【实验一】计算机是怎样工作的？

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Linux操作系统分析实验一

Author:李明(164)

1.实验内容及要求

  • 实验:请使用example的c代码分别生成.cpp,.s,.o和ELF可执行文件,并加载运行,分析.s汇编代码在CPU上的执行过程
  • 实验报告要求:通过实验解释单任务计算机是怎样工作的,并在此基础上讨论分析多任务计算机是怎样工作的。

example.c源程序

int g(int x)
{
    return x+3;
}
int f(int x)
{
    return g(x);
}
int main(void)
{
    return f(8)+1;
}

2.实验过程

1. 对Example.c的进行预处理

gcc -E -o example.cpp example.c

经过预处理后得到的example.cpp内容如下：

# 1 "example.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "example.c"
int g(int x)
{
    return x+3;
}
int f(int x)
{
    return g(x);
}
int main(void)
{
    return f(8)+1;
}

预处理会对源文件进行宏替换，include文件的替换及注释的去除等，这里因为源程序中没有定义宏，也没有include文件，没有注释因此没有明显变化，只是在文件开始处添加了４行linemarker。

2.编译为汇编代码

  • 可以直接通过源程序编译得到汇编代码
gcc –S –o example.s example.c
  • 也可以通过上一步中得到的预处理文件编译得到
gcc –x cpp-output –S –o example.s example.cpp

得到的汇编代码如下：

.file   "example.c"
    .text
    .globl  g
    .type   g, @function
g:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $3, %eax
    popl    %ebp
    .cfi_def_cfa 4, 4
    .cfi_restore 5
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   g, .-g
    .globl  f
    .type   f, @function
f:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    g
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1:
    .size   f, .-f
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    $8, (%esp)
    call    f
    addl    $1, %eax
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

3. 编译成可执行文件

gcc –x assembler –c example.s -o example.o
gcc –o example example.o

程序运行过程分析

程序运行时栈的变化如下图所示: stack.jpg

从上图可以看出，程序由main函数作为入口开始执行，在自己的栈空间内进行参数的传递，函数调用，及寄存器状态的设置等。

实验总结

  • 对于单任务计算机，CPU在任意时刻只执行一条指令，在程序运行过程中，当一个函数需要调用其他函数时，需要保存当前函数运行时的相应寄存器的状态值，以便在调用函数结束后，重新设置寄存器的值以继续执行。因此，当调用其他函数时，要保存下指向下条指令的eip的值，函数调用结束后，可以继续执行，要保存当前函数栈的基地址，即ebp的值。给调用函数传递参数。每次的函数调用都是相应的过程。
  • 对于多任务计算机，随时都会进行任务的切换，当进行任务切换时，需要保存当前任务的“进度”以便当任务被再次调度时，可以继续接着上次的进度进行，这里的“进度”就是指各寄存器的状态值，要将他们进行保存。在操作系统中，对每个任务都有一个相应的结构来描述，即PCB,它保存了任务的所有的状态。当任务调度时就保存任务的状态，然后恢复状态。

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