計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

大作業(yè)

題 ????目 ?程序人生-Hello’s P2P?

專?????? 業(yè) ????????計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)??????????????

學(xué)　　?? 號(hào) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

班　　?? 級(jí) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

學(xué)?????? 生 ?????????????　　　

指 導(dǎo) 教 師 ????????????????劉宏偉??? 　　

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2021年5月

摘? 要

本文對(duì)hello程序的整個(gè)生命周期進(jìn)行了的分析，包括 hello.c源程序的編寫(xiě)，預(yù)處理生成hello.i文件，翻譯生成匯編語(yǔ)言文件hello.s，以及可重定位目標(biāo)文件hello.o，最后將hello.o和系統(tǒng)目標(biāo)文件鏈接起來(lái)，創(chuàng)建了一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件hello。調(diào)用fork函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程，execve加載hello進(jìn)入內(nèi)存，控制程序邏輯流的運(yùn)行，中斷，上下文切換和異常的處理，最后結(jié)束進(jìn)程并由父進(jìn)程進(jìn)行回收

目? 錄

第1章 概述................................................................................................................ - 4 -

1.1 Hello簡(jiǎn)介......................................................................................................... - 4 -

1.2 環(huán)境與工具........................................................................................................ - 4 -

1.3 中間結(jié)果............................................................................................................ - 4 -

1.4 本章小結(jié)............................................................................................................ - 4 -

第2章 預(yù)處理............................................................................................................ - 5 -

2.1 預(yù)處理的概念與作用........................................................................................ - 5 -

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令............................................................................. - 5 -

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析................................................................................. - 5 -

2.4 本章小結(jié)............................................................................................................ - 5 -

第3章 編譯................................................................................................................ - 6 -

3.1 編譯的概念與作用............................................................................................ - 6 -

3.2 在Ubuntu下編譯的命令................................................................................ - 6 -

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析..................................................................................... - 6 -

3.4 本章小結(jié)............................................................................................................ - 6 -

第4章 匯編................................................................................................................ - 7 -

4.1 匯編的概念與作用............................................................................................ - 7 -

4.2 在Ubuntu下匯編的命令................................................................................ - 7 -

4.3 可重定位目標(biāo)elf格式.................................................................................... - 7 -

4.4 Hello.o的結(jié)果解析.......................................................................................... - 7 -

4.5 本章小結(jié)............................................................................................................ - 7 -

第5章 鏈接................................................................................................................ - 8 -

5.1 鏈接的概念與作用............................................................................................ - 8 -

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令................................................................................ - 8 -

5.3 可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的格式........................................................................ - 8 -

5.4 hello的虛擬地址空間..................................................................................... - 8 -

5.5 鏈接的重定位過(guò)程分析.................................................................................... - 8 -

5.6 hello的執(zhí)行流程............................................................................................. - 8 -

5.7 Hello的動(dòng)態(tài)鏈接分析..................................................................................... - 8 -

5.8 本章小結(jié)............................................................................................................ - 9 -

第6章 hello進(jìn)程管理....................................................................................... - 10 -

6.1 進(jìn)程的概念與作用.......................................................................................... - 10 -

6.2 簡(jiǎn)述殼Shell-bash的作用與處理流程........................................................ - 10 -

6.3 Hello的fork進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)程......................................................................... - 10 -

6.4 Hello的execve過(guò)程..................................................................................... - 10 -

6.5 Hello的進(jìn)程執(zhí)行........................................................................................... - 10 -

6.6 hello的異常與信號(hào)處理............................................................................... - 10 -

6.7本章小結(jié).......................................................................................................... - 10 -

第7章 hello的存儲(chǔ)管理................................................................................... - 11 -

7.1 hello的存儲(chǔ)器地址空間................................................................................ - 11 -

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理............................................... - 11 -

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁(yè)式管理.......................................... - 11 -

7.4 TLB與四級(jí)頁(yè)表支持下的VA到PA的變換................................................ - 11 -

7.5 三級(jí)Cache支持下的物理內(nèi)存訪問(wèn)............................................................. - 11 -

7.6 hello進(jìn)程fork時(shí)的內(nèi)存映射..................................................................... - 11 -

7.7 hello進(jìn)程execve時(shí)的內(nèi)存映射................................................................. - 11 -

7.8 缺頁(yè)故障與缺頁(yè)中斷處理.............................................................................. - 11 -

7.9動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理........................................................................................... - 11 -

7.10本章小結(jié)........................................................................................................ - 12 -

第8章 hello的IO管理.................................................................................... - 13 -

