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计算机系统

大作业

题 目 程序人生-Hello's P2P

计算机科学与技术学院

2022年5月

摘 要

本文以hello这个最简单的程序回顾了计算机系统如何实现一个程序的运行，从hello这个程序运行的"一生"回顾计算机系统里的重要概念。本文主要涉及编译链接、进程控制、内存管理和IO。

关键词：计算机系统；P2P；编译；链接；进程；虚拟内存；IO

（摘要0分，缺失-1分，根据内容精彩称都酌情加分0-1分）

目 录

第1章概述- 4 -

1.1 Hello简介- 4 -

1.2环境与工具- 4 -

1.3中间结果- 4 -

1.4本章小结- 4 -

第2章预处理- 5 -

2.1预处理的概念与作用- 5 -

2.2在Ubuntu下预处理的命令- 5 -

2.3 Hello的预处理结果解析- 5 -

2.4本章小结- 7 -

第3章编译- 8 -

3.1编译的概念与作用- 8 -

3.2在Ubuntu下编译的命令- 8 -

3.3 Hello的编译结果解析- 8 -

3.4本章小结- 13 -

第4章汇编- 14 -

4.1汇编的概念与作用- 14 -

4.2在Ubuntu下汇编的命令- 14 -

4.3可重定位目标elf格式- 14 -

4.4 Hello.o的结果解析- 17 -

4.5本章小结- 18 -

第5章链接- 20 -

5.1链接的概念与作用- 20 -

5.2在Ubuntu下链接的命令- 20 -

5.3可执行目标文件hello的格式- 20 -

5.4 hello的虚拟地址空间- 25 -

5.5链接的重定位过程分析- 26 -

5.6 hello的执行流程- 28 -

5.7 Hello的动态链接分析- 29 -

5.8本章小结- 29 -

第6章 hello进程管理- 30 -

6.1进程的概念与作用- 30 -

6.2简述壳Shell-bash的作用与处理流程- 30 -

6.3 Hello的fork进程创建过程- 31 -

6.4 Hello的execve过程- 32 -

6.5 Hello的进程执行- 32 -

6.6 hello的异常与信号处理- 32 -

6.7本章小结- 36 -

第7章 hello的存储管理- 37 -

7.1 hello的存储器地址空间- 37 -

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理- 37 -

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理- 39 -

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换- 40 -

7.5三级Cache支持下的物理内存访问- 42 -

7.6 hello进程fork时的内存映射- 43 -

7.7 hello进程execve时的内存映射- 43 -

7.8缺页故障与缺页中断处理- 44 -

7.9动态存储分配管理- 45 -

7.10本章小结- 45 -

第8章 hello的IO管理- 46 -

8.1 Linux的IO设备管理方法- 46 -

8.2简述Unix IO接口及其函数- 46 -

8.3 printf的实现分析- 47 -

8.4 getchar的实现分析- 49 -

8.5本章小结- 49 -

结论- 49 -

附件- 50 -

参考文献- 51 -

第1章 概述

1.1 Hello简介

Hello的P2P是指program to process,由程序到进程。也就是从我们编写的c语言程序到进程的过程。Hello.c文件经过cpp预处理得到hello.i，而后经过ccl生成hello.s,在之后经过汇编器as得到hello.o，之后链接器ld将其转换为hello可执行目标文件，最后shell为hello进行fork创建子进程，hello就成了process。

Hello的020即 from zero-0 to zero-0，说的是内存数据的从无到有再到无。初始时内存里没有hello的相关数据，因此是from zero-0，通过shell中的execute函数将hello载入内存为其分配空间，当程序结束后，hello进程被回收，内核删除内存里关于hello的数据，完成to zero-0.

