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年秋季

提纲

1. 硬件环境

  1. 应用程序执行环境
  2. 操作系统执行环境

开发的硬件环境

目标硬件环境

提纲

  1. 硬件环境

2. 应用程序执行环境

  1. 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

  1. 硬件环境
  2. 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