bochs模拟器中文文档

一、前言：

相信很多人都有使用模拟器的需求，因为并不是所有的场景都能用虚拟机代劳，如果你需要对程序精心的调试，实时查看内存与寄存器信息、研究指令集的工作原理，那么模拟器就是一种非常重要的工具。常见的模拟器有很多，最出名的就是Qemu,它既可以作为模拟器又可以作为虚拟机使用，并且对大多数CPU指令集架构提供支持，且有多种工作模式，支持kvm加速、gdb调试等等功能，可以说对于操作系统内核开发、嵌入式开发、指令集设计等都有着非常重要的作用。但是我今天不讲Qemu而是另一个开源的x86模拟器 --- bochs（读音同:box  [bɒks]）.对于内核开发者来说，这也是一个非常重要的工具，它可以提供比Qemu+gdb更加精细、精准的调试，可以查看更多的信息，对于内核开发初学者来说是一个强悍的工具，更重要的是它是开源的，并且现在还在更新。

bochs当前信息

bochs官网

bochs官方文档

bochs下载地址

bochs百度百科

bochs作为一个开源工具，它本身是可以使用GNU/linux自带的包管理器安装的，但直接使用包管理器安装的bochs并不具备调试功能，如果想使用bochs来调试自己的内核，请务必下载它的源代码并自己配置和编译。

至于为什么我会想起来写bochs的文档，那正是因为bochs在今年(2024)三月份发布了其最新版本bochs-2.8，我就想开源开发者这么努力、坚持不懈做出更好、更先进、支持更多CPU和指令集的模拟器，那么我是不是也该为社区做一点什么呢？bochs的英文文档可以说是已经非常详细了，但是它的中文文档好像就比较少，只有一些自己配置bochs的资料，对于全面使用bochs模拟器来调试内核来说还是不太够用，那么希望大家看了这篇文章就可以配置出适合自己的bochs模拟器，并用它来调试和学习x86架构和操作系统内核。

最新版新增了几块现代CPU,有了这些新CPU,就可以在模拟器里为自己的内核开发出更多的基础功能，大家不要着急，我会在后面的章节告诉大家怎么把这些CPU给使用起来，让自己的操作系统内核跑在如图所示的先进的CPU上面。祝大家内核学习顺利吧。

二、Bochs简介

1、什么是Bochs

        Bochs是一个完整模拟Intel x86指令集的计算机程序。它包括对Intel x86CPU、常见IO设备和自定义BIOS的仿真，除了IntelCPU之外还有AMD处理器的支持。Bochs拥有标准PC外设的设备模型：鼠标、键盘、VGA卡/显示器、磁盘、定时器芯片、网卡等。

Bochs最早由Kevin Lawton大佬于1994年开始编写，2000年3月，Bochs以LGPL协议开源出来。

它一开始使用svn集中式版本管理工具，现在已经改成了Git分布式版本管理来管理项目。

  LGPL协议：This library is free software; you can redistribute it and/ormodify it under the terms of the GNU Lesser General PublicLicense as published by the Free Software Foundation; eitherversion 2 of the License, or (at your option) any later version.This library is distributed in the hope that it will be useful,but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty ofMERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNULesser General Public License for more details.You should have received a copy of the GNU Lesser General PublicLicense along with this library; if not, write to the Free SoftwareFoundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301 USA

2、Bochs能在哪些机器上运行

        Bochs使用C++编程语言编写，由于C++具有跨平台性，因此Bochs可以在x86,PPC,Alpha,Sun,MIPS等指令集的CPU上面运行。Bochs是一个单纯的模拟器、它不是虚拟机，它的指令集的实现并不依赖于宿主机本身拥有的指令集，也就是不使用VMX等虚拟化指令集的支持。Bochs支持x86的高度仿真，也就是可以把它当成一台物理机器，拥有自己的BIOS。

bochs实际上提供了源码包、exe文件和rpm包，其中最重要的就是源代码。有了源代码，Bochs可以拿来跑在很多机器上，只是可能需要自己去编译和构建。

3、Bochs模拟器适合哪些人使用

  实际上Bochs完全可以拿来当成一个“虚拟机”，比如在没有Windows生态的机器上跑Windows操作系统。不过我是站在内核开发者的角度来看，更多把Bochs作为一个能够模拟真实PC环境的仿真工具。实际上Bochs在为indows、Linux、MacOS都可以跑，由于我没有其中一些设备，因此我就在GNU/Linux上面使用Bochs作为例子。

