1、操作系统原理实验复习考试操作系统原理实验考试 成绩计算：平时40分 考勤问答（5分）+ 平时作业（15分）+ 大作业（20分）+ 期末60分 笔试（30分）+ 机考（30分） = 100分 考试形式：开卷笔试+上机操作（使用实验室或自己的电脑） 机考： 考试时间：2014年6月17日（周二，三班）&20日（周五，二班）上午10:3012:30 考试地点：实验中心B401 笔试： 考试时间：2014年6月26日（周四）晚上19:0021:00 考试地点：教学楼C101 笔试题型：填空（15题，每题2分，共30分）、问答（6题，每题5分，共30分）、编程（4题，每题10分，共40分） 操作题型：操
2、作磁盘映像和文件（30分）、编写简单的汇编程序（30分）、编写较复杂的汇编或/和C程序（40分，二选一）复习重点与考试要求1 实验环境1）要求熟悉虚拟机、编译软件和各种开发工具的使用，会创建软硬磁盘的磁盘映像和FAT12文件结构、编写和编译简单的汇编和C语言程序、将引导程序写入磁盘映像的引导扇区、将可执行程序和各种文件写入带FAT文件结构的磁盘映像。2）重点 虚拟机：VMware（Linux/Ubuntu、混合编程）、Bochs（运行测试） 编译器：WindowsNASM（汇编），LinuxNASM（汇编）、GCC（C）、LD（链接） 开发工具：WindowsNotePad+（源代码编辑）、
3、WinHex（二进制编辑）、DiskWriter/ FloppyWriter（写磁盘映像）、WinImage（复制文件到FAT磁盘映像），Linuxgedit（源代码编辑） 测试环境：虚拟机Bochs、DOS系统软盘映像、磁盘映像文件（带FAT12结构的1.44MB 软盘和10MB 硬盘）、可执行文件格式COM/BIN/ELF、虚拟机配置文件bochsrc.bxrc2 引导1）要求了解PC机的引导过程，掌握引导扇区的结构，会编写和编译带清屏和显示Hello串功能的简单汇编引导程序、将引导程序写入磁盘映像的引导扇区、修改Bochs虚拟机的配置文件、用该磁盘映像启动Bochs虚拟机进行测试。2）重
4、点 引导过程：PC机加电或重启CPU复位内存清零内存奇偶校验跳转到地址为FFFF0h处的系统BIOS入口指令，执行主板ROM中的例程检查各个端口，识别并初始化设备，然后将这些设备连接到计算机上，并提供在设备上的I/O服务创建两个数据区（中断向量表和BIOS数据区）读启动盘的第一个物理扇区（主引导扇区），如果其最后两个字节为55h和AAh（引导记录标识符），则装入该扇区到内存地址7C00h处，并跳转到7C00h处执行 主引导扇区（Master Boot Sector）是磁盘的第一个物理扇区（512B），内容为： 主引导记录（MBR = Master Boot Record）：446B，一般为装入
5、操作系统的引导程序（通常负责加载OS的装载模块） 磁盘分区表（DPT = Disk Partition Table）：4*16=64B，4个分区表项，每个16B，软盘没有DPT 引导记录标识符（BRID = Boot Record Identifier）：2B，内容为55h AAh 引导实验 用NotePad+编写汇编源代码 用org操作符设置程序的入口地址为7C00h 设置DS和ES=CS （调用清屏例程） 调用显示字符串例程 进入无限循环 定义显示字符串例程用10h号中断的13h号功能实现（彩色）字符串显示 （定义清屏例程用10h号中断的6号功能实现上滚整个文本显示页） 定义字符串常量（如
6、“Hello, OS world!”或其他特定字符串） 用times伪指令将剩余空间填充为0 将引导扇区的最后2个字节设置为55h和AAh 用NASM将源程序编译成二进制文件boot.bin 用Bochs工具创建1.44MB软盘映像a.img 用FloppyWriter/DiskWriter将boot.bin写入软盘映像a.img 修改Bochs虚拟机的配置文件，使用a.img作为软盘A的映像文件，并用软盘启动 启动Bochs虚拟机进行测试3 CPU与指令1）要求了解x86 CPU的结构，熟悉其寄存器，掌握常用的CPU指令和NASM指令，会编写简单的汇编程序。2）重点 808680386寄存器
