搭建实验环境

# 0. 搭建实验环境

工欲善其事必先利其器

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# 前言

在 B 站的评论区看到，老师的配套实验是在这里做的：操作系统原理与实践_Linux - 蓝桥云课 (opens new window)

这是一个网站，可以提供远程连接虚拟机给到用户操作。同时上面有很详细的实验手册。但有这样一个问题：如果想要保存自己的环境，是要收费的（完成学生认证后 5 折）；且远程还是有一点不方便，因此我决定自己搭建一套环境。当然，在网站上做也是有好处的，可以在上面看到很多同学留下的笔记等，有问题也可以在上面提。

后来其实已经有实验手册了，发现自己白写了....：HIT-OSLAB-MANUAL (opens new window)

后续我会记录实验过程，供大家参考

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# 工具介绍

Bochs：发音同"Box",是一款开源，使用 C++ 编写的，高度便携的 IA-32(X86)架构 PC 模拟器。简单来说，就是可以运行操作系统，并且方便调试

GCC：编译器，这里用来编译操作系统。Linux 最初的版本就是由 GCC 编译的

GDB：调试器，GCC 编译器的兄弟。类似汇编里的 debug

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# Ubuntu 下实验环境搭建（推荐）

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# 准备操作系统

由于我的电脑是 Windows，可以用 VMWare 或 VirtualBox 运行 Ubuntu。我这里用 Virtual Box，免费的。然后在 VirtualBox 下安装 Ubuntu，可以参考 VirtualBox 虚拟机安装 Ubuntu16_megfli 的博客 (opens new window) 。安装花费了 2~3 个小时

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我自己遇到的问题如下：

安装时黑屏时间过长：参考自己解决虚拟机 Ubuntu 开机黑屏 (opens new window)，我尝试重启后正常了
安装时 Ubuntu 显示屏幕过小：参考关于 VirtualBox 安装 Ubuntu 时界面显示不全，没有下一步选项 (opens new window)
安装完后，我们可以设置共享目录，方便 Windows 和虚拟机共享文件：新版本 virtualbox Ubuntu16.04 设置共享文件夹 (opens new window)

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# 安装依赖

我们不必从头开始安装 Bochs，GCC 等，有很多热心的网友已经帮我们配置好了：在终端里运行以下命令即可

$ git clone https://github.com/Wangzhike/HIT-Linux-0.11.git
$ cd HIT-Linux-0.11/prepEnv/hit-oslab-qiuyu/
$ ./setup.sh

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这样，就帮我们装好了很多依赖了，包括 Bochs，GCC 等

如果第一个下载不了，可以试试国内镜像地址：

git clone https://gitcode.net/mirrors/Wangzhike/HIT-Linux-0.11.git

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然后我们就可以运行 Linux0.11 了：

cd ~/oslab
./run

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命令还提供 init 脚本进行初始化：

./run init

注：这样会将 Image 也删除，所以要重新 cd linux 然后 make all

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关于本项目，更多的可以参考作者的 Github 说明文档。

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# 编译内核

在实验过程中，我们需修改操作系统的代码，然后重新编译一个新的操作系统镜像，并让 Bochs 运行，编译步骤如下：

$ cd ./linux-0.11/
$ make all

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以下说明来自实验楼：

make 命令会显示很多很多的信息，你可以尽量去看懂，也可以装作没看见。只要最后几行中没有 “error” 就说明编译成功。

make 命令会自动跳过未被修改的文件，链接时直接使用上次编译生成的目标文件，从而节约编译时间。但如果重新编译后，你的修改貌似没有生效，可以试试先 make clean ，再 make all（或者一行命令：make clean && make all。make clean 是删除上一次编译生成的所有中间文件和目标文件，确保是在全新的状态下编译整个工程。

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# 调试操作系统

我们编写操作系统代码的时候，难免会遇到问题，此时调试能帮助我们分析问题：

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汇编语言级别的调试：

$ cd ~/oslab/

# 运行脚本前确定已经关闭刚刚运行的 Bochs
$ ./dbg-asm

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以下说明来自实验楼：

汇编级调试的启动之后 Bochs 是黑屏，这是正常的。

可以用命令 help 来查看调试系统用的基本命令。更详细的信息请查阅 Bochs 使用手册。

按 q 可以退出调试

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C 语言级别的调试

先运行

$ cd ~/oslab
$ ./dbg-c

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再开一个终端，运行

$ cd ~/oslab
$ ./rungdb

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以下说明来自实验楼

注意：启动的顺序不能交换，否则 gdb 无法连接。

出现下图所示的提示，才说明连接成功

注意：可能要等一段时间后，才能连接成功。

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# Windows 下实验环境搭建（待完善，不推荐）

不推荐理由：有很多工具在 Windows 下不能运行，例如调试工具等，不太推荐。具体可以参考实验手册，也有详细的说明了。

如果你是用 Windows，那么如果如果运行虚拟机，虚拟机里再运行 Bochs 的话，对电脑的配置比较高的。如果内存不够，那么运行虚拟机后就容易卡顿，并且虚拟机内存不够的话也容易卡顿。（内存高的话就不用担心卡顿，比如我是 32G 台式机，给虚拟机分配 8G 内存后，总的 CPU 利用率也才 71%，使用过程中基本没有卡顿）