三、准备使用Bochs

1、下载Bochs的源代码        

  Bochs模拟器有很多版本，从最开始的1.0版本到现在最新的2.8版本，大家需要选择一个合适的版本，不同版本有不同的特点，使用的配置文件的语法也不尽相同，如果大家知道自己需要哪一个版本就最好，如果大家不知道该选择哪一个版本那么我推荐大家使用Bochs-2.8也就是最新的版本，我也是按照这个版本的文档写成的中文文档。

点进Bochs2.8这个目录，可以看到提供了很多不同的包，那么我们这里选择下载源码包，名称中带有src的就是源码包。.zip源码包带有msvc字样，应该是给Windows用的。我主要在Linux上写内核，因此会选择bochs-2.8.tar.gz.

2、解压并观察源代码

tar -xvf bochs-2.8.tar.gz

解压后会在tar包所在目录产生一个新目录bochs-2.8

我们不要急着就开始配置和编译，而是要先观察。

文件/目录作用
configure非常重要的shell脚本，配置的时候执行它
Makefile.in根据configure脚本的配置 生成最终的Makefile文件
install-sh用于在安装过程中复制文件
main.ccBochs的主程序入口点
bios目录包含Bochs使用的BIOS文件
gui目录Bochs支持图形界面调试(不过我更喜欢字符界面调试)

我们在最终执行make install之前实际上要稍微修改一些文件才能编译通过，否则可能会出现错误，因此需要简单了解一下目录里面的构成。

3、配置Bochs

  这一步可以说是最重要的，我们怎么配置Bochs,那么最终构建出来的Bochs就会具有什么样的能力；或者说关闭一些配置，那么Bochs就会失去什么样的能力。
我们在执行make install 之前执行./configure，但不是直接这么执行就好，而是要自己配置。

比如./configure --with-x11 ....等一系列配置

平台相关的配置

PlatformGUI说明
Win32/MinGW--with-win32Windows平台带上这个参数
MacOS/Darwin--with-carbonMac平台带上这个参数
MacOS9--with-macos这应该比较老了
AmigaOS--with-amigaos我不了解这个系统
带有x显示服务器的Linux--with-x11Linux上用这个参数

虽然说是需要带有x显示服务器的Linux用--with-x11，但实际上只要是Linux就用这个参数就好了，Bochs是可以跑在Xwayland上面的。

Bochs使用的图形库

由于Bochs是跑在操作系统上的，因此需要调用图形库才能使用。

显示库选项作用
--with-x11Linux上用这个
--with-win32Win32原生GUI
--with-carbon使用Carbon GUI
--with-sdl启用对SDL 1.2.x GUI接口的支持
--with-sdl2启用对SDL 2.x GUI接口的支持
--with-term需要curses库
--with-wx启用对wxWidgets配置和显示接口的支持
--with-nogui你不关心视频输出/单纯调试
--with-all-libs自动检测系统上安装的库(我没试过)

