osbook-lab1-v1.0.10-for-天.pdf

在本次实验中，学生将通过操作系统课程配套的实验来加深对操作系统原理的理解。这一系列实验基于上海交通大学并行与分布式系统研究所开发的ChCore微内核操作系统原型，经过简化和添加练习后，成为ChCore课程实验（ChCoreLabs）。ChCore实验强调动手实践，要求学生完成包括ARM汇编语言、QEMU模拟器使用、内核启动和加载在内的多个环节。 实验分为三个主要部分。第一部分旨在让学生熟悉ARM汇编语言和QEMU模拟器的使用，以及QEMU/GDB的调试过程。学生将学习AArch64汇编语言，这是ARMv8 ISA的64位执行状态，并且需要通过阅读《ARM指令集参考指南》的特定章节来熟悉ARM ISA。如果是x86-64汇编语言的学习者，还需要对比这两种指令集的异同。在本部分实验中，学生将学会编写简单的汇编代码，并通过QEMU模拟器及GDB进行调试练习。QEMU是一个硬件模拟器，能够模拟RaspberryPi3（Raspi3），而GDB则是用于调试的工具。学生将使用QEMU/GDB调试ChCore内核，例如通过在chcore目录下执行make build命令来交叉编译ChCore的bootloader和内核，并通过make qemu命令在QEMU中运行镜像，进而观察标准输出。 第二部分聚焦于内核的引导与加载。在本部分，学生将观察Raspi3如何从闪存（SD卡）中加载.img镜像中的bootloader并执行。bootloader的作用包括将处理器的异常级别切换到EL1以及初始化引导UART、页表和MMU。这一步骤将引导程序跳转到实际的内核执行。异常级别由ARM指令集中的函数arm64_elX_to_el1进行切换，异常级别的概念在ARM指令集参考指南的A3.2节中有所描述。 在实验过程中，学生将使用gdb-multiarch来调试AArch64代码，这需要QEMU启动一个远程目标，等待GDB客户端的连接。为此，学生将需要在两个终端分别运行带有GDB调试的QEMU和GDB本身。GDB脚本.gdbinit用于初始化GDB，设置监听端口为QEMU的默认端口。通过执行make qemu-gdb和make gdb命令，学生可以分别打开带调试功能的QEMU和GDB，在QEMU中将看到（tcp::1234）输出，表明GDB正在监听来自QEMU的调试信息。 整体来看，本次实验是学生学习操作系统课程实践操作的第一步，涉及的知识点包括ARM汇编语言基础、QEMU模拟器及其调试工具GDB的使用，以及操作系统的引导加载过程。通过这一系列的实验，学生将逐步构建起对操作系统底层原理的理解，同时掌握必要的系统编程和调试技巧，为后续更深入的学习打下坚实的基础。