PA 2-2 装载ELF文件¶
在上一节中所展开的实现指令的实验中，测试用例的可执行目标文件是通过交叉编译并使用objcopy直接得到对应的内存镜像加载到内存中执行的。在真实的计算机系统中，这是一种效率极低的存储可执行文件的方法。现代的类UNIX操作系统，如Linux，主要使用可执行可链接格式（Executable and Linkable Format，简称ELF）来存储目标文件。本节我们就目标文件的装载展开讨论。
图2-4 PA 2-2路线图
§2-2.1 预备知识¶
§2-2.1.1 ELF文件和ELF Header¶
要实现ELF文件装载，需要先熟悉ELF可执行目标文件的结构。简单来说，对应课本pg. 190，图4.5所示的结构，目前我们可以将ELF可执行目标文件看作由三个部分组成：ELF头、程序头表、其余的ELF文件体。
+-------------+-----------------------+--------------------------------------+
| ELF Header | Program Header Table | Rest of the ELF File |
+-------------+-----------------------+--------------------------------------+
图2-5 ELF文件结构简图
ELF头的结构可以通过在控制台中执行man elf命令进行查阅，描述如下：
The ELF header is described by the type Elf32_Ehdr or Elf64_Ehdr:
#define EI_NIDENT 16
typedef struct {
unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
uint16_t e_type;
uint16_t e_machine;
uint32_t e_version;
ElfN_Addr e_entry;
ElfN_Off e_phoff; // 程序头表在ELF文件中的偏移量
ElfN_Off e_shoff;
uint32_t e_flags;
uint16_t e_ehsize;
uint16_t e_phentsize; // 程序头表中每个表项的大小
uint16_t e_phnum; // 程序头表中包含表项的个数
uint16_t e_shentsize;
uint16_t e_shnum;
uint16_t e_shstrndx;
} ElfN_Ehdr;
其中和可执行文件装载相关的三个成员已经给出注释了。事实上，我们只需要使用其中的两个，即，e_phoff和e_phnum就能够顺利地实现装载。
§2-2.1.1 ELF文件的装载¶
装载的过程简言之就是将ELF文件中的程序和数据段等需要装载到内存中的segment拷贝到内存中合适位置的过程。在ELF文件中存储了一个数组，叫做程序头表（program header table），其在ELF文件中偏移量由ELF Header中的e_phoff域给出。程序头表中每一项的结构可以通过man elf命令进行查看，摘录如下：
typedef struct {
uint32_t p_type;
Elf32_Off p_offset;
Elf32_Addr p_vaddr;
Elf32_Addr p_paddr;
uint32_t p_filesz;
uint32_t p_memsz;
uint32_t p_flags;
uint32_t p_align;
} Elf32_Phdr;
其中，p_type指定了表项的类型，对于类型为PT_LOAD类型的表项，我们需要对其进行装载。装载过程可以简述为，对于p_type == PT_LOAD的表项，将ELF文件中起始于p_offset，大小为p_filesz字节的数据拷贝到内存中起始于p_vaddr的位置，并将内存中剩余的p_memsz - p_filesz字节的内容清零。其过程可以由下图来表示：
+-------+---------------+-----------------------+
| |...............| |
| |...............| | ELF file
| |...............| |
+-------+---------------+-----------------------+
0 ^ |
|<------+------>|
| | |
| |
| +----------------------------+
| |
Type | Offset VirtAddr PhysAddr |FileSiz MemSiz Flg Align
LOAD +-- 0x001000 0x00100000 0x00100000 +0x1d600 0x27240 RWE 0x1000
| | |
| +-------------------+ |
| | |
| | | | |
| | | | |
| | +-----------+ --- |
| | |00000000000| ^ |
| | --- |00000000000| | |
| | ^ |...........| | |
| | | |...........| +------+
| +--+ |...........| |
| | |...........| |
| v |...........| v
+-------> +-----------+ ---
| |
| |
Memory
图2-6 ELF文件的装载