1.2 环境与工具

本机：cpu：ryzen5800HRAM：3200MHz 16GB Samsung

虚拟环境：vmware16pro Ubuntu20.04

1.3 中间结果

Halo.asmhello的反汇编

Halo.elfhello的elf格式

Hellohello程序的可执行程序

Hello.asmhello.o的反汇编

Hello.c 源程序

Hello.elfhello.o的elf格式

Hello.ihello的预处理文件

Hello.o hello的可重定位目标文件，为汇编后的结果

Hello.s hello的汇编文件

1.4 本章小结

本章介绍hello从诞生到执行结束的过程，阐述了p2p和020的含义。

（第1章0.5分）

第2章 预处理

2.1 预处理的概念与作用

预处理是指预处理器（cpp，C Pre-Processor）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序的过程。

预处理的作用是由预处理器来进行注释删除、包含其他文件、以及执行宏替代，方便后续的编译。

2.2在Ubuntu下预处理的命令

Figure 1 预处理操作

2.3 Hello的预处理结果解析

打开经过预处理后的hello.i文件，发现文件有3060行，远远多余之前的程序，仔细观察发现#后include的头文件已经被插入其中，所有注释都已经删除。在hello.i

文件开始的几行内也记录了被插入的头文件的位置。

Figure 2 插入头文件的位置

Figure 3 预处理后产生的文件

2.4 本章小结

本章对预处理的概念和作用进行了说明，并对hello.c进行了预处理操作以验证。

（第2章0.5分）

第3章 编译

3.1 编译的概念与作用

编译是指通过编译器将程序从便于人编写、阅读、维护的高级计算机语言所写作的源代码程序，翻译为计算机能解读、运行的低阶机器语言的过程。

编译的作用是产生目标语言(target language)，即汇编语言，为后续的汇编程序准备。

3.2 在Ubuntu下编译的命令

键入命令：gcc -m64 -Og -no-pie -fno-PIC hello.i -o hello.s -S，可生成hello.s文件。

Figure 4 编译命令

3.3 Hello的编译结果解析

3.3.1 数据

程序中包含了字符串常量，在.s文件内如下

Figure 5 字符串常量

文件内也有进行for循环时使用的局部变量i，存在ebp寄存器内。

Figure 6 寄存器内的i变量

程序内的argc和argv作为main函数的参数，一般在edi和rdi内，在调用函数之前有寄存器传递参数。

Figure 7 edi存argc

Figure 8 rbx存argv地址，调用atoi时传递

3.3.2赋值

在c语言程序中没有出现赋值 =操作。

3.3.3类型转换

C程序中未出现类型转换操作

3.3.4 sizeof

C语言程序中未出现sizeof

3.3.5算数操作

For循环里每个循环对i都进行加1操作，在.s文件内如下

Figure 9 算数操作

3.3.6逻辑/位操作

C语言源程序内没有逻辑/位操作。

3.3.7关系操作

For循环每次进行判断应用了==关系操作，在文件内如下

Figure 10 关系操作

每个循环开始前与7比较大小进行==关系操作。

3.3.8数据/指针/结构操作

在for循环的每个循环内需要对数据内元素进行访存操作，在文件内如下

Figure 11 通过寄存器内元素地址进行数组元素访存

3.3.9控制转移

源程序中运用了for循环，在文件内如下

Figure 12 控制转换-for

同时程序内还含有if，在文件内如下

Figure 13 控制转移-if

3.3.10函数操作

源程序调用了printf、atio、sleep、getchar、exit函数，在文件内如下

Figure 14 printf函数

寄存器Rdx，rsi，edi存储的都为printf函数的参数，eax为printf函数的返回值，在调用前置零。

Figure 15 atio函数

寄存器rdi存储着atio函数的参数，eax寄存器存储着该函数的返回值。

Figure 16 sleep函数

该函数的参数储存在edi寄存器内

Figure 17 调用getchar函数

Figure 18 调用exit函数

3.4 本章小结

本章介绍了编译的概念和作用，编译为后续生成二进制机器码做准备。以生成的hello.s为例，分析了编译的结果。

（第3章2分）

第4章 汇编

4.1 汇编的概念与作用

使用汇编语言编写的源代码，然后通过相应的汇编程序(assembler)将它们转换成可执行的机器代码。这一过程被称为汇编过程。

注意：这儿的汇编是指从 .s到 .o即编译后的文件到生成机器语言二进制程序的过程。

汇编的作用将汇编语言等价翻译为机器语言，生成可重定位目标程序。

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

输入的汇编命令为：gcc -m64 -Og -no-pie -fno-PIC hello.s -o hello.o -c

Figure 19 汇编过程

4.3 可重定位目标elf格式

在终端内输入readelf -a hello.o > hello.elf指令以获得.elf文件，内容为hello.o的ELF格式：

Figure 20 hello.o的ELF格式

1. ELF头
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