7、 8个1632位通用寄存器 4个数据寄存器：EAX（累加）、EBX（基址）、ECX（计数）、EDX（数据），其中的低16位寄存器（如AX）又可以进一步分成低8位（如AL）和高8位（如AH）两个部分 4个指针变址寄存器：ESP（堆栈指针）、EBP（基址指针）、ESI（源变址）、EDI（目的变址） 46个16位段寄存器（保护模式下为段选择符，有与对应段描述符类似的64位隐藏结构）：CS（代码段）、DS（数据段）、SS（堆栈段）、ES（附加段）、FS（附加段）、GS（附加段） 2个1632位专用寄存器：EIP（指令指针）、EFLAGS（标志，其中的第6位为零标志ZF、第9位为中断允许标志IF、第10
8、位为方向标志DF） 4个48或80位系统地址寄存器：GDTR（全局描述符表寄存器，48位：16位界限+32位基址）、LDTR（局部描述符表寄存器，80位：16位段选择符+32位基址+20位界限+12位属性）、IDTR（中断描述符表寄存器，48位：16位界限+32位基址）、TR（任务寄存器，80位：16位段选择符+32位基址+20位界限+12位属性） 4个32位的控制寄存器：CR0（机器状态字，其最低位PE用于进入保护模式，最高位PG用于启动分页机制）、CR1（未使用）、CR2（引起页故障的线性地址）、CR3（页目录基址） 常用CPU指令：算术运算（四则、增减）、位运算（逻辑、移位）、赋值（MO
9、V）、比较测试、跳转、调用返回、中断、循环重复、栈操作、串操作、端口IO、标志位设置、装入/保存系统寄存器、无操作 常用NASM指令：DB/DW/DD，RESB/RESW/RESD，EQU，TIMES，BITS16/BITS32，SECTION/SEGMENT，EXTERN、GLOBAL，ALIGN/ALIGNB，%macro/ %endmacro、%rep/%endrep、%define、%if/%ifdef/%elif/%else/%endif，ORG，$、$4 BIOS中断1）要求掌握常用BIOS中断及其调用格式，会编写使用BIOS中断进行字符串显示、清屏、读按键和读扇区等操作的汇编程序
10、。2）重点 常用BIOS中断： 显示字符int 10h的0Eh号功能、显示字符串int 10h的13h号功能、清屏（上滚整个文本显示页）int 10h中断的6号功能、读按键int 16h的00h号功能、读扇区int 13h的02h号功能 调用格式：mov ah,功能号 ; 设置各种入口参数int中断号5 可执行文件格式1）要求掌握常用可执行文件格式，掌握ELF的具体结构，会编写和生成COM和ELF格式的可执行文件、运行COM程序、分析ELF文件的结构。2）重点 BIN（binary，二进制）二进制裸格式，无org指令时程序的入口地址为0，引导程序需用org 7C00h指令来指定入口地址。文件的
11、扩展名一般为bin COM（command file，命令文件）DOS的二进制裸格式，不分段，会被装载到当前段的100h处（需使用org 100h指令，DS=SS=CS、SP=100h-4），文件大小必须64KB-256B。文件的扩展名必须为com ELF（Executable and Linkable Format，可执行与可链接格式）类Unix操作系统的标准二进制文件格式。ELF文件由ELF头、程序头表、若干节（section）和节头表组成。程序头表记载了运行时所需的节，节头表则记载了二进制文件中各节的首地址，它们在ELF文件中都是可选的。ELF文件可以没有扩展名，也可以使用下列扩展名：.
