Revisioni di PA3.2.md

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### 必答题(需要在实验报告中回答) - hello程序是什么, 它从而何来, 要到哪里去

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到此为止, PA中的所有组件已经全部亮相, 整个计算机系统也开始趋于完整. 你也已经在这个自己创造的计算机系统上跑起了hello这个第一个还说得过去的用户程序 (dummy是给大家热身用的, 不算), 好消息是, 我们已经距离运行仙剑奇侠传不远了(下一个阶段就是啦).

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5

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不过按照PA的传统, 光是跑起来还是不够的, 你还要明白它究竟怎么跑起来才行. 于是来回答这道必答题吧:

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> 我们知道`navy-apps/tests/hello/hello.c`只是一个C源文件, 它会被编译链接成一个ELF文件. 那么, hello程序一开始在哪里? 它是怎么出现内存中的? 为什么会出现在目前的内存位置? 它的第一条指令在哪里? 究竟是怎么执行到它的第一条指令的? hello程序在不断地打印字符串, 每一个字符又是经历了什么才会最终出现在终端上?

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9

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上面一口气问了很多问题, 我们想说的是, 这其中蕴含着非常多需要你理解的细节. 我们希望你能够认真整理其中涉及的每一行代码, 然后用自己的语言融会贯通地把这个过程的理解描述清楚, 而不是机械地分点回答这几个问题.

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11

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同样地, 上一阶段的必答题"理解穿越时空的旅程"也已经涵盖了一部分内容, 你可以把它的回答包含进来, 但需要描述清楚有差异的地方. 另外, C库中`printf()`到`write()`的过程比较繁琐, 而且也不属于PA的主线内容, 这一部分不必展开回答. 而且你也已经在PA2中实现了自己的`printf()`了, 相信你也不难理解字符串格式化的过程. 如果你对Newlib的实现感兴趣, 你也可以RTFSC.

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总之, 扣除C库中`printf()`到`write()`转换的部分, 剩下的代码就是你应该理解透彻的了. 于是, 努力去理解每一行代码吧!

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### 答：

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要理解hello从何而来，自然是从它的makefile开始。hello的makefile include了navy-apps下的大makefile, 其中

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```makefile

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## 4. ISA-Specific Configurations

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22

+

### Paste in ISA-specific configurations (e.g., from `scripts/x86.mk`)

23

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-include $(NAVY_HOME)/scripts/$(ISA).mk

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```

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26

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又include了ISA相关的makefile, 继续找到`$(NAVY_HOME)/scripts/riscv32.mk`以及`$(NAVY_HOME)/scripts/riscv/common.mk`可以看到这几行

27

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28

+

```makefile

29

+

LNK_ADDR = $(if $(VME), 0x40000000, 0x83000000)

30

+

CFLAGS += -fno-pic -march=rv64g -mcmodel=medany

31

+

LDFLAGS += --no-relax -Ttext-segment $(LNK_ADDR)

32

+

```

33

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34

+

目前还没做到VME, 所以LNK_ADDR为0x83000000，LDFLAGS是传递给链接器（ld）的参数，`-Ttext-segment`指定程序代码段（.text）运行时的地址。在编译出的elf文件中，可以看到相应的地址：

35

+

36

+

```

37

+

$ riscv64-linux-gnu-readelf -a build/hello-riscv32

38

+

ELF Header: (omitted)

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+

Section Headers:

41

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[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al

42

+

[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0

43

+

[ 1] .text PROGBITS 830000b4 0000b4 005e00 00 AX 0 0 4

44

+

[ 2] .rodata PROGBITS 83005eb4 005eb4 0003fd 00 A 0 0 4

45

+

[ 3] .eh_frame PROGBITS 830062b4 0062b4 000fd0 00 A 0 0 4

46

+

[ 4] .data PROGBITS 83008000 008000 000830 00 WA 0 0 8

47

+

[ 5] .sdata PROGBITS 83008830 008830 000068 00 WA 0 0 4

48

+

[ 6] .sbss NOBITS 83008898 008898 000018 00 WA 0 0 4

49

+

[ 7] .bss NOBITS 830088b0 008898 000028 00 WA 0 0 4

50

+

[ 8] .comment PROGBITS 00000000 008898 000012 01 MS 0 0 1

51

+

[ 9] .riscv.attributes RISCV_ATTRIBUTE 00000000 0088aa 000061 00 0 0 1

52

+

[10] .symtab SYMTAB 00000000 00890c 001010 10 11 126 4

53

+

[11] .strtab STRTAB 00000000 00991c 0007ae 00 0 0 1

54

+

[12] .shstrtab STRTAB 00000000 00a0ca 000066 00 0 0 1

55

+

Key to Flags:

56

+

W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),

57

+

L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),

58

+

C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),

59

+

D (mbind), p (processor specific)

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+

61

+

There are no section groups in this file.

62

+

63

+

Program Headers:

64

+

Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align

65

+

RISCV_ATTRIBUT 0x0088aa 0x00000000 0x00000000 0x00061 0x00000 R 0x1

66

+

LOAD 0x000000 0x83000000 0x83000000 0x07284 0x07284 R E 0x1000

67

+

LOAD 0x008000 0x83008000 0x83008000 0x00898 0x008d8 RW 0x1000

68

+

GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW 0x10

69

