米家龙实验2：理解bootloader的保护模式与OS加载过程

本次实验是系统软件启动过程的深入学习，主要针对2018级米家龙同学在数据科学与计算机学院进行的第二部分实践。实验的目标是熟悉Ubuntu系统操作、掌握硬件模拟器Qemu的使用以及gdb调试技巧，同时理解和实现bootloader的功能。 首先，实验在虚拟机环境下进行，利用老师提供的mooc-os-2015.vdi虚拟机，该虚拟机搭载的是64位Ubuntu操作系统版本4.4.0-19041-Mic。实验环境还包括WSL（Windows Subsystem for Linux），这使得学生能够在Windows系统上与Linux环境无缝交互。 实验的核心内容包括： 1. **虚拟机与操作系统**：理解并操作64位Ubuntu，设置和配置虚拟机环境，以便进行后续的实验操作。 2. **宏定义与寄存器管理**：通过练习3，学生需要分析bootloader如何通过宏定义来控制寄存器，如清零特定寄存器并开启A20位，这是从实模式切换到保护模式的关键步骤。 3. **保护模式与32位代码**：学习bootloader如何开启保护模式，这是一个安全模式，允许32位代码的执行，这对于操作系统启动至关重要。 4. **全局描述符表（GDT）初始化**：在保护模式下，初始化GDT（全局描述符表）用于管理内存空间，确保内存访问的正确性。 5. **bootloader加载过程**：在练习4中，学生需探讨bootloader如何读取硬盘扇区，以及如何解析和加载ELF格式的操作系统映像。这涉及硬盘I/O操作和文件系统管理。 6. **函数调用堆栈跟踪与中断处理**：练习5要求实现函数调用堆栈跟踪，理解堆栈在程序执行中的作用，而练习6则涉及到中断初始化和处理，包括中断向量表的结构和中断处理代码的定位。 实验中的具体问题和要求包括： - 分析bootloader如何从实模式进入保护模式，并理解其中的步骤。 - 描述bootloader加载ELF格式OS时涉及到的具体技术细节，如硬盘扇区读取和文件映射等。 - 实现堆栈跟踪函数，以便于跟踪函数调用的执行路径。 - 完善中断处理机制，明确中断向量表中每个表项的结构以及中断处理代码的存储位置。 这个实验着重于让学生亲自动手实践，深入理解操作系统启动流程、硬件模拟器的使用以及调试技术，这些都是现代软件工程师必备的基础技能。通过完成这些练习，学生不仅能够提升技术能力，还能对系统级编程有更全面的认识。