一个操作系统的实现：搭建你的工作环境

  我知道，现在你已经开始摩拳擦掌准备大干一场了，因为你发现，开头并不是那么难的。你可能想到了Linus，或许他在写出第一个引导扇区并调试成功时也是同样的激动不已;你可能在想，有一天，我也要写出一个Linux那样伟大的操作系统!是的，这一切都有可能，因为一切伟大必定是从平凡开始的。我知道此刻你踌躇满志，已经迫不及待要进入操作系统的殿堂。

　　可是先不要着急，古人云：“工欲善其事，必先利其器”，你可能已经发现，如果每次我们编译好的东西都要写到软盘上，再重启计算机，不但费时费力，对自己的爱机简直是一种蹂躏。你一定不会满足于这样的现状，还好，我们有如此多的工具，比如前面提到过的Bochs。

　　在介绍Bochs及其他工具之前，需要说明一点，这些工具并不是不可或缺的，介绍它们仅仅是为读者提供一些可供选择的方法，用以搭建自己的工作环境。但是，这并不代表这一章就不重要，因为得心应手的工具不但可以愉悦身心，并且可以起到让工作事半功倍的功效。

　　下面就从Bochs开始介绍。

　　虚拟计算机Bochs

　　即便没有听说过虚拟计算机，你至少应该听说过磁盘映像。如果经历过DOS时代，你可能就曾经用HD-COPY把一张软盘做成一个.IMG文件，或者把一个.IMG文件恢复成一张软盘。虚拟计算机相当于此概念的外延，它与映像文件的关系就相当于计算机与磁盘。简单来讲，它相当于运行在计算机内的小计算机。

　　1。Bochs初体验

　　我们先来看看Bochs是什么样子的，请看这两个屏幕截图：

    要看清楚哦，你看到的不是显示器，仅仅是窗口而已。如果你是第一次接触“虚拟机”这个东西的话，一定会感到很惊讶，你会惊叹：“啊，像真的一样!”没错，像真的一样，不过窗口的标题栏一行“Bochs x86-64 emulator”明白无误地告诉我们，这仅仅是个“emulator”──模拟器而已。在本书中我们把这种模拟器称为虚拟机，因为这个词使用得更广泛一些。不管是模拟还是虚拟，我们要的就是它，有了它，我们不再需要频繁地重启计算机，即便程序有严重的问题，也丝毫伤害不到你的爱机。更加方便的是，你可以用这个虚拟机来进行操作系统的调试，在它面前，你就好像是上帝，你可以随时让时间停住，然后钻进这台计算机的内部，CPU的寄存器、内存、硬盘，一切的一切都尽收眼底。这正是进行操作系统的开发实验所需要的。

　　好了，既然Bochs这么好，我们就来看看如何安装，以及如何使用。

　　2。Bochs的安装

　　就像大部分软件一样，在不同的操作系统里面安装Bochs的过程是不同的，在Windows中，最方便的方法就是从Bochs的官方网站获取安装程序来安装(安装时不妨将“DLX Linux Demo”选中，这样你可以参考它的配置文件)。在Linux中，不同的发行版(distribution)处理方法可能不同。比如，如果你用的是Debian GNU/Linux或其近亲(比如Ubuntu)，可以使用这样的命令：

　　$ sudo apt-get install vgabios bochs bochs-x bximage

　　敲入这样一行命令，不一会儿就装好了。   很多Linux发行版都有自己的包管理机制，比如上面这行命令就是使用了Debian的包管理命令，不过这样安装虽然省事，但有个缺点不得不说，就是默认安装的Bochs很可能是没有调试功能的，这显然不能满足我们的需要，所以最好的方法还是从源代码安装，源代码同样位于Bochs的官方网站[1]，假设你下载的版本是2.3.5，那么安装过程差不多是这样的：

　　$ tar vxzf bochs-2.3.5.tar.gz

　　$ cd bochs-2.3.5

　　$ ./configure --enable-debugger --enable-disasm

　　$ make

　　$ sudo make install

　　注意“./configure”之后的参数便是打开调试功能的开关。在安装过程中，如果遇到任何困难，不要惊慌，其官方网站上有详细的安装说明。

　　3。Bochs的使用

　　好了，Bochs已经安装完毕，是时候来揭晓第1章的谜底了，下面我们就一步步来说明图1.1的画面是怎样来的。

　　在第1章我们提到过，硬件方面需要的是一台计算机和一张空白软盘，现在计算机有了──就是刚刚安装好的Bochs，那么软盘呢?既然计算机都可以“虚拟”，软盘当然也可以。在刚刚装好的Bochs组件中，就有一个工具叫做bximage，它不但可以生成虚拟软盘，还能生成虚拟硬盘，我们也称它们为磁盘映像。创建一个软盘映像的过程如下所示：
　

　　凡是有↩记号的地方，都是bximage提示输入的地方，如果你想使用默认值，直接按回车键就可以。在这里我们只有一个地方没有使用默认值，就是被问到创建硬盘还是软盘映像的时候，我们输入了“fd”。[!--empirenews.page--]副标题[/!--empirenews.page--] 完成这一步骤之后，当前目录下就多了一个a.img，这便是我们的软盘映像了。所谓映像者，你可以理解为原始设备的逐字节复制，也就是说，软盘的第$M$个字节对应映像文件的第M个字节。