+

```

70

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71

+

编译出elf以后我把它复制到nanos下，命名为ramdisk.img

72

+

73

+

```

74

+

cp $NAVY_HOME/tests/hello/build/hello-riscv32 ~/ics2024/nanos-lite/build/ramdisk.img

75

+

```

76

+

77

+

nanos-like/src/resources.S中把这个ramdisk.img二进制包括进来，最后一起打包到编译出的nanos二进制文件中，并且定义了全局符号ramdisk_start, ramdisk_end用于记录img的起始和末尾地址。

78

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79

+

nanos启动时先调用`init_irq`然后经过一通调用最后在am的cte中执行csrw指令把cte的`__am_asm_trap`函数地址写入中断向量寄存器。CPU(nemu)执行到syscall指令时即跳转到这个函数，该函数保存上下文后最终会调用nanos注册的`do_event`函数。

80

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81

+

启动过程继续调用`init_proc`再调用`naive_uload`, 解析ramdisk.img的elf头，按Program Headers把要执行的二进制复制到0x83000000开始的位置，然后跳转到entry开始执行hello。

82

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83

+

hello打印字符串时，调用libc(newlib)提供的printf函数，newlib内部最终会调用libos的syscall.c里面的`_write`函数，然后调用syscall也即ecall指令，并用寄存器传递参数。如上文所说最终跳转到`do_event`函数然后调用`do_syscall`函数，根据syscall number执行对应write操作，调用am提供的putch函数打印到终端。

84

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85

+

由上文分析可见，navy-apps与nanos交互的interface是syscall, 相关支持库是newlib和libos. 而nanos和CPU(nemu)交互的interface是ISA, 相关支持库是abstract-machine及其组件。