8.1 Linux的IO設(shè)備管理方法............................................................................. - 13 -

8.2 簡(jiǎn)述Unix IO接口及其函數(shù).......................................................................... - 13 -

8.3 printf的實(shí)現(xiàn)分析........................................................................................... - 13 -

8.4 getchar的實(shí)現(xiàn)分析....................................................................................... - 13 -

8.5本章小結(jié).......................................................................................................... - 13 -

結(jié)論............................................................................................................................ - 14 -

附件............................................................................................................................ - 15 -

參考文獻(xiàn).................................................................................................................... - 16 -

第1章 概述

1.1 Hello簡(jiǎn)介

?1. 編寫(xiě)hello.c程序，得到源程序

?2. hello.c通過(guò)gcc編譯器處理得到可執(zhí)行文件hello，實(shí)際過(guò)程為

?? ?2.1 ?hello.c經(jīng)過(guò)預(yù)處理修改源程序代碼生成hello.i文本文件，這是一個(gè)新的c程序

?? ?2.2? hello.i再經(jīng)過(guò)編譯生成匯編程序hello.s

?? ?2.3? hello.s通過(guò)匯編指令集變成二進(jìn)制可重定位目標(biāo)文件hello.o但此時(shí)該文件還不可以執(zhí)行

?? ?2.4? 最后經(jīng)過(guò)鏈接，將hello.o文件與一些提前編譯好的文件合并生成hello可執(zhí)行文件

?3. hello文件存入磁盤(pán)，等待調(diào)用

?4.通過(guò)命令解釋程序shell為hello創(chuàng)建新的進(jìn)程，在通過(guò)調(diào)用execve對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行映射，通過(guò)mmap為hello開(kāi)辟一片空間。

?5.最后中央處理器CPU從虛擬內(nèi)存中截取代碼和數(shù)據(jù)，調(diào)度器為進(jìn)程規(guī)劃時(shí)間片，在發(fā)生異常時(shí)觸發(fā)異常處理子程序

1.2環(huán)境與工具

??

1.硬件環(huán)境：Intel(R) Core(TM) i7-10875H CPU 2.30 GHz；16GRAM；1024Disk

2.軟件環(huán)境：Windows11 64位； Ubuntu 20.04 LTS 64位

3.工具：codeblocks；gdb；

1.3 中間結(jié)果

? 1.hello.c 程序的源文件，用于編寫(xiě)代碼

??2.hello.s 編譯后的文件

??3.hello.o 匯編后的文件，用于查看反匯編后的代碼

??4.hello.i 預(yù)處理后的文件，可以對(duì)比查看預(yù)處理的內(nèi)容

??5.hello.elf ?hello.o的elf格式文件

??6.hello.txt ?hello反匯編的文件

??7.hello 最終生成的可執(zhí)行文件

8.hello1.elf ?hello的elf格式文件

1.4 本章小結(jié)

本章主要介紹了hello程序的編譯執(zhí)行大概過(guò)程，說(shuō)明了軟件運(yùn)行的設(shè)備環(huán)境和硬件設(shè)施。

（第1章0.5分）

第2章 預(yù)處理

2.1 預(yù)處理的概念與作用

1.概念：根據(jù)以#開(kāi)頭的代碼，修改源程序

2.作用：讀取指定文件的內(nèi)容并插入源程序，得到一個(gè)新的c程序。

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令

命令：gcc -E -o hello.i hello.c

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析

hello.i文件部分內(nèi)容如圖所示：

目測(cè)文件內(nèi)容依舊是可閱讀的c語(yǔ)言程序代碼，但是對(duì)一些函數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了替換。可以得出預(yù)處理的內(nèi)容是對(duì)源程序進(jìn)行的展開(kāi)。

2.4 本章小結(jié)

本章了解了對(duì)hello文件的預(yù)處理的具體過(guò)程和結(jié)果，通過(guò)對(duì)比hello.i和hello文件可以看出預(yù)處理的本質(zhì)工作是進(jìn)行c語(yǔ)言代碼的補(bǔ)充和替換。

（第2章0.5分）

第3章 編譯

3.1 編譯的概念與作用

概念：將文本文件hello.i轉(zhuǎn)化為文件hello.s

作用：進(jìn)行詞法分析和語(yǔ)法分析，判斷是否存在語(yǔ)法詞法錯(cuò)誤

3.2 在Ubuntu下編譯的命令

命令：gcc -S hello.i -o hello.s

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析

hello.s文件部分內(nèi)容如下：

初始部分(main前)：

.file “hello.c”????? 聲明源文件

.text?????? ???????????代碼段，存放函數(shù)的二進(jìn)制指令

.section ?.rofata????? 只讀數(shù)據(jù)段，存放“”中的字符串?????

