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10:30~12:30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19:00~21:00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：Windows—NASM（汇编），Linux—NASM（汇编）、GCC（C）、LD（链接）开发工具：Windows—NotePad++（源代码编辑）、WinHex（二进制编辑）、DiskWriter/FloppyWriter（写磁盘映像）、WinImage（复制文件到FAT磁盘映像），Linux—gedit（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]BootSector）是磁盘的第一个物理扇区（512B），内容为：主引导记录（MBR=MasterBootRecord）：446B，一般为装入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=DiskPartitionTable）：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=BootRecordIdentifier）：2B，内容为55hAAh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“Hello,OSworld!”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3CPU与指令1）要求了解x86CPU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8086[80386]寄存器8个16[32]位通用寄存器4个数据寄存器：[E]AX（累加）、[E]BX（基址）、[E]CX（计数）、[E]DX（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：[E]SP（堆栈指针）、[E]BP（基址指针）、[E]SI（源变址）、[E]DI（目的变址）4[6]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16[32]位专用寄存器：[E]IP（指令指针）、[E]FLAGS（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（MOV）、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，$、$$4BIOS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。2）重点常用BIOS中断：显示字符——int10h的0Eh号功能、显示字符串——int10h的13h号功能、清屏（上滚整个文本显示页）——int10h中断的6号功能、读按键——int16h的00h号功能、读扇区——int13h的02h号功能调用格式：movah,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org7C00h指令来指定入口地址。文件的扩展名一般为binCOM（commandfile，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org100h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（ExecutableandLinkableFormat，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：.o、.so、.elf、.prx、.puff、.bin6FAT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[E]BPB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=DiskPartitionTable）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（GUIDPartitionTable，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）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（LogicalBlockAddressing，逻辑块寻址），1996年以后推出的硬盘一般都支持LBAFAT分区FAT（FileAllocationTable，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FAT12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=10080KB≈9.84MB每个FAT项占12位（1.5B）、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（BIOSParameterBlock，BIOS参数块，25B）、