lo,
hi;
};
}item;
vaddr_t addr;
addr=8*NO+cpu.idtr.base;
item.lo=vaddr_read(addr,4);
item.hi=vaddr_read(addr+4,4);
decoding.is_jmp=1;
decoding.jmp_eip=(item.gd.offset_15_0&0xFFFF)|((item.gd.offset_31_16&0xFFFF)<<16);
rtl_push(&cpu.eflags);
t0 = cpu.cs;
rtl_push(&t0);
rtl_push(&ret_addr);
cpu.IF=0;
}er函数：
helper函数：
make_EHelper(int) {
raise_intr(id_dest->val, decoding.seq_eip);
print_asm("int %s", id_dest->str);
#ifdef DIFF_TEST
diff_test_skip_nemu();
#endif
}
截图：
思想：根据i386手册实现即可，并添加译码表
4.实现其他相关指令和结构体
组织 _RegSet 结构体：
代码：
struct _RegSet {
uintptr_t edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax;
int irq;
uintptr_t error_code, eip, cs, eflags;
};
截图：
思想：根据trap frame结构体形成顺序来组织顺序
pusha指令：
代码：
make_EHelper(pusha) {
if (decoding.is_operand_size_16) {
t0 = cpu.esp;
rtl_lr_w(&t1, R_AX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_w(&t1, R_CX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_w(&t1, R_DX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_w(&t1, R_BX);
rtl_push(&t1);
rtl_push(&t0);
rtl_lr_w(&t1, R_BP);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_w(&t1, R_SI);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_w(&t1, R_DI);
rtl_push(&t1);
}
else {
t0 = cpu.esp;
rtl_lr_l(&t1, R_EAX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_l(&t1, R_ECX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_l(&t1, R_EDX);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_l(&t1, R_EBX);
rtl_push(&t1);
rtl_push(&t0);
rtl_lr_l(&t1, R_EBP);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_l(&t1, R_ESI);
rtl_push(&t1);
rtl_lr_l(&t1, R_EDI);
rtl_push(&t1);
}
print_asm("pusha");
}
截图：
popa指令：
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