.string “hello %s %s\n” 聲明一段字符

.globl? main?????????? 聲明全局變量?? ???????????

.type? main,@function ?聲明符號(hào)類型（函數(shù)還是數(shù)據(jù)）

.align 8?????????????? ?聲明存放地址對(duì)齊的方式

數(shù)據(jù)部分：

hello程序中聲明了兩個(gè)字符串，都保存在只讀數(shù)據(jù)段中

hello程序中也聲明了一個(gè)局部變量i，暫時(shí)保存在堆棧 -4(%rbp)的位置

hello程序的參數(shù)argc也保存在堆棧中

hello程序中還存在著一個(gè)數(shù)組argv[]作為函數(shù)的參數(shù),存放在 -32（%rbp）的位置

匯編代碼中立即數(shù)直接在代碼中表示

操作：

賦值操作：mov a? b? 代碼表示將a中的數(shù)據(jù)復(fù)制到b中，從而實(shí)現(xiàn)賦值操作， mov代碼一般會(huì)帶后綴表示操作的數(shù)據(jù)大小

運(yùn)算操作：add ?a? b? 代碼表示將a加給b，可以實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，hello程序中主要的運(yùn)算操作為循環(huán)過(guò)程中的i++，實(shí)現(xiàn)方式如圖

循環(huán)與跳轉(zhuǎn)：通過(guò)cmpl代碼對(duì)后條件碼進(jìn)行判斷，je和jle則利用條件碼進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)

函數(shù)：

函數(shù)傳參：先設(shè)定一個(gè)寄存器，將參數(shù)傳給這個(gè)設(shè)定的寄存器后

函數(shù)調(diào)用：通過(guò)call來(lái)跳轉(zhuǎn)到調(diào)用的函數(shù)開(kāi)頭的地址。

3.4 本章小結(jié)

本章主要從c語(yǔ)言的數(shù)據(jù)，賦值語(yǔ)句，算術(shù)操作，邏輯/位操作，跳轉(zhuǎn)操作，函數(shù)操作這幾點(diǎn)入手，分析了編譯器是如何把hello.i文件從高級(jí)的c語(yǔ)言變成了低階的匯編語(yǔ)言

第4章 匯編

4.1 匯編的概念與作用

??? 概念：通過(guò)指令集將匯編程序hello.s轉(zhuǎn)化為機(jī)器指令并按一定規(guī)則打包得到可重定位目標(biāo)文件hello.o

作用：將匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，使其在鏈接時(shí)能被找到，鏈接后能夠被機(jī)器識(shí)別并執(zhí)行。

4.2 在Ubuntu下匯編的命令

命令：gcc -c -o hello.o hello.s

4.3 可重定位目標(biāo)elf格式

hello.elf文件的部分內(nèi)容如下：

分析內(nèi)容：

ELF頭 ：ELF頭以一個(gè)16字節(jié)的序列開(kāi)始，這個(gè)序列描述了生成該文件的系統(tǒng)的字的大小和字節(jié)順序。ELF頭剩下的部分包含了幫助鏈接器語(yǔ)法分析和解釋目標(biāo)文件的信息，其中包括ELF頭的大小、目標(biāo)文件的類型（如可重定位、可執(zhí)行或者共享的）、機(jī)器類型（如x86-64）、節(jié)頭部表（section header table）的文件偏移，以及節(jié)頭部表中條目的大小和數(shù)量。不同節(jié)的位置和大小是有節(jié)頭部表描述的，其中目標(biāo)文件中每個(gè)節(jié)都有一個(gè)固定大小的條目（entry）。

節(jié)頭：記錄各節(jié)名稱、類型、地址、偏移量、大小、全體大小、旗標(biāo)、鏈接、信息、對(duì)齊。

重定位節(jié)：重定位節(jié)保存的是需要被修正的信息。

符號(hào)表：包含目標(biāo)模塊定義和引用的符號(hào)的信息

4.4 Hello.o的結(jié)果解析

通過(guò)objdump -d -r hello.o命令可以得到hello.o文件的反匯編代碼

內(nèi)容如下：

與前面hello.s文件進(jìn)行對(duì)比：

分支轉(zhuǎn)移代碼不同：

Hello.o的反匯編代碼中，je后的代碼不再是原來(lái)的段名，改成了確定的地址，這是因?yàn)槎伪旧碇皇菂R編語(yǔ)言中用于幫助編寫(xiě)的記憶符號(hào)，匯編成機(jī)器語(yǔ)言后不能繼續(xù)使用