12、o、.so、.elf、.prx、.puff、.bin6 FAT文件系统1）要求掌握DPT及分区表项的结构，了解常用分区类型和磁盘寻址方式，熟悉1.44MB软盘和10MB硬盘的FAT12分区的具体格式和EBPB的概念与结构，掌握主引导扇区和分区引导扇区的区别，了解FAT文件系统的目录结构和表示方法，掌握文件条目的格式（包括首字节含义和文件属性）和FAT项值的含义（包括FAT头两项的特殊值介质描述符），会编写生成软硬盘FAT12文件结构的汇编程序并将其写入磁盘映像、能人工识别和手工编辑文件条目及FAT项（WinHex）。2）重点 磁盘分区 磁盘分区表（DPT = Disk Partition Ta
13、ble）位于（主）引导扇区，含4个分区表项，每一项占16B。只有硬盘（U盘/固态盘）才有磁盘分区表，软盘无。如果DPT全为0，则表示无磁盘分区；有几个非0分区表项，就有几个磁盘分区（卷）；一个磁盘最多可有4个分区（卷） 分区类型（CHS/LBA）如0x01 = FAT12、0x06/0x0E = FAT16、0x0B/0x0C = FAT32、0x07 = NTFS、0x05/0x0F = 扩展、0x83 = Linux、0xEE = GPT（GUID Partition Table，全局唯一标识符分区表，一种新的磁盘分区表标准，由Intel公司于2010年推出，可突破传统MBR的2TB限制）
14、 磁盘寻址方式传统的CHS（Cylinder/Head/Sector，柱面/磁头/扇区）、现代的线性寻址方式LBA（Logical Block Addressing，逻辑块寻址），1996年以后推出的硬盘一般都支持LBA FAT分区 FAT（File Allocation Table，文件分配表）是微软公司为其操作系统DOS和老式Windows所定义的一套文件系统，包括FAT12（32MB）、FAT16（32MB/2GB）、FAT32（2TB）和FAT64/exFAT（64ZB）等多种具体格式 FAT12：在我们的OS实验中，使用1.44MB软盘映像和10MB硬盘映像作为测试介质，它们都采用F
15、AT12文件系统 1.44MB软盘的格式： CHS=80/2/18、每个扇区有512（200h）B、共2880扇区=1440KB=1.44MB 每个FAT项占12位（1.5B）、每个簇只有1个扇区、每个FAT表占9个扇区 根目录区有224条目，占14扇区 无磁盘分区 起始地址主引导扇区：0（0#扇区）、FAT#1：200h（1#扇区）、FAT#2：1400h（10#扇区）、根目录区：2600h（19#扇区）、数据区：4200h（33#扇区） 10MB硬盘的格式： CHS=80/4/63、每个扇区有512（200h）B、共20160扇区=10080KB9.84MB 每个FAT项占12位（1.5B
16、）、每个簇有8个扇区、每个FAT表占8个扇区 根目录区有512条目，占32扇区 主引导扇区的DPT中有唯一分区表项，分区从第2个（1号）柱面的首个扇区（4*63=252）开始 起始地址：主引导扇区：0（0#扇区）、分区引导扇区：1F800h（252#扇区）、FAT#1：1FA00h（253#扇区）、FAT#2：20A00h（261#扇区）、根目录区：21A00h（269#扇区）、数据区：25A00h（301#扇区） 分区引导扇区 是分区的第一个扇区（512B）。因为软盘无DPT，整个磁盘都是一个分区，所以其分区引导扇区与主引导扇区重合，都是磁盘的首个物理扇区；而硬盘必须有DPT，且其各个分区必
17、须都从第2个柱面及其之后的某个柱面的首个扇区开始。所以我们的10MB硬盘的唯一分区，也从第2个（1号）柱面的首个扇区开始，分区的首个扇区（即分区引导扇区）的序号为252，主引导扇区到分区引导扇区之间的251个扇区（125.5KB）都浪费了 FAT分区引导扇区的结构：跳转指令（3B）、OEM名串（8B）、BPB（BIOS Parameter Block，BIOS参数块，25B）、EBPB（Extended BPB，扩展BPB，26B）、引导程序代码（448B）、有效结束标志（2B：55 AA） FAT文件系统：采用多级目录结构，子目录用文件表示。文件数据块的大小为簇，采用链式存储（FAT项为指向
18、下一簇的链指针/下一簇号），磁盘的空闲空间管理采用空闲块列表（FAT项为0表示对应簇为空闲）。目录为文件条目的列表，每个条目占用32B（20h字节） 文件条目 格式：8+3文件名（11B，英文字母必须大写）、文件属性（1B）、保留（10B）、时间（2B）、日期（2B）、开始簇号（2B）、文件大小（4B） 首字节含义：0未使用、2Eh点条目、E5h已删条目、05E5h 文件属性（可位或）：00普通文件、01只读、02隐藏、04系统、08卷标、10h子目录、20h档案 FAT项 FAT是映射到分区中每个簇（cluster）的项（entry）列表 FAT12的每个项占12位（1.5B） FAT项取值
