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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

2025年秋季

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问题

• 如何把高级语言程序转换成CPU能理解和执行的二进制可执行代码？
• 如何存储可执行代码？
• 如何加载可执行代码？

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提纲

1. 硬件环境

2. 应用程序执行环境
3. 操作系统执行环境

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开发的硬件环境

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目标硬件环境

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提纲

1. 硬件环境

2. 应用程序执行环境

3. 操作系统执行环境

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编译器工作

• 源码-->汇编码

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Assembler（汇编器）工作

• 汇编码 --> 机器码

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linker（链接器）工作

• 多个机器码目标文件 --> 单个机器码执行文件

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OS工作

• 加载/执行/管理机器码执行文件

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提纲

1. 硬件环境
2. 应用程序执行环境

3. 操作系统执行环境

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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

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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

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链接和执行

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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

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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 {}
}

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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

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ELF文件格式

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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
   ......
   }

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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

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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

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小结

• 编译过程
  • 编译器、汇编器、链接器
• 程序加载
  • 应用程序加载
  • 祼机程序加载
• 可执行文件格式ELF
  • ELF文件头
  • 段表（Program Header Table）
  • 节表（Section Header Table）