2.函數(shù)調(diào)用代碼不同：

Call指令后不再接函數(shù)的名字，而是一條重定位條目指引的信息

立即數(shù)表示不同：

立即數(shù)都變成了十六進(jìn)制，較于十進(jìn)制更容易處理

4.5 本章小結(jié)

本章主要介紹了匯編過(guò)程，我們通過(guò)查看hello.elf文件內(nèi)容了解了可重定位目標(biāo)文件的格式，反匯編得到了hello.o文件的匯編代碼并與hello.i進(jìn)行了對(duì)比，了解了匯編語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為機(jī)器語(yǔ)言的過(guò)程。

第5章 鏈接

5.1 鏈接的概念與作用

1.概念：鏈接是將各種代碼和數(shù)據(jù)片段收集并組合成為一個(gè)單一文件的過(guò)程，這個(gè)文件可以被加載到內(nèi)存并執(zhí)行

2.作用：允許我們把程序分解為更小，更好管理的模塊，可以獨(dú)立的修改和編譯這些模塊，不必重新編譯整個(gè)程序。

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令

命令：ld -o hello -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o hello.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o

5.3 可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的格式

通過(guò)readelf -a hello>hello1.elf命令可以生成hello1.elf文件，文件部分內(nèi)容如下圖：

1.hello是一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件，有27個(gè)節(jié)

2. 節(jié)頭對(duì) hello中所有的節(jié)信息進(jìn)行了聲明，包括大小和偏移量

3.重定位節(jié)：

4.符號(hào)表：

5.4 hello的虛擬地址空間

分析程序頭LOAD可加載的程序段的地址為0x400000

使用edb加載程序，查看程序信息：

在0x400000~0x401000段中，程序被載入，虛擬地址0x400000開(kāi)始，到0x400fff結(jié)束，可以通過(guò)edb找到各個(gè)節(jié)的信息，虛擬地址開(kāi)始于0x4010f0，大小為0x145

5.5 鏈接的重定位過(guò)程分析

命令：objdump -d -r hello > hello.txt

生成的文件部分內(nèi)容如下：

hello的重定位過(guò)程：

?? 1.重定位節(jié)和符號(hào)定義鏈接器將所有類型相同的節(jié)合并在一起后，這個(gè)節(jié)就作為可執(zhí)行目標(biāo)文件的節(jié)。然后鏈接器把運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存地址賦給新的聚合節(jié)，賦給輸入模塊定義的每個(gè)節(jié)，以及賦給輸入模塊定義的每個(gè)符號(hào)，當(dāng)這一步完成時(shí)，程序中每條指令和全局變量都有唯一運(yùn)行時(shí)的地址。

?? 2.重定位節(jié)中的符號(hào)引用這一步中，連接器修改代碼節(jié)和數(shù)據(jù)節(jié)中對(duì)每個(gè)符號(hào)的引用，使他們指向正確的運(yùn)行時(shí)地址。

?? 3.重定位條目當(dāng)編譯器遇到對(duì)最終位置未知的目標(biāo)引用時(shí)，它會(huì)生成一個(gè)重定位條目。代碼的重定位條目放在.rel.txt中。

5.6 hello的執(zhí)行流程

通過(guò)edb打開(kāi)hello文件，運(yùn)用step into指令調(diào)試，遇到函數(shù)會(huì)發(fā)生跳轉(zhuǎn)

程序地址

??????? 00007f3cda2f9df0

??????? 00007f264db03df0

??????? 00007f035f63f7d0

??????? 0000400550

??????? 000007fd34770bb10

??????? 000007f03a4843b27

??????? 00000400610

??????? 00000400582

??????? 00000400530

?

5.7 Hello的動(dòng)態(tài)鏈接分析

5.8 本章小結(jié)

本章研究了鏈接的過(guò)程。通過(guò)edb查看hello的虛擬地址空間，對(duì)比hello與hello.o的反匯編代碼

第6章 hello進(jìn)程管理

6.1 進(jìn)程的概念與作用

1.概念：進(jìn)程（Process）是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.作用：進(jìn)程作為一個(gè)執(zhí)行中程序的實(shí)例，系統(tǒng)中每個(gè)程序都運(yùn)行在某個(gè)進(jìn)程的上下文中。

