2-1 課堂練習2.1：外部中斷

本實訓分析 Linux 0.11 對外部中斷的響應和處理過程。在每條指令執行的末尾，如果沒有關中斷，CPU 會檢查是否收到了外部中斷信號，如果有信號，則 CPU 就切換到核心態去執行對應的中斷處理程序，在處理完畢后，會執行 iret 這個中斷返回指令，回到原狀態（一般是用戶態），繼續執行原程序。

第1關時鐘中斷的發生

任務描述

?本關任務：通過實際操作回答在輸出第一行 0/1 字符的過程中（如下圖所示），共發生了幾次時鐘中斷？

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.設置版本 1 內核為分析對象； 2.開始用 gdb 調試內核； 3.跟蹤分析時鐘中斷。

設置版本1內核為分析對象

首先解壓版本1內核源碼。使用cp命令將/data/workspace/myshixun/exp1中的1.tgz復制到~/os/目錄下；

切換到~/os/linux-0.11-lab目錄下，將1.tgz解壓到當前目錄下；

然后調整cur的指向。先使用rm -rf cur將cur刪除，再使用ln命令創建符號鏈接。

現在可以編譯和測試版本 1 內核。首先進入1/linux目錄下編譯內核；

確認內核映像文件Image已經生成；

然后回到目錄~/os/linux-0.11-lab，并使用./run啟動虛擬機檢測內核是否正常；

如果正常虛擬機在加載完畢之后將會出現如下畫面。

第2關第一次時鐘中斷

?任務描述

分析版本1內核，找到第一次時鐘中斷的恢復點地址。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.用 gdb 調試內核； 2.跟蹤分析時鐘中斷; 3.中斷/異常的恢復點分析。

準備階段

本關卡的分析對象是版本1內核，可以基于前一關卡環境進行后續實驗，如果重置實驗環境則需要重新將版本1內核設置為分析對象，詳見第一關的相關知識。

使用 gdb 調試內核

啟動兩個終端，在一個終端里切換到目錄~/os/linux-0.11-lab，然后運行腳本 rungdb，以啟動 bochs 虛擬機并等待 gdb 連接；

在另一個終端里切換到目錄~/os/linux-0.11-lab，然后執行腳本./mygdb，以啟動 gdb 并讀入符號信息,跟蹤到 main 函數入口。

跟蹤分析時鐘中斷

在函數 do_timer（由時鐘中斷的處理函數 timer_interrupt 調用）處設置斷點； 跟蹤到該斷點第 1 次出現；

中斷/異常的恢復點分析

當一個中斷/異常被 gdb 捕獲時，通常正在運行中斷處理程序，這時可以繼續跟蹤，直至回到恢復點指令。以時鐘中斷為例，為了從函數 do_timer 跟蹤到恢復點，可以如下操作：

由上圖可見時鐘中斷處理程序的入口是 timer_interrupt 函數。 跟蹤到當前函數（do_timer）執行完畢返回到 timer_interrupt 函數；

跟蹤到 timer_interrupt 函數（用匯編語言寫的）末尾的 iret 指令；

通過單步執行命令 si 來執行該 iret 指令，返回到恢復點；

再通過反匯編命令：disas ，分析恢復點指令的地址。

關閉 gdb 調試： 在評測通關之后為了保證環境的正常，不影響下一關的操作，需要先輸入 kill 指令關閉虛擬機，然后輸入 quit 退出 gdb 調試。

答案

第3關第六次時鐘中斷

?任務描述

本關任務：通過相關知識以及實驗回答：版本 1 內核的第 6 次時鐘中斷發生時，斷點和恢復點（指令地址）分別是多少？此時 bochs 虛擬機輸出的 0/1 字符串是什么？（忽略空格）

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.使用 gdb 調試內核； 2.跟蹤分析時鐘中斷。

準備階段

本關卡基于前面關卡環境進行后續實驗，如果重置實驗環境請從第一關重新開始。

使用 gdb 調試內核

啟動兩個終端，在一個終端里切換到目錄~/os/linux-0.11-lab，然后運行腳本 rungdb，以啟動 bochs 虛擬機并等待 gdb 連接；

在另一個終端里切換到目錄~/os/linux-0.11-lab，然后執行腳本./mygdb，以啟動 gdb 并讀入符號信息,跟蹤到 main 函數入口。

跟蹤分析時鐘中斷

開始用 gdb 調試內核，跟蹤到 main 函數入口。方法與第 1 關的步驟（2）一樣。 (點擊右下角上一關可以直接查看上一關內容，不會對關卡造成影響，但是不要點擊評測，會改變環境)