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1	+	### 必答题(需要在实验报告中回答) - hello程序是什么, 它从而何来, 要到哪里去
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3	+	到此为止, PA中的所有组件已经全部亮相, 整个计算机系统也开始趋于完整. 你也已经在这个自己创造的计算机系统上跑起了hello这个第一个还说得过去的用户程序 (dummy是给大家热身用的, 不算), 好消息是, 我们已经距离运行仙剑奇侠传不远了(下一个阶段就是啦).
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5	+	不过按照PA的传统, 光是跑起来还是不够的, 你还要明白它究竟怎么跑起来才行. 于是来回答这道必答题吧:
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7	+	> 我们知道`navy-apps/tests/hello/hello.c`只是一个C源文件, 它会被编译链接成一个ELF文件. 那么, hello程序一开始在哪里? 它是怎么出现内存中的? 为什么会出现在目前的内存位置? 它的第一条指令在哪里? 究竟是怎么执行到它的第一条指令的? hello程序在不断地打印字符串, 每一个字符又是经历了什么才会最终出现在终端上?
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9	+	上面一口气问了很多问题, 我们想说的是, 这其中蕴含着非常多需要你理解的细节. 我们希望你能够认真整理其中涉及的每一行代码, 然后用自己的语言融会贯通地把这个过程的理解描述清楚, 而不是机械地分点回答这几个问题.
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11	+	同样地, 上一阶段的必答题"理解穿越时空的旅程"也已经涵盖了一部分内容, 你可以把它的回答包含进来, 但需要描述清楚有差异的地方. 另外, C库中`printf()`到`write()`的过程比较繁琐, 而且也不属于PA的主线内容, 这一部分不必展开回答. 而且你也已经在PA2中实现了自己的`printf()`了, 相信你也不难理解字符串格式化的过程. 如果你对Newlib的实现感兴趣, 你也可以RTFSC.
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13	+	总之, 扣除C库中`printf()`到`write()`转换的部分, 剩下的代码就是你应该理解透彻的了. 于是, 努力去理解每一行代码吧!
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15	+	### 答：
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17	+	要理解hello从何而来，自然是从它的makefile开始。hello的makefile include了navy-apps下的大makefile, 其中
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19	+	```makefile
20	+	## 4. ISA-Specific Configurations
21	+
22	+	### Paste in ISA-specific configurations (e.g., from `scripts/x86.mk`)
23	+	-include $(NAVY_HOME)/scripts/$(ISA).mk
24	+	```
25	+
26	+	又include了ISA相关的makefile, 继续找到`$(NAVY_HOME)/scripts/riscv32.mk`以及`$(NAVY_HOME)/scripts/riscv/common.mk`可以看到这几行
27	+
28	+	```makefile
29	+	LNK_ADDR = $(if $(VME), 0x40000000, 0x83000000)
30	+	CFLAGS += -fno-pic -march=rv64g -mcmodel=medany
31	+	LDFLAGS += --no-relax -Ttext-segment $(LNK_ADDR)
32	+	```
33	+
34	+	目前还没做到VME, 所以LNK_ADDR为0x83000000，LDFLAGS是传递给链接器（ld）的参数，`-Ttext-segment`指定程序代码段（.text）运行时的地址。在编译出的elf文件中，可以看到相应的地址：
35	+
36	+	```
37	+	$ riscv64-linux-gnu-readelf -a build/hello-riscv32
38	+	ELF Header: (omitted)
39	+
40	+	Section Headers:
41	+	[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
42	+	[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
43	+	[ 1] .text PROGBITS 830000b4 0000b4 005e00 00 AX 0 0 4
44	+	[ 2] .rodata PROGBITS 83005eb4 005eb4 0003fd 00 A 0 0 4
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46	+	[ 4] .data PROGBITS 83008000 008000 000830 00 WA 0 0 8
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49	+	[ 7] .bss NOBITS 830088b0 008898 000028 00 WA 0 0 4
50	+	[ 8] .comment PROGBITS 00000000 008898 000012 01 MS 0 0 1
51	+	[ 9] .riscv.attributes RISCV_ATTRIBUTE 00000000 0088aa 000061 00 0 0 1
52	+	[10] .symtab SYMTAB 00000000 00890c 001010 10 11 126 4
53	+	[11] .strtab STRTAB 00000000 00991c 0007ae 00 0 0 1
54	+	[12] .shstrtab STRTAB 00000000 00a0ca 000066 00 0 0 1
55	+	Key to Flags:
56	+	W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
57	+	L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
58	+	C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
59	+	D (mbind), p (processor specific)
60	+
61	+	There are no section groups in this file.
62	+
63	+	Program Headers:
64	+	Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
65	+	RISCV_ATTRIBUT 0x0088aa 0x00000000 0x00000000 0x00061 0x00000 R 0x1
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68	+	GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW 0x10
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71	+	编译出elf以后我把它复制到nanos下，命名为ramdisk.img
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73	+	```
74	+	cp $NAVY_HOME/tests/hello/build/hello-riscv32 ~/ics2024/nanos-lite/build/ramdisk.img
75	+	```
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77	+	nanos-like/src/resources.S中把这个ramdisk.img二进制包括进来，最后一起打包到编译出的nanos二进制文件中，并且定义了全局符号ramdisk_start, ramdisk_end用于记录img的起始和末尾地址。
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79	+	nanos启动时先调用`init_irq`然后经过一通调用最后在am的cte中执行csrw指令把cte的`__am_asm_trap`函数地址写入中断向量寄存器。CPU(nemu)执行到syscall指令时即跳转到这个函数，该函数保存上下文后最终会调用nanos注册的`do_event`函数。
80	+
81	+	启动过程继续调用`init_proc`再调用`naive_uload`, 解析ramdisk.img的elf头，按Program Headers把要执行的二进制复制到0x83000000开始的位置，然后跳转到entry开始执行hello。
82	+
83	+	hello打印字符串时，调用libc(newlib)提供的printf函数，newlib内部最终会调用libos的syscall.c里面的`_write`函数，然后调用syscall也即ecall指令，并用寄存器传递参数。如上文所说最终跳转到`do_event`函数然后调用`do_syscall`函数，根据syscall number执行对应write操作，调用am提供的putch函数打印到终端。
84	+
85	+	由上文分析可见，navy-apps与nanos交互的interface是syscall, 相关支持库是newlib和libos. 而nanos和CPU(nemu)交互的interface是ISA, 相关支持库是abstract-machine及其组件。