6.2 簡(jiǎn)述殼Shell-bash的作用與處理流程

1.shell程序的作用：Linux系統(tǒng)中，Shell是一個(gè)命令解釋程序，它為用戶提供操作命令和文件的界面，用戶可以直接通過(guò)在shell程序上輸入的指令調(diào)用相應(yīng)的程序

2.流程：

a.在shell命令行中輸入命令：$./hello,解釋器構(gòu)造argv和envp；

b. 調(diào)用fork()函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，

c. 調(diào)用execve()函數(shù)在當(dāng)前進(jìn)程（新創(chuàng)建的子進(jìn)程）的上下文中加載并運(yùn)行hello

程序。將hello中的.text節(jié)、.data節(jié)、.bss節(jié)等內(nèi)容加載到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空

間

d. 調(diào)用hello程序的main()函數(shù)，hello程序開(kāi)始在一個(gè)進(jìn)程的上下文中運(yùn)行。

6.3 Hello的fork進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)程

在終端中輸入./hello 學(xué)號(hào) 姓名 1命令后，shell會(huì)處理該命令，判斷出不是內(nèi)置命令，則會(huì)調(diào)用fork函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程，子進(jìn)程幾乎但不完全與父進(jìn)程相同。通過(guò)fork函數(shù)，子進(jìn)程得到與父進(jìn)程用戶級(jí)虛擬地址空間相同的但是虛擬地址獨(dú)立、PID也不相同的一份副本。

6.4 Hello的execve過(guò)程

創(chuàng)建了一個(gè)子進(jìn)程時(shí)，子進(jìn)程調(diào)用exceve函數(shù)在當(dāng)前子進(jìn)程的上下文加載并運(yùn)行一個(gè)新的程序，會(huì)經(jīng)過(guò)以下步驟：

1.刪除之前進(jìn)程在用戶部分中已存在的結(jié)構(gòu)。

2.創(chuàng)建新的代碼、數(shù)據(jù)、堆和棧段。

3.映射共享區(qū)域。先動(dòng)態(tài)鏈接共享對(duì)象，然后再映射到用戶虛擬地址空間中的共享區(qū)域。

4.設(shè)置程序計(jì)數(shù)器（PC）。Exceve會(huì)設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的上下文中的程序計(jì)數(shù)器，使之指向代碼區(qū)域的入口點(diǎn)。

6.5 Hello的進(jìn)程執(zhí)行

1.進(jìn)程上下文切換：如果系統(tǒng)調(diào)用因?yàn)榈却硞€(gè)事件發(fā)生而阻塞，那么內(nèi)核可以讓當(dāng)前進(jìn)程休眠，切換到另一個(gè)進(jìn)程

2.進(jìn)程時(shí)間片：進(jìn)程的運(yùn)行本質(zhì)上是CPU不斷從程序計(jì)數(shù)器 PC 指示的地址處取出指令并執(zhí)行，值的序列叫做邏輯控制流。在一個(gè)程序被調(diào)運(yùn)行開(kāi)始到被另一個(gè)進(jìn)程打斷，中間的時(shí)間就是運(yùn)行的時(shí)間片

3.用戶態(tài)和核心態(tài)： 進(jìn)程只有故障、中斷或陷入系統(tǒng)調(diào)用時(shí)才會(huì)得到內(nèi)核訪問(wèn)權(quán)限，其他情況下始終處于用戶權(quán)限之中，這樣可以保證系統(tǒng)的安全性。

4.進(jìn)程調(diào)度：即加載保存的寄存器，切換虛擬地址空間

6.6 hello的異常與信號(hào)處理

1.正常運(yùn)行：

2.CTRL+Z: 輸入ctrl-z默認(rèn)結(jié)果是掛起前臺(tái)的作業(yè)，hello進(jìn)程并沒(méi)有回收，而是運(yùn)行在后臺(tái)下，用ps命令可以看到，hello進(jìn)程并沒(méi)有被回收。

3.CTRL+C:

內(nèi)核發(fā)送一個(gè)SIGINT信號(hào)到前臺(tái)進(jìn)程組的每個(gè)進(jìn)程，默認(rèn)情況是終止前臺(tái)作業(yè)，用ps查看前臺(tái)進(jìn)程組發(fā)現(xiàn)沒(méi)有hello進(jìn)程，如圖所示。

亂按：無(wú)關(guān)輸入被緩存到stdin，并隨著printf指令被輸出到結(jié)果。

6.7本章小結(jié)

本章了解了hello進(jìn)程的執(zhí)行過(guò)程。內(nèi)核為程序調(diào)度，異常處理程序處理各種異常。不同信號(hào)有不同的處理機(jī)制，不同的shell命令，hello也有不同的響應(yīng)結(jié)果。