如果自己电脑配置不高的同学，也可以通过云服务器的方式搭建实验环境（网上有教程）。

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安装 Bochs：默认一路 Next 即可。安装完后会有两个对话框提示是否打开更新日志和介绍，关闭即可。

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接下来打开复制以下文件到 Bochs 的安装目录（安装过程中有指定安装目录的 ↑，其实就是除了文件 Bochs-2.1.1.exe、README、rootimage-0.11，其他文件都复制过去）

bochsout.txt
bochsrc-fd.bxrc
bochsrc-hd.bxrc
bootimage-0.11
bootimage-0.11-fd
bootimage-0.11-hd
bootimage-0.12-fd
bootimage-0.12-hd
diskb.img
gcclib-1.40.taz
hdc-0.11.img

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接下来，直接双击 bochsrc-hd.bxrc，就可以看到如画面，操作系统就被运行起来了

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# Bochs 调试技巧

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调试 Bochs 的脚本，环境里已经有了：.dbg-asm 的内容：

#!/bin/sh
export OSLAB_PATH=$(dirname `which $0`)
$OSLAB_PATH/bochs/bochs-dbg -q -f $OSLAB_PATH/bochs/bochsrc.bxrc

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我们先启动：

peterjxl@Ubuntu16:~/oslab$ ./dbg-asm 
========================================================================
                       Bochs x86 Emulator 2.3.7
               Build from CVS snapshot, on June 3, 2008
========================================================================
00000000000i[     ] reading configuration from ./bochs/bochsrc.bxrc
00000000000i[     ] installing x module as the Bochs GUI
00000000000i[     ] using log file ./bochsout.txt
Next at t=0
(0) [0xfffffff0] f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b         ; ea5be000f0
<bochs:1>

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运行后，Bochs 会等待我们输入调试指令（在最后一行处光标会闪烁）

Table 1. 部分 Bochs 调试指令

行为	指令	举例
在某物理地址设置断点	b addr	b 0x30400
显示当前所有断点信息	info break	info break
继续执行，直到遇上断点	c	c
单步执行	s	s
单步执行（遇到函数则跳过）	n	n
查看寄存器信息	info cpurfpsregcreg	info cpurfpsregcreg
查看堆栈	print-stack	print-stack
查看内存物理地址内容	xp /nuf addr	xp /40bx 0x9013e
查看线性地址内容	x /nuf addr	x /40bx 0x13e
反汇编一段内存	u start end	u 0x30400 0x3040D
反汇编执行的每一条指令	trace-on	trace-on
每执行一条指令就打印 CPU 信息	trace-reg	trace-reg on
退出	q	q

其中 "xp /40bx 0x9013e" 这样的格式可能显得有点复杂，读者可以用 "help x" 这一指令在 Bochs 中亲自看一下它代表的意义 ‍

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我们知道 bootsect.s 默认是加载到 0x7c00，我们可以将断点打到 0x7c00，然后输入 c 指令，直接运行到断点处：

<bochs:1> b 0x7c00
<bochs:2> c
(0) Breakpoint 1, 0x00007c00 in ?? ()
Next at t=4967696
(0) [0x00007c00] 0000:7c00 (unk. ctxt): mov ax, 0x07c0            ; b8c007
<bochs:3>

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可以看到 Bochs 提示我们，下一条指令就是 mov ax, 0x7c00，这就是 bootsect.s 的第一条执行的指令（注意，此时还没开始执行）

entry start
start:
	mov	ax,#BOOTSEG
	mov	ds,ax

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我们输入 n 指令，让 Bochs 单步执行，可以看到下一条要执行的指令就是 bootsect.s 的第二条执行（第一条已经执行了）

<bochs:1> b 0x7c00
<bochs:2> c
(0) Breakpoint 1, 0x00007c00 in ?? ()
Next at t=4967696
(0) [0x00007c00] 0000:7c00 (unk. ctxt): mov ax, 0x07c0            ; b8c007
<bochs:3> n
Next at t=4967697
(0) [0x00007c03] 0000:7c03 (unk. ctxt): mov ds, ax                ; 8ed8
<bochs:4>