我启动了三个选项

--with-x11 --with-wx --with-sdl2
大家可以参考我的做法

Bochs通用配置

这会是一个大的表格，如果大家没有耐心看了，那么可以直接参考我的做法

通用选项默认情况说明

--enable-plugins

关启用插件支持

--enable-debugger

关Bochs内置调试器，默认关闭因此使用包管理器安装的Bochs不带调试功能

--enable-debugger-gui

开(如果debugger开)有图形界面的调试器

--enable-readline

-提供命令行编辑和历史记录功能

--enable-gdb-stub

关使用gdb调试,它与--enable-debugger不兼容，并且gdb调试和smp也不兼容

--enable-docbook

-如果系统安装了docbook2html则默认开启

--enable-instrumentation=directory

关仪器支持

--enable-xpm

开XMP

--enable-show-ips

开启用测量IPS（每秒指令数）的日志记录功能

--enable-logging

开运行时记录日志

--enable-cpp

关将所有.cc文件重命名为.cpp

--enable-idle-hack

关保持Bochs响应性(Bochs不占用过量的系统资源)

--enable-assert-checks

-BX_ASSERT事件在断言失败时会导致panic

我的做法：除了--enable-docbook,全开

CPU与内存配置

配置参数默认情况说明

--enable-cpu-level={3,4,5,6}

6386/486/586/686及以上（你选6就好）

--enable-smp

关对称多处理器支持

--enable-fpu

开浮点运算单元

--enable-3dnow

关AMD的指令集

--enable-vmx

关支持Intel虚拟化扩展（VMX）

--enable-svm

关支持AMD SVM（安全虚拟机）扩展模拟

--enable-avx

关支持AVX指令集

--enable-x86-debugger

关支持x86调试器

--enable-monitor-mwait

关支持MONITOR/MWAIT指令

--enable-alignment-check

-如果CPU级别大于4则开启(支持CPU中的对齐检查和#AC异常)

--enable-configurable-msrs

关支持用户配置模拟的MSR

--enable-long-phy-address

关支持大于32位的客户物理地址

--enable-a20-pin

开支持A20引脚

--enable-large-ramfile

开支持大于主机支持的客户内存

--enable-repeat-speedups

关启用对重复I/O和内存复制加速的支持

--enable-fast-function-calls

关启用对快速函数调用的支持

--enable-handlers-chaining

关启用对处理程序链优化的支持

--enable-all-optimizations

关开启所有开发者认为安全使用的速度优化选项：--enable-repeat-speedups、--enable-fast-function-calls、--enable-handlers-chaining

我的做法：全部打开

对设备的模拟支持

配置选项默认情况说明

--enable-cdrom

开启用对真实CD-ROM/DVD驱动器的使用

--enable-sb16

关启用Sound Blaster模拟,可用的低级声音接口会自动检测。

--enable-es1370

关启用ES1370声音模拟

--enable-gameport

关启用标准PC游戏端口

--enable-ne2000

关启用NE2000网络卡支持

--enable-pnic

关启用PCI伪NIC（网络卡）支持

--enable-e1000

关启用Intel(R) 82540EM千兆以太网适配器支持

--enable-clgd54xx

关启用Cirrus Logic GD54xx（CL-GD5430 ISA或CL-GD5446 PCI）视频卡支持

--enable-voodoo

关启用实验性的3dfx Voodoo Graphics模拟。Voodoo1已知可以工作，Voodoo2支持尚未完成，但几乎可用

--enable-iodebug

跟随debuggerDave Poirier编写了一个使用I/O端口的实验性调试器接口，使得在客户操作系统中运行的软件可以访问调试器的功能

--enable-pci

开启用有限的i440FX / i430FX / i440BX PCI支持

--enable-pcidev

关启用PCI主机设备映射支持

--enable-usb

关启用i440FX / i440BX PCI USB支持（UHCI）

--enable-usb-ohci

关启用USB OHCI支持,提供带有2端口根集线器的主控制器

--enable-usb-ehci

关启用USB EHCI支持,提供带有6端口根集线器的主控制器

--enable-usb-xhci

关启用USB xHCI支持,提供带有4端口根集线器的主控制器

--enable-raw-serial

关启用对串行端口模拟的支持，以访问宿主的串行端口

我的做法：--enable-voodoo --enable-iodebug可以打开

其他配置你可以根据自己的情况自行配置，比如你想写USB驱动，那么就可以打开--enable-usb等

总结configure

相比大家对官方文档里的这些配置参数有了一定的了解，可以看到，参数真的非常的多，如果大家不知道哪些是自己必备的，那么你可以尽可能多的选择一些参数，编译出来你不使用也是可以的。但是如果你参数加少了，那么你就得重新编译了，这样得不偿失。