第7章 hello的存儲(chǔ)管理

7.1 hello的存儲(chǔ)器地址空間

1.邏輯地址：程序經(jīng)過(guò)編譯后出現(xiàn)在匯編代碼中的地址。

2.線性地址：邏輯地址向物理地址轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一步，邏輯地址經(jīng)過(guò)段機(jī)制后轉(zhuǎn)化為線性地址

3.虛擬地址：就是線性地址。

4.物理地址：CPU通過(guò)地址總線的尋址，找到真實(shí)的物理內(nèi)存對(duì)應(yīng)地址。

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理

1.原理：在段式存儲(chǔ)管理 中，將程序的地址空間劃分為若干個(gè)段(segment)，為每個(gè)段分配一個(gè)連續(xù)的分區(qū)，進(jìn)程中的各個(gè)段可以不連續(xù)地存放在內(nèi)存的不同分區(qū)中。程序加載時(shí)，操作系統(tǒng)為 所有段分配其所需內(nèi)存，這些段不必連續(xù)。程序通過(guò)分段可以劃分為多個(gè)模塊。

2.邏輯地址的組成：一個(gè)邏輯地址由段標(biāo)識(shí)符和段內(nèi)偏移量組成。段標(biāo)識(shí)符是一個(gè)16位長(zhǎng)的字段。其中前13位是一個(gè)索引號(hào)。后面3位包含一些硬件細(xì)節(jié)。

3.查看方式：

給定一個(gè)完整的邏輯地址 段標(biāo)識(shí)符a：段內(nèi)偏移量b

看段選擇符的T1=0還是1，了解當(dāng)前要轉(zhuǎn)換是全局段描述符表中的段還是局部段描述符表中的段。

根據(jù)段選擇符的前13位查找到對(duì)應(yīng)的段描述符，確定Base基地址。

將Base+offset，就是線性地址

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁(yè)式管理

1.基本原理：將 程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(yè)，而物理內(nèi)存劃分為同樣大小的頁(yè)框。程序加載時(shí)，可將任意一頁(yè)放人內(nèi)存中任意一個(gè)頁(yè)框，這些頁(yè)框不必連續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)了離散分配。

2. 傳輸單元：系統(tǒng)將虛擬頁(yè)作為進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯卧inux下每個(gè)虛擬頁(yè)大小為4KB。物理內(nèi)存也被分割為物理頁(yè)， MMU（內(nèi)存管理單元）負(fù)責(zé)地址翻譯，MMU使用頁(yè)表將虛擬頁(yè)到物理頁(yè)的映射，即虛擬地址到物理地址的映射。

3. n位的虛擬地址包含兩個(gè)部分：一個(gè)p位的虛擬頁(yè)面偏移(VPO),一個(gè)n-p位的虛擬頁(yè)號(hào)(VPN)，MMU利用VPN選擇適當(dāng)?shù)腜TE，根據(jù)PTE，我們知道虛擬頁(yè)的信息，如果虛擬頁(yè)是已緩存的，那直接將頁(yè)表?xiàng)l目的物理頁(yè)號(hào)和虛擬地址的VPO串聯(lián)起來(lái)就得到一個(gè)相應(yīng)的物理地址。VPO和PPO是相同的。如果虛擬頁(yè)是未緩存的，會(huì)觸發(fā)一個(gè)缺頁(yè)故障。調(diào)用一個(gè)缺頁(yè)處理子程序?qū)⒋疟P(pán)的虛擬頁(yè)重新加載到內(nèi)存中，然后再執(zhí)行這個(gè)導(dǎo)致缺頁(yè)的指令。

7.4 TLB與四級(jí)頁(yè)表支持下的VA到PA的變換

1.TLB：當(dāng)處理 器要在主內(nèi)存尋址時(shí)，不是直接在內(nèi)存的物理地址里查找的，而是通過(guò)一組虛擬地址轉(zhuǎn)換到主內(nèi)存的物理地址，TLB就是負(fù)責(zé)將虛擬內(nèi)存地址翻譯成實(shí)際的物理內(nèi) 存地址，而CPU尋址時(shí)會(huì)優(yōu)先在TLB中進(jìn)行尋址。

2：VA->PA：處理器生成一個(gè)虛擬地址，并將其傳送給MMU。MMU用VPN向TLB請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的PTE，命中得到PA。否則MMU查詢頁(yè)表，CR3確定第一級(jí)頁(yè)表的起始地址，VPN1確定在第一級(jí)頁(yè)表中的偏移量，查詢出PTE，最終在第四級(jí)頁(yè)表中找到PPN，與VPO組合成物理地址PA，添加到PLT。