19、的含义：000空闲簇、001保留簇、002FEF被占用簇（值为下一簇的序号）、FF0FF6保留值、FF7坏簇、FF8FFF文件最后簇（一般取FFF） FAT表的前两个项保存特殊的值：项0 的低8位（首字节）为介质描述符（软盘为F0h、硬盘/U盘/固态盘为F8h）、其余位全为1，项1 = 结束簇标记，FAT12的前两项（3B）的值（十六进制）为F0 FF FF7 DOS1）要求了解DOS操作系统的特点、组成、版本和系统盘映像文件，掌握常用的DOS内外部命令的使用方法，会用TYPE和EDIT生成文本文件、用XCOPY复制文件目录。2）重点 DOS是PC机的传统操作系统，单用户、单任务、字符界面，运
20、行在16位实模式（没有保护功能，最大RAM内存空间只有640KB），命令行不区分字母的大小写。 FreeDOS是一种自由开源的兼容DOS操作系统，由Jim Hall领导一个团队于1994年中开始开发，目前最新的是2012年1月2日推出的1.1版，其系统软盘映像文件为FDOS11.img。 MS-DOS 6.22是微软公司于1994年6月推出的一个DOS最后销售版本，其系统软盘映像文件为MSDOS622.img。 组成： FreeDOS：内核文件KERNEL.SYS和命令文件COMMAND.COM。 MS-DOS：内核文件MSDOS.SYS、设备管理文件IO.SYS和命令文件COMMAND.CO
21、M 它们须用DOS的外部命令SYS.COM复制到其他磁盘，才能生成DOS的启动盘 配置文件CONFIG.SYS，初始化批处理文件AUTOEXEC.BAT。 内部命令：指COMMAND.COM中包含的命令，提供DOS的一些基本功能。其中常用的有：X:（改变当前卷为X）、CD（改变当前目录）、DIR（列出目录）、MD（创建目录）、DEL（删除文件）、REN（修改文件名）、PATH（设置路径）、TYPE（显示文件内容）、CLS（清屏）、VER（版本）等，可用“命令 /?”获取命令格式和使用方法的帮助信息。 外部命令：操作系统提供的独立的可执行文件，常用的有：SYS（传递系统文件）、FDISK（创建分
22、区）、FORMAT（格式化磁盘）、XCOPY（复制目录）、DELTREE（删除目录）、MOVE（移动文件）、EDIT（仿图形界面的文本编辑器）、MOUSE（启用鼠标）等。 生成文本文件 TYPE内部命令和I/O重定向：type con *.txt，按Ctrl+C组合键退出。 Edit外部命令：仿图形界面的文本编辑程序edit.exe。 XCOPY外部命令：如A:xcopy test b: /s8 文件加载1）要求掌握根目录文件加载的方法和步骤，会编写加载FAT12软硬盘根目录中的LOADER.BIN文件的汇编代码。2）重点 引导扇区的主要功能是加载操作系统的装入程序LOADER.BIN LOA
23、DER.BIN一般位于磁盘文件系统的根目录中 引导程序中加载LOADER.BIN文件到内存的主要步骤 在根目录中查找LOADER.BIN文件所对应的条目1. 设当前扇区号为根目录的起始扇区号2. 读根目录的当前扇区到内存中的加载地址3. 依次比较当前扇区中各个文件条目（共16个）中的文件名串与“LOADER.BIN”4. 若无相等的文件条目，前扇区号加1，转到25. 若找到相等的文件条目，从该条目获取起始簇号N 利用文件的首簇号及FAT项来确定文件各数据块的位置，并利用磁盘中断将数据块复制到指定内存6. 计算出簇号N所对应的装载文件的扇区号7. 调用读扇区函数将装载文件的当前扇区读到内存中加载
24、地址的当前扇区8. 由当前簇号值N计算其对应FAT项在FAT表中的偏移地址D（=N*1.5B），由D值计算出FAT项所在扇区的序号K（=FAT起始扇区号+D/512）和偏移值O（=D%512）9. 调用读扇区函数将磁盘的（FAT表中的）K号和K+1号两个扇区（因为一个 FAT项可能跨越两个扇区）读入内存缓冲区（8F000h）10. 利用偏移值O获取FAT项值N（=文件下一个簇的序号）11. 若N=FF8h，则文件已经读完，跳转到装载程序9 实模式下的中断处理1）要求了解PC机中断的分类、IVT、CPU响应和IRET的功能，掌握中断控制器8259A的初始化和操作方法，了解计时器8253的组成、输
