BochsXPC模擬器原理與啟動流程分析熊海泉

1、BochsXPC模擬器原理與啟動流程分析熊海泉Bochs-X-PC模擬器原理與啟動流程分析熊海泉2022-2-223典型典型PC系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成PC系統(tǒng)及X86模擬器2022-2-224常見常見X86模擬器模擬器 比較典型的比較典型的X86模擬器模擬器 Bochs PTLsim COTson Qemu PC系統(tǒng)及X86模擬器Bochs模擬器模擬器 Bochs是一個(gè)是一個(gè)X86 PC的模擬器，它可以模擬幾乎所有類的模擬器，它可以模擬幾乎所有類型的型的X86 CPU，包括，包括16位，位，32位和位和64位位(X86_64)，內(nèi)，內(nèi)存以及存以及I/O設(shè)備，在其上可以運(yùn)行設(shè)備，在其上可以運(yùn)行Linu

2、x，Windows等等操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)。 其中模擬的其中模擬的X86_64的工作方式包括以下兩類：的工作方式包括以下兩類： IA-32模式：包括實(shí)模式，保護(hù)模式和虛擬模式：包括實(shí)模式，保護(hù)模式和虛擬8086模式三模式三個(gè)子模式個(gè)子模式 IA-32e模式：包括長模式和兼容模式模式：包括長模式和兼容模式5PC系統(tǒng)及X86模擬器Bochs模擬器基本構(gòu)成模擬器基本構(gòu)成6PC系統(tǒng)及X86模擬器模擬主控模塊模擬主控模塊為用戶提供交互的系統(tǒng)配置信息更改以及控制Bochs模擬器的運(yùn)行根據(jù)用戶的配置信息在模擬主控對象中建立配置信息參數(shù)樹并初始化，為Bochs系統(tǒng)硬件的初始化提供輸入啟動Bochs模擬器并進(jìn)入客

3、戶操作系統(tǒng)的引導(dǎo)將宿主機(jī)的外部事件如，鍵盤鍵擊，鼠標(biāo)移動等通過信號量機(jī)制從而觸發(fā)Bochs模擬器相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)(理解不一定正確)7模擬主控模塊2022-2-228系統(tǒng)板主要功能系統(tǒng)板主要功能為系統(tǒng)外設(shè)，系統(tǒng)板等模塊提供工作時(shí)鐘，從而驅(qū)動各功能模塊的正常工作負(fù)責(zé)為外設(shè)向CPU模塊觸發(fā)中斷控制信號，總線請求信號等功能負(fù)責(zé)提供CPU系統(tǒng)復(fù)位，外設(shè)復(fù)位以及A20地址線開啟與關(guān)閉，I/O端口讀寫的相關(guān)功能系統(tǒng)板的模擬2022-2-229系統(tǒng)板的實(shí)現(xiàn)模型系統(tǒng)板的實(shí)現(xiàn)模型64個(gè)定時(shí)器資源定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的控制字段，其中currCountdown為0時(shí)將觸發(fā)CountdownEvent時(shí)間，從而執(zhí)行某一個(gè)定時(shí)器函

4、數(shù)，這個(gè)函數(shù)通常是I/O設(shè)備注冊的回調(diào)函數(shù)系統(tǒng)板定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)來源I/O設(shè)備初始化時(shí)注冊的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)一些系統(tǒng)控制功能的字段，如HRQ代表示否向CPU發(fā)出總線請求等系統(tǒng)板的模擬系統(tǒng)板與系統(tǒng)板與CPU及及I/O模塊的相互關(guān)系模塊的相互關(guān)系set_HRQ (用于DMA向系統(tǒng)發(fā)出總線請求) set_INTR (調(diào)用CPU的set_INTR ) MemoryMappingChanged（TLB刷新）invlpg（清除頁表）Reset（CPU復(fù)位)在CPU每次指令執(zhí)行循環(huán)cpu_loop中通過調(diào)用調(diào)用系統(tǒng)板的tick來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)板上各個(gè)定時(shí)器系統(tǒng)復(fù)位Reset或CPU的中斷響應(yīng)IAC向系統(tǒng)板注冊工