7.5 三級(jí)Cache支持下的物理內(nèi)存訪問(wèn)

獲得物理地址之后，先取出組索引對(duì)應(yīng)位，在L1中尋找對(duì)應(yīng)組。如果存在，則比較標(biāo)志位，相等后檢查有效位是否為1.如果都滿足則命中取出值傳給CPU，否則按順序?qū)2cache、L3cache、內(nèi)存進(jìn)行相同操作，直到出現(xiàn)命中。然后再一級(jí)一級(jí)向上傳，如果有空閑塊則將目標(biāo)塊放置到空閑塊中，否則將緩存中的某個(gè)塊驅(qū)逐，將目標(biāo)塊放到被驅(qū)逐塊的位置。

7.6 hello進(jìn)程fork時(shí)的內(nèi)存映射

當(dāng)fork 函數(shù)被 shell 進(jìn)程調(diào)用時(shí)，內(nèi)核創(chuàng)建子進(jìn)程并分配給它一個(gè)唯一的 PID，同時(shí)創(chuàng)建了當(dāng)前進(jìn)程的mm_struct、區(qū)域結(jié)構(gòu)和頁(yè)表的原樣副本。它將這兩個(gè)進(jìn)程的每個(gè)頁(yè)面都標(biāo)記為只讀，并將兩個(gè)進(jìn)程中的每個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)都標(biāo)記為私有的寫(xiě)時(shí)復(fù)制。當(dāng)fork在新進(jìn)程中返回時(shí)，新進(jìn)程現(xiàn)在的虛擬內(nèi)存剛好和調(diào)用fork時(shí)存在的虛擬內(nèi)存相同。當(dāng)這兩個(gè)進(jìn)程中的任一個(gè)后來(lái)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)時(shí)復(fù)制機(jī)制就會(huì)創(chuàng)建新頁(yè)面。

7.7 hello進(jìn)程execve時(shí)的內(nèi)存映射

execve 函數(shù)調(diào)用加載器代碼，在當(dāng)前進(jìn)程中加載并運(yùn)行hello 需要以下幾個(gè)步驟：

1. 刪除已存在的用戶區(qū)域，刪除當(dāng)前進(jìn)程虛擬地址的用戶部分中的已存在的區(qū)域結(jié)構(gòu)。

2. 映射私有區(qū)域，為新程序的代碼、數(shù)據(jù)、 bss和棧區(qū)域創(chuàng)建新的區(qū)域結(jié)構(gòu)，所有這些新的區(qū)域都是私有的、寫(xiě)時(shí)復(fù)制的。

3.共享對(duì)象由動(dòng)態(tài)鏈接映射到本進(jìn)程共享區(qū)域

4.設(shè)置程序計(jì)數(shù)器使之指向代碼區(qū)域的入口點(diǎn)

7.8 缺頁(yè)故障與缺頁(yè)中斷處理

缺頁(yè)故障：當(dāng)指令引用一個(gè)虛擬地址，在 MMU中查找頁(yè)表時(shí)發(fā)現(xiàn)與該地址相對(duì)應(yīng)的物理地址不在內(nèi)存中，因此必須從磁盤(pán)中取出的時(shí)候就會(huì)發(fā)生故障。

缺頁(yè)中斷處理：先檢查虛擬地址是否合法，再檢查進(jìn)程是否有讀、寫(xiě)或執(zhí)行該區(qū)域頁(yè)面的權(quán)限。如果兩者皆無(wú)誤，選擇一個(gè)犧牲頁(yè)面，如果這個(gè)犧牲頁(yè)面被修改過(guò)，那么就將它交換出去，換入新的頁(yè)面并更新頁(yè)表。再將控制轉(zhuǎn)移給hello進(jìn)程，再次執(zhí)行觸發(fā)缺頁(yè)故障的指令

7.9動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理

程序運(yùn)行時(shí)使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配器獲得虛擬內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配器維護(hù)著一個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)域，稱為堆。

對(duì)于每個(gè)進(jìn)程，內(nèi)核維護(hù)著一個(gè)變量 brk，它指向堆的頂部。分配器將堆視為一組不同大小的塊的結(jié)合來(lái)維護(hù)。每個(gè)塊就是一個(gè)連續(xù)的擬內(nèi)存片，要么是已分配的，要么是空閑的。已分配的塊顯式地保留為供應(yīng)用程序使用。空閑塊可用來(lái)分配。一個(gè)已分配的塊保持已分配狀態(tài)，直到它被釋放，這種釋放要么是應(yīng)用程序顯式執(zhí)行的，要么是內(nèi)存分配器自身隱式執(zhí)行的。分配器有兩種基本風(fēng)格，兩種風(fēng)格都要求應(yīng)用顯式地分配塊，不同在于由哪個(gè)實(shí)體來(lái)負(fù)責(zé)釋放。

