练习1: 理解通过make生成执行文件的过程

练习1文档

• 操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的
• 一个被系统认为符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么

相关文件

• Makefile
• sign.c

操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的

背景知识

1. 什么是make

   在这里，make一般指的是GNU make。在软件开发中，GNU make是一个工具程序，经由读取叫做Makefile的文件，自动化建构软件。

   它是一种转化文件形式的工具，转换的目标称为target；与此同时，它也检查文件的依赖关系，如果需要的话，它会调用一些外部软件来完成任务。它的依赖关系检查系统非常简单，主要根据依赖文件的修改时间进行判断。大多数情况下，它被用来编译源代码，生成结果代码，然后把结果代码连接起来生成可执行文件或者库文件。它使用叫做Makefile的文件来确定一个target文件的依赖关系，然后把生成这个target的相关命令传给shell去执行。

2. 什么是Makefile

   Makefile是GNU make进行操作的规则，开发者在里面定义了不同的target，可以根据需要去执行不同的操作。

   比如，在uCore中的Makefile包含以下target：lab1-mon, debug-mon, qemu-mon, qemu, qemu-nox等，直接执行make或在命令后面填写target的名称可进行不同的操作。

3. 如何调试Makefile

   当执行make时，一般只会显示输出，不会显示make到底执行了哪些命令。

   如想了解make执行了哪些命令，可以执行：

   $ make "V="
   

   要获取更多有关make的信息，可上网查询，并请执行

   $ man make
   

问题分析

1. 操作系统镜像文件ucore.img是如何一步一步生成的

   我们先执行make "V="查看所得输出

   + cc kern/init/init.c

   gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -fno-PIC -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

   + cc kern/libs/stdio.c

   gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/stdio.c -o obj/kern/libs/stdio.o

   + cc kern/libs/readline.c

   gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/readline.c -o obj/kern/libs/readline.o

   + cc kern/debug/panic.c

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

   + cc kern/debug/kdebug.c

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

   + cc kern/debug/kmonitor.c

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

   + cc kern/driver/clock.c

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

   + cc kern/driver/console.c

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

   + cc kern/driver/picirq.c

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

   + cc kern/driver/intr.c

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

   + cc kern/trap/trap.c

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

   + cc kern/trap/vectors.S

   gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/vectors.S -o obj/kern/trap/vectors.o

   + cc kern/trap/trapentry.S

   gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trapentry.S -o obj/kern/trap/trapentry.o

   + cc kern/mm/pmm.c

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

   + cc libs/string.c

   gcc -Ilibs/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/string.c -o obj/libs/string.o

   + cc libs/printfmt.c

   gcc -Ilibs/ -fno-builtin -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o

   + ld bin/kernel

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

   + cc boot/bootasm.S

   gcc -Iboot/ -fno-builtin -fno-PIC -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 -fno-PIC -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o

   + 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

   + 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

   'obj/bootblock.out' size: 496 bytes

   build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!

   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

   注意: 此处仅列出stdout的输出结果，并没有列出stderr的内容；在进行编译/链接操作时，先输出了命令的简化描述，后输出了执行的完整命令

   由该内容可以看出，make进行操作的顺序为

   1. 编译kern目录下的所有文件（cc kern/*）

   2. 链接以上文件，生成内核文件kernel（ld bin/kernel）

      其文件格式为：bin/kernel: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped

   3. 编译boot目录下的所有文件（cc boot/*）

   4. 编译用来生成扇区文件的工具sign.c（cc tools/sign.c）

   5. 链接boot目录编译出的文件，生成文件bootblock（ld bin/bootblock）

      注意: 在链接bootblock时，ld命令指定了程序bootasm被实际加载到内存的位置为0x7C00。另外，进一步分析Makefile文件可以得知，ld链接后的文件为bootblock.o，该文件为Linux下的可执行文件。而后经过objcopy命令，将该可执行文件复制并转换为纯粹的，机器可直接执行的二进制文件bootblock.out，同时也为其缩小了文件尺寸，从超过1k缩小到了512字节以内，为编辑成主引导扇区提供了条件。

      #    File:    Makefile
      #    Line:    156
      
          @$(OBJCOPY) -S -O binary $(call objfile,bootblock) $(call outfile,bootblock)
      

   6. 将bootblock编辑成为符合规范的硬盘主引导扇区

      注意：make "V="的输出内未列出执行的命令(该命令位于Makefile第157行)，但列出了sign执行的结果(见下方代码)：

      build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!

      执行完成后，bootblock的文件格式为：bin/bootblock: DOS/MBR boot sector

      #        File:    Makefile
      #        Line:    157
      
          @$(call totarget,sign) $(call outfile,bootblock) $(bootblock)
      

      //    File:    sign.c
      //    Line:    40
      
          printf("build 512 bytes boot sector: '%s' success!\n", argv[2]);
      

   7. 使用dd命令创建空的镜像ucore.img，然后将bootblock与kernel分别写入ucore.img，至此创建完成。

参考文献

• Make (software)

一个被系统认为符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么

背景知识

1. 什么是主引导扇区

   主引导扇区位于整个磁盘的0磁头0柱面1扇区，包括主引导记录和分区表。

问题分析

1. 符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么

   查阅文档可知，主引导扇区的特征为：

   1. 大小为512字节

   2. 以0x55AA结束

   参考tools/sign.c可以发现，该代码执行结果符合以上特征

   //    File:    sign.c
   //    Line:    22
   
   char buf[512];
   
   //    Line:    31-34
   
   buf[510] = 0x55;
   buf[511] = 0xAA;
   FILE *ofp = fopen(argv[2], "wb+");
   size = fwrite(buf, 1, 512, ofp);
   

   该代码定义了长度为512的char型数组buf，把最后两个字节设为0x55AA后将其写入文件。

参考文献

• 主引导扇区