使用Bochs学习硬件原理
什么是Bochs？
简单地说，Bochs是一款仿真软件，可以用软件的方式模拟硬件的工作。同类软件有Qemu，仿真软件与虚拟机(hypervisor)还不完全相同，仿真软件是完全软件模拟硬件，而虚拟机软件(比如Vmware, VirtualBox)是利用主机的硬件进行工作。
Bochs的主页地址：http://bochs.sourceforge.net/
Bochs软件的下载地址：http://sourceforge.net/projects/bochs/files/bochs/
Bochs的使用
Bochs的使用依赖配置文件，通过配置文件指定不同的硬件，以及指定存储介质的映像文件(BIOS的ROM文件、磁盘文件等)。
在Windows环境下安装过Bochs后，在配置文件上右键菜单会出现Run, Debug的菜单选项，从而启动运行或者调试。
Bochs调试器
Bochs的调试器命令与gdb命令十分相似，但是更加强大。简单介绍几条命令的使用：
1: #流程控制
2: c #continue, 继续执行
3: s [count] #step, 单步执行count次
4: #断点
5: vb seg:off #设置逻辑地址断点
6: lb addr #设置物理地址断点
7: info break #查看断点
8: d n #删除断点
9: #查看内存
10: x/n[bhwg][xduotc] #查看内存
11: [bhwg] #显示单元大小，分别代表byte, half, word, giant word
12: [xduotc] #显示格式，分别代表hex, dec, unsigned, octal, binary, char
13: #查看寄存器
14: r #查看基本寄存器
15: sreg #查看段寄存器
更多的命令，请输入help查看。
在Windows环境下编译Bochs源代码
首先说一下编译源码的动机，当我们安装了Bochs之后就已经可以使用它来运行或者调试一个被仿真的系统了。 这种调试类似于gdb，调试目标是运行在Bochs之上的系统。
然而，我们知道，既然Bochs是一个开源的项目，以通过软件的方式仿真了硬件系统，那么我们就可以通过查看Bochs的源码来学习相关的硬件知识(比如Intel体系结构，BIOS，DMA等)了。
从上面的下载地址下载一份源代码，解压后，能看到vs2008/bochs.sln文件，从而打开Visual Studio项目进行编译。
默认配置选项中没有包含对bochsdbg的支持，因此我们需要重新运行configure程序，悲剧的是configure是Linux下面的程序，我们可以通过以下方式来达到同样的目的：
- 1. 安装mingw，以及msys，将msys/bin目录添加到系统PATH环境变量中；
- 2. 修改源码目录下的.conf.win32_vcpp文件，添加
1: --enable-debugger --enable-disasm - 3. 打开Visual Studio的Prompt命令行，cd到源码目录下，运行
1: bash.exe .conf.win32_vcpp
完成以上步骤之后，就可以编译出具有debug功能的Bochs可执行程序了。
Bochs是怎样处理调试命令的？
我们可以在位置上设置断点：
1: void bx_dbg_user_input_loop(void) /*dbg_main.cc*/
然后在调试窗口中输入命令
1: r
程序会在这两个断点处中断，这个bx_dbg_user_input_loop函数就是不断接收调试命令的循环体，它会把接收到的调试命令经过lex&yacc框架进行解析，然后调用到相应的handler来处理调试请求。
这些handler都在debug.h文件中进行声明，比如处理r命令的handler定义为
1: void bx_dbg_info_registers_command(int);
在该函数的定义处设置断点，我们就能够了解到Bochs是怎样处理r这样的调试请求的。
通过跟踪几个调试命令的实现，我们发现了三个重要的全局变量：
1: BOCHSAPI BX_CPU_C bx_cpu;
2: BOCHSAPI BX_MEM_C bx_mem;
3: bx_devices_c bx_devices;
分别保存着用来描述CPU、内存和外部设备的数据结构。
指令IN和OUT是如何处理的？
由于我们希望通过Bochs来学习硬件相关的内容，所以会对IN和OUT这两条指令很感兴趣，因为CPU就是通过这两条指令与外部设备之间进行协调工作的。
我们通过尝试，找到了下面这个函数
1: /*
2: * Write a byte of data to the IO memory address space.
3: */
4:
5: void BX_CPP_AttrRegparmN(3)
6: bx_devices_c::outp(Bit16u addr, Bit32u value, unsigned io_len)
bx_devices会在内部维护一个外设端口对应的读和写的handler的数组
1: struct io_handler_struct **read_port_to_handler;
2: struct io_handler_struct **write_port_to_handler;
这是两个二维指针数组，用端口号作为下标可以找到某个端口对应的读写处理函数，默认会把每个handler都设置成io_write_handlers
1: /* set handlers to the default one */
2: for (i=0; i < PORTS; i++) {
3: read_port_to_handler[i] = &io_read_handlers;
4: write_port_to_handler[i] = &io_write_handlers;
5: }
通过查找函数
1: #define DEV_register_ioread_handler(b,c,d,e,f) bx_devices.register_io_read_handler(b,c,d,e,f)
2: #define DEV_register_iowrite_handler(b,c,d,e,f) bx_devices.register_io_write_handler(b,c,d,e,f)
我们可以找到哪些设备支持了自己的IO读写功能，以及其对应的handler。
以DMA为例，我们可以找到如下的注册handler代码
1: // 0000..000F
2: for (i=0x0000; i<=0x000F; i++) {
3: DEV_register_ioread_handler(this, read_handler, i, "DMA controller", 1);
4: DEV_register_iowrite_handler(this, write_handler, i, "DMA controller", 3);
5: }
6:
7: // 00080..008F
8: for (i=0x0080; i<=0x008F; i++) {
9: DEV_register_ioread_handler(this, read_handler, i, "DMA controller", 1);
10: DEV_register_iowrite_handler(this, write_handler, i, "DMA controller", 3);
11: }
12:
13: // 000C0..00DE
14: for (i=0x00C0; i<=0x00DE; i+=2) {
15: DEV_register_ioread_handler(this, read_handler, i, "DMA controller", 1);
16: DEV_register_iowrite_handler(this, write_handler, i, "DMA controller", 3);
17: }
只要在DMA模块的read_handler和write_handler处理设置断点，我们就可以动态地调试DMA的处理逻辑了。
经过了以上的准备工作之后，我们就可以开始调试一个具体的系统了。我是以DLX为目标进行调试的，在调试过程中，我们可以一步一步地了解到从计算机加电后执行BIOS开机自检程序，到加载MBR，通过LILO一步一步地把Linux操作系统启动起来的全过程，一个奇妙的旅程即将开始！
有人已经这样做了，并且根据Bochs的代码，出了一本书：http://www.mouseos.com/books/x86-64/index.html