顯式分配器：要求應(yīng)用顯式地釋放任何已分配的塊。

隱式分配器：要求分配器檢測(cè)一個(gè)已分配塊何時(shí)不再使用，那么就釋放這個(gè)塊，垃圾收集：自動(dòng)釋放未使用的已經(jīng)分配的塊的過(guò)程。

隱式空閑鏈表：空閑塊通過(guò)頭部中的大小字段隱含地連接著。分配器可以通過(guò)遍歷堆中所有的塊，從而間接地遍歷整個(gè)空閑塊的集合。

顯式空閑鏈表：每個(gè)空閑塊中，都包含一個(gè)前驅(qū)和后繼指針。使用雙向鏈表使首次適配的時(shí)間減少到空閑塊數(shù)量的線性時(shí)間。

7.10本章小結(jié)

本章介紹了存儲(chǔ)器地址空間、段式管理、頁(yè)式管理，VA 到 PA 的變換、物理內(nèi)存訪問(wèn)， h內(nèi)存映射、缺頁(yè)故障與缺頁(yè)中斷處理、包括隱式空閑鏈表和顯式空閑鏈表的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理。

第8章 hello的IO管理

8.1 Linux的IO設(shè)備管理方法

（以下格式自行編排，編輯時(shí)刪除）

設(shè)備的模型化：文件

設(shè)備管理：unix io接口

8.2 簡(jiǎn)述Unix IO接口及其函數(shù)

（以下格式自行編排，編輯時(shí)刪除）

8.3 printf的實(shí)現(xiàn)分析

（以下格式自行編排，編輯時(shí)刪除）

[轉(zhuǎn)]printf 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的深入剖析 - Pianistx - 博客園

從vsprintf生成顯示信息，到write系統(tǒng)函數(shù)，到陷阱-系統(tǒng)調(diào)用 int 0x80或syscall等.

字符顯示驅(qū)動(dòng)子程序：從ASCII到字模庫(kù)到顯示vram（存儲(chǔ)每一個(gè)點(diǎn)的RGB顏色信息）。

顯示芯片按照刷新頻率逐行讀取vram，并通過(guò)信號(hào)線向液晶顯示器傳輸每一個(gè)點(diǎn)（RGB分量）。

8.4 getchar的實(shí)現(xiàn)分析

（以下格式自行編排，編輯時(shí)刪除）

異步異常-鍵盤(pán)中斷的處理：鍵盤(pán)中斷處理子程序。接受按鍵掃描碼轉(zhuǎn)成ascii碼，保存到系統(tǒng)的鍵盤(pán)緩沖區(qū)。

getchar等調(diào)用read系統(tǒng)函數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用讀取按鍵ascii碼，直到接受到回車鍵才返回。

8.5本章小結(jié)

（以下格式自行編排，編輯時(shí)刪除）

（第8章1分）

結(jié)論

抽象對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是很重要的概念，底層信息用二進(jìn)制來(lái)抽象表示，進(jìn)程是對(duì)處

理器、主存和I/O設(shè)備的抽象，虛擬內(nèi)存是對(duì)主存和磁盤(pán)設(shè)備的抽象，文件是對(duì)I/O

設(shè)備的抽象，等等。

附件

1.hello.c 程序的源文件，用于編寫(xiě)代碼

2.hello.s 編譯后的文件

3.hello.o 匯編后的文件，用于查看反匯編后的代碼

4.hello.i 預(yù)處理后的文件，可以對(duì)比查看預(yù)處理的內(nèi)容

5.hello.elf? hello.o的elf格式文件

6.hello.txt? hello反匯編的文件

7.hello 最終生成的可執(zhí)行文件

8.hello1.elf? hello的elf格式文件

參考文獻(xiàn)

為完成本次大作業(yè)你翻閱的書(shū)籍與網(wǎng)站等

[1]? 深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原書(shū)第3版-文字版.pdf

[2]? 哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大作業(yè)2022春_Drama_coder的博客-CSDN博客

[3]? https://blog.csdn.net/yueyansheng2/article/details/78860040

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的哈工大计算机系统2022春 大作业 程序人生的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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