5、作驅(qū)動的定時(shí)器及中斷10系統(tǒng)板的模擬2022-2-2211系統(tǒng)板初始化系統(tǒng)板初始化此時(shí)可以建立的概念就是，系統(tǒng)板的定時(shí)器資源已經(jīng)生成，可以供I/O設(shè)備注冊使用，同時(shí)I/O設(shè)備通過系統(tǒng)板向CPU發(fā)送系統(tǒng)控制信號的功能已經(jīng)準(zhǔn)備就緒系統(tǒng)板的模擬內(nèi)存模塊的基本功能內(nèi)存模塊的基本功能根據(jù)系統(tǒng)配置，一次性的向宿主機(jī)分配一片存儲空間(應(yīng)該不是物理內(nèi)存)，建立一套與實(shí)際機(jī)器類似的內(nèi)存空間映像在X86中，有些I/O設(shè)備可能以內(nèi)存映射的方式存取而不是通過傳統(tǒng)的in或out指令實(shí)現(xiàn)，如果有這需求，相應(yīng)的I/O設(shè)備必須向內(nèi)存模塊注冊I/O讀寫程序，這樣當(dāng)使用readPhysicalPage等接口時(shí)會判斷是否是I/O設(shè)

6、備空間而進(jìn)行不同的存取操作內(nèi)存的一個(gè)主要功能就是向CPU提供存取指令和數(shù)據(jù)，以便CPU能夠不停的取指，執(zhí)行及回寫，實(shí)現(xiàn)各種指令的功能在Bochs硬件初始化時(shí)向Bochs模擬的內(nèi)存空間的ROM地址空間加載可運(yùn)行的BIOS二進(jìn)制程序，以為后序Bochs復(fù)位運(yùn)行作準(zhǔn)備12內(nèi)存模塊的模擬內(nèi)存模塊的實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)存模塊的實(shí)現(xiàn)模型2022-2-22132，記載目前系統(tǒng)內(nèi)存使用情況的一些字段，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分配管理3，實(shí)現(xiàn)I/O內(nèi)存映射的注冊管理服務(wù)，其中包含了地址信息，當(dāng)系統(tǒng)通過readPhyicalPagewritePhysicalPage等存取函數(shù)時(shí)會判斷是否是一個(gè)I/O內(nèi)存映射，如果是則執(zhí)行I/O內(nèi)存映

7、射處理函數(shù)1，初始化時(shí)，根據(jù).bochsrc配置文件中的(memory guest=512 host=256 )從宿主機(jī)中預(yù)先分配好Bochs模擬器所需的內(nèi)存，并用vector,rom等保存相應(yīng)的起始地址4，內(nèi)存模塊為CPU提供了存取指令數(shù)據(jù)以及為I/O提供了內(nèi)存映射服務(wù)內(nèi)存模塊的模擬內(nèi)存模塊與內(nèi)存模塊與CPU及及I/O交互關(guān)系交互關(guān)系 為為CPU模塊提供的服務(wù)模塊提供的服務(wù) 數(shù)據(jù)和指令的存取數(shù)據(jù)和指令的存取 MMU地址變換地址變換 為為I/O提供的服務(wù)提供的服務(wù) I/O內(nèi)存映射讀寫處理注冊內(nèi)存映射讀寫處理注冊管理管理 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)I/O內(nèi)存映射的存取內(nèi)存映射的存取14內(nèi)存模塊的模擬內(nèi)存模塊的初始

8、化內(nèi)存模塊的初始化2022-2-2215為Bochs模擬器準(zhǔn)備好了內(nèi)存空間，可以為CPU提供存取指令數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)也為需要實(shí)現(xiàn)I/O內(nèi)存映射的設(shè)備準(zhǔn)備好了注冊使用功能內(nèi)存模塊的模擬CPU模塊的主要功能模塊的主要功能根據(jù)X86指令的邏輯功能分別實(shí)現(xiàn)各類X86指令，大部分指令按其功能分別用不同的源代碼文件實(shí)現(xiàn)通過prefetch，fetchDecode以及具體指令處理函數(shù)及異常處理等實(shí)現(xiàn)Bochs指令執(zhí)行循環(huán)邏輯為CPU指令的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)和指令地址的變換，安全保護(hù)等功能，最終實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存模塊的存取，具體主要通過translate_linear，access_linear，dtranslate_lin

