第二讲 实践与实验介绍
第二节 Compiler与OS
向勇 陈渝 李国良 任炬
2024年春季
提纲
1. 硬件环境
- 应用程序执行环境
- 操作系统执行环境
开发的硬件环境
目标硬件环境
提纲
- 硬件环境
2. 应用程序执行环境
- 操作系统执行环境
编译器工作
- 源码-->汇编码
Assembler（汇编器）工作
- 汇编码 --> 机器码
linker（链接器）工作
- 多个机器码目标文件 --> 单个机器码执行文件
OS工作
- 加载/执行/管理机器码执行文件
提纲
- 硬件环境
- 应用程序执行环境
3. 操作系统执行环境
编译器/汇编器/链接器工作
- 源码 ---> 汇编码 ---> 机器码 --->执行程序
- Bootloader加载OS执行
可执行文件格式
三元组
- CPU 架构/厂商/操作系统
rustc --print target-list | grep riscv
riscv32gc-unknown-linux-gnu
...
riscv64gc-unknown-linux-gnu
riscv64imac-unknown-none-elf
- ELF: Executable and Linkable Format
链接和执行
函数库
- 标准库：依赖操作系统
- Rust: std 标准库
- C：glibc, musl libc
- 核心库：与操作系统无关
- Rust: core 核心库
- C: Linux/BSD kernel libc
裸机程序
与操作系统无关的OS类型的程序（Bare Metal program, 裸机程序）
// os/src/main.rs
#![no_std]
#![no_main]
mod lang_items;
// os/src/lang_items.rs
use core::panic::PanicInfo;
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
loop {}
}
ELF文件格式
文件格式
file target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, ......
ELF文件格式 Executable and Linkable Format
ELF文件格式
文件头信息
文件头信息
rust-readobj -h target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
File: target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
Format: elf64-littleriscv
Arch: riscv64
AddressSize: 64bit
......
Type: Executable (0x2)
Machine: EM_RISCV (0xF3)
Version: 1
Entry: 0x0
......
}
导出汇编程序
反汇编导出汇编程序
rust-objdump -S target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os: file format elf64-littleriscv
代码中移除了 main 函数并将项目设置为 #![no_main]
- 没有一个传统意义上的入口点（即程序首条被执行的指令所在的位置）
- Rust 编译器会生成一个空程序
- 这是一个面向操作系统开发的程序
App/OS内存布局
- .text: 代码段
- .rodata：已初始化数据段，只读的全局数据（常数或者是常量字符串）
- .data：可修改的全局数据
- .bss：未初始化数据段（Block Started by Symbol）
- 堆 （heap）向高地址增长
- 栈 （stack）向低地址增长
【总结笔记】
本节内容围绕编译器、操作系统（OS）以及它们在软件开发和执行过程中的作用。课程内容涵盖硬件环境、应用程序执行环境、以及操作系统执行环境三个主要部分。
应用程序执行环境
- 编译器：将源代码转换为汇编语言。
- 汇编器（Assembler）：将汇编语言转换为机器语言（机器码）。
- 链接器（Linker）：将多个机器码目标文件链接成一个单独的可执行机器码文件。
操作系统执行环境
- OS的角色：负责加载、执行、和管理应用程序的机器码执行文件。
- Bootloader：负责加载操作系统。
可执行文件格式
- Executable and Linkable Format (ELF)：广泛使用的可执行文件格式，包含重要的元信息，如CPU架构、厂商和操作系统等。
- ELF文件格式：是Linux和许多Unix-like系统中广泛采用的标准文件格式，用于可执行文件、目标代码、共享库和核心转储。
函数库
- 标准库：依赖操作系统的库，如Rust的std库和C的glibc。
- 核心库：与操作系统无关的库，如Rust的core库。
裸机程序
- 与操作系统无关，直接运行在硬件上的程序。通过特定的编程模式（如Rust语言的
#![no_std]和#![no_main]属性），可以编写不依赖于标准库的裸机程序。 - 裸机编程：在没有操作系统支撑的环境下进行编程，常见于嵌入式系统和系统启动代码的开发中。
ELF文件格式深入
- 文件头信息：提供了文件的基本信息，如架构、地址大小、文件类型等。
- 导出汇编程序：通过反汇编工具查看和导出程序的汇编代码。
App/OS内存布局
- 内存分区：包括代码段、数据段（已初始化和未初始化）、堆和栈。
- 内存管理：堆向高地址增长，而栈向低地址增长。
- 内存布局：对于任何复杂的应用程序或操作系统来说，合理的内存布局是性能和安全的关键。