2024年哈工大计算机系统课程大作业:程序人生-Hello’s P2P

计算机系统

大作业

题     目  程序人生-Hello’s P2P 

专       业     人工智能            

学　　   号   2022111376            

班　　   级      2203602            

学       生      武靖涛            　

指 导 教 师        吴锐             　

计算机科学与技术学院

2024年5月

摘  要

本文通过追踪hello小程序在Linux系统的一生，探讨hello程序从hello.c经过预处理、编译、汇编、链接生成可执行文件，并由操作系统进行进程管理、存储管理和I/O管理的全过程。以此将CSAPP课程中的内容进行全面地总结和梳理，加深对计算机系统的理解。

关键词： 计算机系统；Hello程序;Ubuntu；Linux；预处理；编译；汇编,链接；进程；shell；存储；虚拟内存；I/O

                           

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............................................................................... - 5 -

第3章 编译................................................................................... - 6 -

3.1 编译的概念与作用............................................................... - 6 -

3.2 在Ubuntu下编译的命令.................................................... - 6 -

3.3 Hello的编译结果解析........................................................ - 6 -

3.4 本章小结............................................................................... - 6 -

第4章 汇编................................................................................... - 7 -

4.1 汇编的概念与作用............................................................... - 7 -

4.2 在Ubuntu下汇编的命令.................................................... - 7 -

4.3 可重定位目标elf格式........................................................ - 7 -

4.4 Hello.o的结果解析............................................................. - 7 -

4.5 本章小结............................................................................... - 7 -

第5章 链接................................................................................... - 8 -

5.1 链接的概念与作用............................................................... - 8 -

5.2 在Ubuntu下链接的命令.................................................... - 8 -

5.3 可执行目标文件hello的格式........................................... - 8 -

5.4 hello的虚拟地址空间......................................................... - 8 -

5.5 链接的重定位过程分析....................................................... - 8 -

5.6 hello的执行流程................................................................. - 8 -

5.7 Hello的动态链接分析........................................................ - 8 -

5.8 本章小结............................................................................... - 9 -

第6章 hello进程管理.......................................................... - 10 -

6.1 进程的概念与作用............................................................. - 10 -

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程........................... - 10 -

6.3 Hello的fork进程创建过程............................................ - 10 -

6.4 Hello的execve过程........................................................ - 10 -

6.5 Hello的进程执行.............................................................. - 10 -

6.6 hello的异常与信号处理................................................... - 10 -

6.7本章小结.............................................................................. - 10 -

第7章 hello的存储管理...................................................... - 11 -

7.1 hello的存储器地址空间................................................... - 11 -

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理................... - 11 -

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理............. - 11 -

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换.................... - 11 -

7.5 三级Cache支持下的物理内存访问................................ - 11 -

7.6 hello进程fork时的内存映射......................................... - 11 -

7.7 hello进程execve时的内存映射..................................... - 11 -

7.8 缺页故障与缺页中断处理................................................. - 11 -

7.9动态存储分配管理.............................................................. - 11 -

7.10本章小结............................................................................ - 12 -

第8章 hello的IO管理....................................................... - 13 -

8.1 Linux的IO设备管理方法................................................. - 13 -

8.2 简述Unix IO接口及其函数.............................................. - 13 -

8.3 printf的实现分析.............................................................. - 13 -

8.4 getchar的实现分析.......................................................... - 13 -

8.5本章小结.............................................................................. - 13 -

结论............................................................................................... - 14 -

附件............................................................................................... - 15 -

参考文献....................................................................................... - 16 -

第1章 概述

1.1 Hello简介

根据Hello的自白，利用计算机系统的术语，简述Hello的P2P，020的整个过程。

P2P：首先，Hello的开始是一段储存在磁盘上的程序文本（Program），在需要使用这一个代码文件的时候，用预处理器处理hello.c文件，生成一个hello.i文件，也就是修改了的源程序，之后，hello.i输入编译器，编译器将生成一个hello.s文件，在这一步之前所有的文件都还是文本形式，还没有转换为二进制机器码格式。生成的hello.s文件将输入汇编器，产生一个hello.o，也就是可重定位程序，可重定位文件经过链接器的链接将生成可执行目标程序hello，此时在shell中调用相关命令将为其创建进程（Process），执行程序。

O2O：在shell中输入相关命令后，shell将调用fork函数为这一程序创建进程，之后将通过exceve在进程的上下文中加载并运行hello，将进程映射到虚拟内存空间，并加载需要的物理内存。执行时，在CPU的分配下，指令进入CPU流水线执行。当执行结束后父进程将回收这一进程，内核将清除这一进程的相关信息，这一进程就结束了。

1.2 环境与工具

列出你为编写本论文，折腾Hello的整个过程中，使用的软硬件环境，以及开发与调试工具。

硬件环境：X64 CPU；2GHz；2G RAM；256GHD Disk 以上

软件环境：Windows7 64 位以上；VirtualBox/Vmware 11 以上；Ubuntu 16.04 LTS 64 位/ 优麒麟 64位 以上

开发工具： gcc，as，ld，vim，edb，readelf，gedit，gdb

1.3 中间结果

中间结果文件	文件作用
hello.i	hello.c预处理得到的文本文件
hello.s	hello.i编译后的汇编文件