为了更方便地理解一个可执行文件的程序头表的内容，可以通过readelf命令查看ELF文件的内容，readelf提供了两个视角，一个是面向链接过程的section视角（readelf -S），另一个是面向执行的segment视角（readelf -l）。在这里我们关注后一个视角即可。通过对比readelf所打印出的程序头表和Elf32_Phdr所示的程序头表表项结构，不难理解其中的含义。所谓装载的过程即为扫描程序头表，对所有类型为PT_LOAD的表项执行上图中所示的装载过程。
总结预备知识中的内容，ELF文件装载的过程如下：
-
读入位于ELF文件最开始位置（偏移量为
0）处的ELF头，并根据其中的值e_phoff定位程序头表在ELF文件中的位置； -
顺序扫描程序头表中的每一个表项，遇到需要装载的表项时，根据表项描述的内容将相应的数据拷贝到内存相应位置。
§2-2.2 代码导读和实验理解¶
§2-2.2.1 引入Kernel¶
可执行目标文件的格式是由操作系统定义的。自然地，在这里我们也将这一功能实现在一个简单地操作系统之中。从这一节开始，我们引入一个非常精简的操作系统---Kernel，来实现和操作系统有关的系统功能的实现。Kernel的代码位于和NEMU平行的目录中名为kernel/的文件夹之下。
我们的实验主要围绕NEMU展开，核心是系统的功能模拟。引入Kernel主要是为了完成以下三个方面的功能：
-
实现可执行目标文件（ELF格式）的装载
-
实现存储管理对段表和页表的初始化
-
实现中断处理和I/O相关的操作
以上三点功能正好贯穿从PA 2后期到PA 4的所有内容。在本实验中，我们关心的是第一点功能。
§2-2.2.2 使用make testkernel执行测试用例¶
在之前使用
make run
或
make test_pa-2-1
执行测试用例时，NEMU会直接将测试用例的镜像加载到内存0x30000开始的模拟内存中，并从第一条指令开始执行。此时的内存划分方式请参照PA 2-1中的论述。
在引入Kernel之后，我们通过命令
make run-kernel
或者在本阶段使用
make test_pa-2-2
来加载Kernel进而执行测试用例。此时的内存区段划分与make run和make test_pa-2-1时的情形非常类似，物理地址0x00000 ~ 0x30000区段存放的是测试用例的ELF文件（testcase/bin/<testcase>），而从物理地址0x30000开始存放的是Kernel的代码和数据：
Initial EIP
|
Physical Address v
0x0 0x30000
+------------------+---+---------------+-------------------------------------+
|Testcase ELF File | ~ |Kernel Binary | ~ |
+------------------+---+---------------+-------------------------------------+
图2-7 装入Kernel后的内存划分
而在本实验中，我们要实现Kernel中位于kernel/src/elf/elf.c中的loader()函数。我们约定此时测试用例的起始位置位于物理地址0x100000。此约定隐含假设Kernel的代码和数据能够存放于物理地址0x30000 ~ 0x100000的区间。若空间不够，则需要将测试用例的起始位置设置为更靠后的值。此时内存的划分方和loader()的功能功能可由图2-8来描述。
Initial EIP
|
Physical Address v
0x0 0x30000 0x100000
+------------------+---+---------------+---+-------------------+-------------+
|Testcase ELF File | ~ |Kernel Binary | ~ |Testcase Binary | ~ |
+------------------+---+---------------+---+-------------------+-------------+
+ ^
| loader() |
+------------------------------------------+
图2-8 Kernel装载测试用例的ELF文件
为配合上述过程，需要修改testcase/Makefile中LDFLAGS变量的-Ttext参数，将其从0x30000修改为0x100000。实现loader()的方案请参照预备知识中描述的过程。
在完成了程序的装载后，loader()函数将返回所装载程序（测试用例）的入口地址，该地址由ELF头中的e_entry域给出。这个域的取值由testcase/Makefile中的链接参数给出，此时我们设置为0x100000。当loader()返回后，在kernel/src/main.c中，我们会记录该入口地址，并在稍后跳转到改地址开始执行测试用例。
§2-2.3 实验过程及要求¶
* 代码要求¶
- 修改
testcase/Makefile中LDFLAGS并
make clean
-
实现Kernel中的
loader()； -
使用
make test_pa-2-2
执行测试用例并通过。
* 实验报告要求¶
在实验报告中，回答如下问题：
- 为什么在装载时要把内存中剩余的
p_memsz - p_filesz字节的内容清零?
本阶段要修改的代码清单（参考）¶
testcase/Makefilekernel/src/elf/elf.c