这里我提供我自己的configre

./configure --with-x11 --with-wx --with-sdl2 --enable-plugins --enable-debugger --enable-debugger-gui --enable-readline --enable-xpm --enable-show-ips --enable-logging --enable-assert-checks --enable-cpp --enable-idle-hack --enable-cpu-level=6 --enable-smp --enable-fpu --enable-3dnow --enable-x86-64 --enable-vmx --enable-svm --enable-avx --enable-x86-debugger --enable-monitor-mwait --enable-alignment-check --enable-configurable-msrs --enable-long-phy-address --enable-a20-pin --enable-large-ramfile --enable-repeat-speedups --enable-fast-function-calls --enable-handlers-chaining --enable-all-optimizations --enable-cdrom --enable-sb16 --enable-es1370 --enable-gameport --enable-ne2000 --enable-pnic --enable-e1000 --enable-clgd54xx --enable-voodoo --enable-iodebug --enable-pci --enable-pcidev --enable-usb --enable-usb-ohci --enable-usb-ehci --enable-usb-xhci --enable-raw-serial --enable-vmx=2  --prefix=/home/april_zhao/bochs

大家可以看到我还添加了一个参数--prefix=directory

这里最重要的一点我在前面的表格里已经提到了：--enable-gdb-stub这个参数和--enable-debugger是不能共存的，也就是你要么使用bochs自带的调试工具，要么使用gdb远程调试，不可兼得。并且gdb调试是不能够开启smp的，也就是--enable-gdb-stub和--enable-smp不能共存。

因此我在这里推荐，尽量使用bochs自带的调试工具吧，除非你的内核不需要开启smp或者你不需要多核处理器的支持。

这个参数就是给Bochs安一个家，否则会放置到默认的FHS位置，由于我在调试内核的时候可能会使用不同版本和编译参数的Bochs,因此我不会去使用系统全局的Bochs而是我项目本地的Bochs,因此放置到一个我自己创建的目录里。

做好这一些配置之后，大家千万不要忙着直接就make install，因为这么多很有可能会出错的。

make前的准备

cp misc/bximage.cpp misc/bximage.cc
cp iodev/hdimage/hdimage.cpp iodev/hdimage/hdimage.cc
cp iodev/hdimage/vmware3.cpp iodev/hdimage/vmware3.cc
cp iodev/hdimage/vmware4.cpp iodev/hdimage/vmware4.cc
cp iodev/hdimage/vpc.cpp iodev/hdimage/vpc.cc
cp iodev/hdimage/vbox.cpp iodev/hdimage/vbox.cc
cp misc/bxhub.cpp misc/bxhub.cc
cp iodev/network/netutil.cpp iodev/network/netutil.cc

在我的配置中，我就需要做一些cp操作，修改一些c++程序的文件名，否则会导致报错，大家可以跟着这么做，然后再执行make install ，假如这么做了之后还是报错了，那么大家有可能需要更多的cp操作，同样是把.cpp文件替换成.cc文件就好。在编译过程中还会出现各种各样的错误，它们很有可能是因为你的系统缺少了某些库或者包，这就需要大家根据报错日志自行安装这些缺少的库，使用包管理器安装就好了。安装好之后再执行make install，如果还是提示同样的错误，那么你可以重新执行./configure然后再make install.

make install执行成功之后，在你的--prefix指定的目录里会出现三个新目录:bin lib share

bin目录最关键，它里面保存了几个重要二进制命令：bochs(模拟器本身)、bxhub（虚拟网络环境）、bximage（创建虚拟磁盘）。

Bochs配置文件：

你是否以为文章快结束了？不，这仅仅只是个开始。

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