捕獲第 6 次時鐘中斷的發生

方法與第 2 關的步驟（3）類似，跟蹤到斷點 do_timer 第 6 次出現時即可，此時 jiffies 的值也是 6 。

中斷/異常的恢復點分析

當一個中斷/異常被 gdb 捕獲時，通常正在運行中斷處理程序，這時可以繼續跟蹤，直至回到恢復點指令。以時鐘中斷為例，為了從函數 do_timer 跟蹤到恢復點，可以類似如下操作：

由上圖可見時鐘中斷處理程序的入口是 timer_interrupt 函數。 跟蹤到當前函數（do_timer）執行完畢返回到 timer_interrupt 函數；

跟蹤到 timer_interrupt 函數（用匯編語言寫的）末尾的 iret 指令；

使用調試命令 si 來執行該 iret 指令，返回到恢復點；

然后通過反匯編命令：disas ，來分析恢復點指令的地址。

斷點指令和恢復點指令的分析

對于外部中斷而言，恢復點指令是斷點指令的后一條。需要說明的是，loop 指令的功能是先將 ecx 寄存器減一，然后檢查其值，如果其值非 0 ，則繼續循環，否則中止循環，執行下一條指令。以如下指令為例：

其功能是：在地址 0x7977 處循環，每次 ecx 寄存器都減一，直到其值為 0 。因此，loop 指令的上一條有可能是它自己。 在 gdb 中查看寄存器值的命令是 info reg：

斷點指令和恢復點指令的分析

對于外部中斷而言，恢復點指令是斷點指令的后一條。需要說明的是，loop 指令的功能是先將 ecx 寄存器減一，然后檢查其值，如果其值非 0 ，則繼續循環，否則中止循環，執行下一條指令。以如下指令為例：

其功能是：在地址 0x7977 處循環，每次 ecx 寄存器都減一，直到其值為 0 。因此，loop 指令的上一條有可能是它自己。 在 gdb 中查看寄存器值的命令是 info reg：

答案

?

2-2 課后作業2.1：外部中斷

第1關修改版本 1 內核源碼，使得每次時鐘中斷發生時，都在屏幕上輸出字符 ‘t’

任務描述

本關任務：修改版本 0 內核，使得每發生 100 次時鐘中斷，就在屏幕上輸出一個字符‘t’和當時的進程號，如“t(0)”表示0號進程運行時發生了時鐘中斷。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.內核態下的字符輸出； 2.判斷已經發生了多少次時鐘中斷。

內核態下的字符輸出

在版本 0 內核里，可以使用函數printk來輸出字符，其用法類似于printf。 注： 在版本 0 內核中，沒有實現用int 0x81指令輸出字符這個功能。

printk用法示例：

1. printk("trying to free inode with count=%d\n",inode->i_count);

判斷已經發生了多少次時鐘中斷

已經發生的時鐘中斷的次數記錄在全局變量 jiffies 中，每發生一次時鐘中斷，該變量的值就增加 1 。

編程要求

根據相關知識，以及上課內容，對版本 0 內核進行修改，使得每發生 100 次時鐘中斷，就在屏幕上輸出一個字符‘t’和當時的進程號。

使用VScode打開1/linux文件夾，獲取版本1內核源代碼?

在timer_interrupt函數開頭添加輸出字符t的匯編代碼：

movb $116, %al
int $0x81

回到命令行中重新編譯1/linux，再啟動./rungdb和./mygdb虛擬機即可過關

第2關修改版本 0 內核

任務描述

本關任務：修改版本 0 內核，使得每發生 100 次時鐘中斷，就在屏幕上輸出一個字符‘t’和當時的進程號，如“t(0)”表示0號進程運行時發生了時鐘中斷。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.內核態下的字符輸出； 2.判斷已經發生了多少次時鐘中斷。

內核態下的字符輸出

在版本 0 內核里，可以使用函數printk來輸出字符，其用法類似于printf。 注： 在版本 0 內核中，沒有實現用int 0x81指令輸出字符這個功能。

printk用法示例：

1. printk("trying to free inode with count=%d\n",inode->i_count);