　　现在我们已经有了“计算机”，也有了“软盘”，是时候将引导扇区写进软盘了。我们使用dd命令[2]：

　　$ dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc

　　注意这里多用了一个参数“conv=notrunc”，如果不用它的话软盘映像文件a.img会被截断(truncated)，因为boot.bin比a.img要小。第1章中我们使用这个命令时不需要此参数，因为真实的软盘不可能被“截断”──真的和假的总是会有一点区别。

　　现在一切准备就绪，该打开电源启动了。可电源在哪儿呢?不要慌，我们还剩一样重要的东西没有介绍，那就是Bochs的配置文件。为什么要有配置文件呢?因为你需要告诉Bochs，你希望你的虚拟机是什么样子的。比如，内存多大啊、硬盘映像和软盘映像都是哪些文件啊等内容。不用怕，这配置文件也没什么难的，下面的代码就是一个Linux下的典型例子。

    可以看到，这个配置文件本来就不长，除去注释之后内容就更少了，而且很容易理解，字面上稍微不容易理解的只有romimage和vgaromimage[3]，它们指定的文件对应的其实就是真实机器的BIOS和VGA BIOS，读者自己操作的时候要确保它们的路径是正确的，不然过一会儿虚拟机启动时可能会被提示“couldn't open ROM image file”。读者还要注意floppya一项，它指定我们使用哪个文件作为软盘映像。  如果你在Windows下的话，romimage和vgaromimage两项指定的文件应该是安装目录下的BIOS-bochs-latest和VGABIOS-lgpl-latest。当然，最保险的方法是参考安装程序自带的DLX linux的配置文件，将其稍作修改即可。

　　好了，现在一切准备就绪，是时候启动了，输入命令：

　　$ bochs -f bochsrc

　　一个回车[4]，你想要的画面就呈现在眼前了。是不是很有趣呢?

　　顺便告诉你个窍门，如果你输入一个不带任何参数的Bochs并执行之，那么Bochs将在当前目录顺序寻找以下文件作为默认配置文件：

　　· .bochsrc

　　· bochsrc

　　· bochsrc.txt

　　· bochsrc.bxrc (仅对Windows有效)

　　所以刚才我们的“-f bochsrc”参数其实是可以省略的。读者在给配置文件命名时不妨从这些文件里选一个，这样可以省去许多输入命令的时间。

　　此外，Bochs的配置文件还有许多其他选项，读者如果想详细了解的话，可以到其主页上看一看。由于本书中所用到的选项有限，在此不一一介绍。

　　4。用Bochs调试操作系统

　　如果单是需要一个虚拟机的话，你有许许多多的选择，本书下文也会对其他虚拟机有所介绍，之所以Bochs称为我们的首选，最重要的还在于它的调试功能。

　　假设你正在运行一个有调试功能的Bochs，那么启动后，你会看到控制台出现若干选项，默认选项为“6. Begin simulation”，所以直接按回车键，Bochs就启动了，不过既然是可调试的，Bochs并没有急于让虚拟机进入运转状态，而是继续出现一个提示符，等待你的输入，这时，你就可以尽情操纵你的虚拟机了。

　　还是以我们那个最轻巧的引导扇区为例，假如你想让它一步步地执行，可以先在07c00h处设一个断点──引导扇区就是从这里开始执行的，所以这里就是我们的入口地址──然后单步执行，就好像所有其他调试工具一样。在任何时刻，你都可以查看CPU寄存器，或者查看某个内存地址处的内容。下面我就来模拟一下这个过程：用Bochs调试操作系统.pdf

　　以上带有?符号并以加粗字体显示的是输入，其他均为Bochs的输出。如果你用过GDB，你会觉得这个过程很亲切。没错，它跟用GDB调试程序的感觉是很相似的，最大的区别可能就在于在Bochs的调试模式下我们需要跟CPU、内存、机器指令等内容打更多交道。

　　在上面的演示过程中，最开始的“b 0x7c00”在0x7c00处设置了断点，随后的命令“c”让代码继续执行，一直到我们设置的断点处停止，然后演示的是用“dump_cpu”指令查看CPU寄存器以及用“x”指令查看内存。随后用一个“n”指令让代码向下走了一步，“trace-reg on”的功能是让Bochs每走一步都显示主要寄存器的值。之所以选择演示这些命令，因为它们基本是调试过程中最常用到的。

  如果你在调试过程中忘记了指令的用法，或者根本就忘记了该使用什么指令，可以随时使用help命令，所有命令的列表就呈现在眼前了。你将会发现Bochs的调试命令并不多，不需要多久就可以悉数掌握。Table1列出了常用的指令以及其典型用法。

    其中“xp /40bx 0x9013e”这样的格式可能显得有点复杂，读者可以用“help x”这一指令在Bochs中亲自看一下它代表的意义。

　　好了，虽然你可能还无法熟练运用Bochs进行调试，但至少你应该知道，即便你的操作系统出现了问题也并不可怕，有强大的工具可以帮助你进行调试。由于Bochs是开放源代码的，如果你愿意，你甚至可以通过读Bochs的源代码来间接了解计算机的运行过程──因为Bochs就是一台计算机。