25、入频率、初始节拍和工作过程，掌握通过8253的I/O端口设置计时器时钟中断频率的方法，会编写初始化8259A和设置其起始中断号、屏蔽中断请求和发送EOI的汇编代码，会编写设置计时器8253的时钟中断频率的汇编代码。2）重点 分类 屏蔽（x86处理器有两条外部中断请求线）：NMI（Non Maskable Interrupt，不可屏蔽中断）和INTR（Interrupt Request，中断请求可屏蔽中断），不可屏蔽中断的优先级要高于可屏蔽中断的。 软硬：硬件中断由两个级联的8259A芯片所代理的可屏蔽外设中断、软件中断BIOS中断或由操作系统定义的系统服务中断（用int i指令调用）。 IVT
26、：x86计算机在启动时会自动进入实模式状态，并由主板上的系统BIOS初始化8259A的各中断线的类型（0号为时钟中断），同时在内存的低位区（地址范围为010233FFH，1KB）创建含256个中断向量（存放中断处理程序的入口地址）的表IVT（Interrupt Vector Table，中断向量表），其中每个中断向量地址占4个字节，格式为：16位段值:16位偏移值，字节序为：IP、CS。 CPU响应：在实模式下，每当中断发生时，CPU都会中止当前程序的运行，并先后将寄存器FLAGS、CS和IP的当前值压入当前程序栈，接着清除IF标志（IF=0以禁止中断），最后转换程序控制到IVT中的中断号i所
27、对应（4*i处）的向量所指定的中断处理程序的入口位置。 中断返回指令：IRET = POP IP、POP CS、POPF 可编程中断控制器8259A PC机中有两个级联的8259A 每个8259A有8根中断请求线IR0IR7，从8259A被级联到主8259A的第3根中断请求线IR2上。 每个8259A都有两个I/O端口，主8259A所对应的端口地址为20h和21h，从8259A的为A0h和A1h。程序员可通过in/out指令来读写这些端口，从而操作这两个中断控制器。 初始化：8259A的初始化由有严格顺序的4步组成1. 往端口20h（主片）或A0h（从片）写入ICW12. 往端口21h（主片）
28、或A1h（从片）写入ICW2（设置起始中断向量号）3. 往端口21h（主片）或A1h（从片）写入ICW34. 往端口21h（主片）或A1h（从片）写入ICW4 操作：在初始化8259A后，可在任何时候，以任何顺序向8259A发送OCW（Operation Command Word，操作控制字） OCW1（21h或A1h端口）屏蔽中断请求 OCW2（20h或A0h端口）发送EOI（End of Interrupt，中断结束） OCW3（20h或A0h端口）（=10或11）设置下一个读端口的动作将要读取IRR（未处理中断）或ISR（正在处理的中断）寄存器的内容。 计时器/可编程时钟8253 组成：
29、由石英晶体振荡器、计数器和寄存器三部分组成 输入频率：1.19MHz（1,193,181.8181Hz） 工作过程：计时器在启动时，将保持寄存器中的值复制到计时器中。在晶振每来一个脉冲时，计时器的值减1。当计时器的值减至0时，引发一个中断。然后，寄存器将自动把其中的值复制到计时器中，再重新开始计数。这样会产生周期性的中断，称为时钟节拍 计数器：8253中有3个16位计数器，作用各不相同。 计数器0 输出到IRQ0，产生（18.2Hz的）周期性时钟中断 计数器1 产生输出间隔为15s的脉冲，用于DMA刷新 计数器2 输出不同频率的方波，经75477电流驱动器放大后，推动扬声器发出不同频率的声音
30、初始时钟中断频率=1193182/6553518.2（为时钟的最低频率值） I/O端口：8253有4个I/O端口40h（计数器0）、41h（计数器1）、42h（计数器2）、43h（控制字寄存器）。不能直接写计数器端口，须先向控制字寄存器写入8位的控制字来确定8253的工作方式（mode）和选择计数器 设置计时器的时钟中断频率：对应于8253中计数器0的工作方式2，对应的控制字值为34h。通过修改8253中计数器0的值（=1193182/n，每秒n次中断），可设置自己的计时器中断的频率（为n）10 实模式下的进程调度1）要求掌握实模式下进程调度的方法和步骤，包括编写应用程序（直接改写显存来显示字
31、符）、重写装入程序以加载内核和各应用程序、定义PCB表数组、设置时钟中断频率、在时钟中断处理程序中保存上下文寄存器值并调用进程调度程序、三种栈及栈的切换、进程切换，会编写（多个）应用程序、（软硬盘）装入程序、时钟中断处理程序和（多个）进程间的调度程序的汇编代码。2）重点 方法和功能：采用汇编语言，利用计时器，实现实模式下多个进程间的简单切换 用户进程：编写三个功能相同的应用程序，分别在各自行的当前位置重复显示字符A、B、C 显示字符的方法：为了以避免中断重入，不调用显示中断int 10h，而是采用直接改写文本窗口所对应显存内容的方法来显示字符 延时：为便于测试观察，（因为CPU速度太快）需使用延时