判斷已經發生了多少次時鐘中斷

已經發生的時鐘中斷的次數記錄在全局變量 jiffies 中，每發生一次時鐘中斷，該變量的值就增加 1 。

編程要求

根據相關知識，以及上課內容，對版本 0 內核進行修改，使得每發生 100 次時鐘中斷，就在屏幕上輸出一個字符‘t’和當時的進程號。

通過vscode找到do_timer

?在函數中添加

if(jiffies%100==0)
prink("t(%d),sys_getpid());

2-3 課堂練習2.2：中斷/異常的處理過程

第1關除零異常分析

任務描述

分析版本 1.1 內核，回答下列問題： 1.在函數 main 的語句jiffies = jiffies/0;所對應的匯編指令片段中，有一個 idiv 指令，此指令的地址是多少？ 2.在該 idiv 指令執行之前，當前指令位置（CS:EIP）和棧位置（SS:ESP）分別是多少？ 3.使用 si 命令執行了該指令后，新指令位置和棧位置分別是多少？此時棧中保存的恢復點位置和用戶棧位置分別是多少？

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握： 1.如何設置某版本的內核為分析對象； 2.如何開始用 gdb 調試內核； 3.查看 C 語句編譯之后對應的匯編指令片段； 4.分析響應中斷/異常時，CPU 做了哪些工作； 5.查看當前寄存器的狀態； 6.查看當前棧頂的狀態。

實驗準備

本關卡使用版本 1.1 內核作為分析對象，內核文件存放在/data/workspace/myshixun/exp1文件夾中，可以將其解壓到linux-0.11-lab下使用。

如何設置某版本的內核為分析對象

下面以版本1內核為例進行講解。

首先解壓版本1內核源碼。使用cp命令將/data/workspace/myshixun/exp1中的1.1.tgz復制到~/os/目錄下；

切換到~/os/linux-0.11-lab目錄下，將1.1.tgz解壓到當前目錄下；

然后調整cur的指向。先使用rm -rf cur將cur刪除，再使用ln命令創建符號鏈接。

如何開始用 gdb 調試內核

先關閉bochs虛擬機，然后打開兩個終端，其中一個終端在linux-0.11-lab目錄下運行rungdb腳本，以啟動 bochs 虛擬機并等待 gdb 連接；

在另一個終端里切換到目錄~/os/linux-0.11-lab/，然后啟動腳本./mygdb，這個命令會啟動 gdb 并讀入內核符號信息，同時會通過執行0.gdb中的調試命令來連接到 bochs 虛擬機，并進而跟蹤到 main 函數入口。

查看 C 語句編譯之后對應的匯編指令片段

如果要查看某條 C 語句編譯之后對應的匯編指令片段，可以在該 C 語句處設置斷點，并跟蹤到該斷點，然后反匯編，所看到的當前指令之后的一段匯編指令就對應于該 C 語句。

例如，jiffies = jiffies/0;是文件 main.c 的第 147 行，可以如下方式查看：

上面顯示的匯編指令中，有一行前面有箭頭標識，此即為當前指令，即馬上將要執行的指令。

分析響應中斷/異常時，CPU 做了哪些工作

• 切換到核心棧，并在其中保存中斷現場。

• 轉到中斷處理程序去運行，并切換到核心態。

如下圖所示：

上圖顯示了棧中中斷現場的結構，（OLD SS:OLD ESP) 描述了用戶棧頂的位置，（OLD CS:OLD EIP) 描述了恢復點的位置。

如何查看當前寄存器的狀態

使用 gdb 調試命令 info registers 即可，如下所示：

也可以單獨查看某一個寄存器：

如何查看當前棧頂的狀態

可以使用命令 x 來查看：

上面顯示了棧頂的 5 個長字，是某異常發生時的中斷現場，其中存儲的用戶棧頂的位置是 0x17:0x2573c ，存儲的恢復點的位置是 0xf:0x7967 。需要注意的是，x86 中棧是從高地址向低地址方向增長的，這里的棧頂位置是 0x1fa0c 。

編程要求

根據相關知識，回答問題：（將答案填寫在/data/workspace/myshixun/第一關.txt中） 1.在函數 main 的語句jiffies = jiffies/0;所對應的匯編指令片段中，有一個 idiv 指令，此指令的地址是多少？ 2.在該 idiv 指令執行之前，當前指令位置（CS:EIP）和棧位置（SS:ESP）分別是多少？ 3.使用 si 命令執行了該指令后，新指令位置和棧位置分別是多少？此時棧中保存的恢復點位置和用戶棧位置分別是多少？

答案