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（注：如果我们有执行到 call 的话，可以用 s 指令进去方法里）

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如果我们什么都不输入，直接按回车，默认就是执行上一步的命令

<bochs:4> 
Next at t=4967698
(0) [0x00007c05] 0000:7c05 (unk. ctxt): mov ax, 0x9000            ; b80090
<bochs:5> 
Next at t=4967699
(0) [0x00007c08] 0000:7c08 (unk. ctxt): mov es, ax                ; 8ec0
<bochs:6>

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查看寄存器：用 r 指令

<bochs:6> r
eax: 0x00009000 36864
ecx: 0x00000000 0
edx: 0x00000000 0
ebx: 0x00000000 0
esp: 0x0000ffdc 65500
ebp: 0x00000000 0
esi: 0xffff0000 -65536
edi: 0x0008fdba 589242
eip: 0x00007c08
eflags 0x00000082
id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf SF zf af pf cf

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但看段寄存器要用 sreg 命令

<bochs:7> sreg
cs:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00009300, valid=1
ds:s=0x07c0, dl=0x7c00ffff, dh=0x00009300, valid=1
ss:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00009300, valid=7
es:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00009300, valid=1
fs:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00009300, valid=1
gs:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00009300, valid=1
ldtr:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00008200, valid=1
tr:s=0x0000, dl=0x0000ffff, dh=0x00008b00, valid=1
gdtr:base=0x000faeb2, limit=0x30
idtr:base=0x00000000, limit=0x3ff

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info break：查看打了多少个断点

<bochs:8> info break
Num Type           Disp Enb Address
  1 pbreakpoint    keep y   0x00007c00

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打印堆栈：print-stack

<bochs:9> print-stack
Stack address size 2
 | STACK 0xffdc [0x8a60001]
 | STACK 0xffde [0x8a60000]
 | STACK 0xffe0 [0x8a60000]
 | STACK 0xffe2 [0x8a60000]
 | STACK 0xffe4 [0x8a60000]
 | STACK 0xffe6 [0x8a60000]
 | STACK 0xffe8 [0x8a60000]
 | STACK 0xffea [0x8a60000]
 | STACK 0xffec [0x8a60000]
 | STACK 0xffee [0x8a67c00]
 | STACK 0xfff0 [0x8a60000]
 | STACK 0xfff2 [0x8a60040]
 | STACK 0xfff4 [0x8a60000]
 | STACK 0xfff6 [0x8a69fc0]
 | STACK 0xfff8 [0x8a6fff6]
 | STACK 0xfffa [0x8a6a3f9]

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# 文件交换

我们在实验过程中，会遇到 ubuntu 和 Linux0.11 之间的文件交换。因为在 Linux0.11 里，只有 vi 这个工具，编写代码实在是太麻烦了。我们可以在 Ubuntu 里用其他编辑器或者 IDE 编写完后，传给 Linux0.11 上运行 ‍

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oslab 下的是 0.11 内核启动后的根文件系统镜像文件，相当于在 bochs 虚拟机里装载的硬盘。在 Ubuntu 上访问其内容的方法是：

$ cd ~/oslab/

# 启动挂载脚本
$ sudo ./mount-hdc

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之后，hdc 目录下就是和 0.11 内核一模一样的文件系统了，可以读写任何文件（可能有些文件要用 sudo 才能访问）。

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# 进入挂载到 Ubuntu 上的目录
$ cd ~/oslab/hdc

# 查看内容
$ ls -al

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读写完毕，不要忘了卸载这个文件系统：

$ cd ~/oslab/

# 卸载
$ sudo umount hdc

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经这样处理以后，我们可以在 Ubuntu 的 hdc 目录下创建一个 xxx.c 文件，然后利用 Ubuntu 上的编辑工具（如 gedit 等）实现对 xxx.c 文件的编辑工作，在编辑保存以后。

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注意 1：不要在 0.11 内核运行的时候 mount 镜像文件，否则可能会损坏文件系统。同理，也不要在已经 mount 的时候运行 0.11 内核。

注意 2：在关闭 Bochs 之前，需要先在 0.11 的命令行运行 “sync”，确保所有缓存数据都存盘后，再关闭 Bochs。

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# 参考

mirrors / Wangzhike / HIT-Linux-0.11 · GitCode (opens new window)

操作系统原理与实践 - 熟悉实验环境 - 蓝桥云课 (opens new window)

Windows 下用 Bochs 编译运行 Linux-0.11_Demon 的黑与白的博客-CSDN 博客 (opens new window)

介紹 | HIT-OSLAB-MANUAL (opens new window)

上次更新: 2024/9/29 20:20:01

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