9、ear，itranslate_linear主要包括系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)初始化等功能實(shí)現(xiàn)X86系統(tǒng)的各類系統(tǒng)寄存器和通用寄存器以及其狀態(tài)的變換邏輯在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)全局標(biāo)志信息表示異步中斷異常是否有發(fā)生，相應(yīng)的異常請發(fā)生只要將其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可16CPU的模擬X86架構(gòu)架構(gòu)CPU的模擬的模擬-實(shí)現(xiàn)邏輯結(jié)實(shí)現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)CPU的核心邏輯就是指令執(zhí)行循環(huán)17CPU的模擬CPU指令循環(huán)指令循環(huán)檢測系統(tǒng)是否有異常、中斷等事件發(fā)生，這種事件的來源有APIC，INIT，SMI，INTR，reset，bx_stop_simulation，系統(tǒng)板DMA總線請求以及某些產(chǎn)生異常的指令根據(jù)邏輯地址獲取線性地址，再由線性地址變

10、換到物理地址，這樣就準(zhǔn)備好了CPU存取一條指令I(lǐng)P地址指針，可以由CPU通過內(nèi)存模塊獲取指令了根據(jù)上一步獲取的地址開始從內(nèi)存模塊中獲取指令并譯碼填充在待處理的指令變量i中，供下一步調(diào)用對譯碼好的指令進(jìn)行調(diào)研執(zhí)行，完成指令的邏輯功能驅(qū)動系統(tǒng)板中的定時(shí)器，從而為驅(qū)動Bochs其余設(shè)備等模塊工作。18CPU的模擬CPU模塊的初始化模塊的初始化2022-2-2219CPU會在bx_init_hardware中由系統(tǒng)板復(fù)位觸發(fā)CPU的復(fù)位，從而使得CPU中各寄存器回到Intel手冊上關(guān)于處理器初始化的初值，之后系統(tǒng)將會從0XFFFFFFF0處開始執(zhí)行I/O模塊的主要功能模塊的主要功能負(fù)責(zé)Bochs模擬設(shè)

11、備實(shí)例的創(chuàng)建與初始化，到底要?jiǎng)?chuàng)建哪些設(shè)備是根據(jù)模擬主控對象初始化時(shí)收集的系統(tǒng)配置信息決定在X86架構(gòu)中有專門的I/O指令，負(fù)責(zé)對各類設(shè)備寄存器的操作，此功能就是提供I/O地址空間管理的，為不同的端口根據(jù)設(shè)備需要提供不同的讀寫函數(shù)負(fù)責(zé)外部設(shè)備資源的分配管理，供各外設(shè)使用為CPU I/O指令提供的具體實(shí)現(xiàn)各類具體外設(shè)的功能的邏輯模擬，一般包括初始化，復(fù)位，以及設(shè)備專用功能的模擬Bochs I/O模塊的實(shí)現(xiàn)模型模塊的實(shí)現(xiàn)模型作為與其它Bochs模塊如CPU，系統(tǒng)板的接口，通過它可以找到所有Bochs的設(shè)備，此外也在其中集中實(shí)現(xiàn)了I/O地址空間的管理具體設(shè)備的模擬實(shí)現(xiàn)，根據(jù)各設(shè)備功能，為每一個(gè)設(shè)備單獨(dú)

12、構(gòu)建一個(gè)C+類來實(shí)現(xiàn)21I/O模塊的模擬Bochs模擬器設(shè)備基本結(jié)構(gòu)模擬器設(shè)備基本結(jié)構(gòu)向設(shè)備集注冊I/O地址空間、中斷以及向系統(tǒng)板注冊定時(shí)器資源將設(shè)備復(fù)位至到其初始化的狀態(tài)為CPU執(zhí)行I/O指令時(shí)提供的具體的設(shè)備讀寫函數(shù)設(shè)備的具體功能函數(shù)服務(wù)接口22I/O模塊的模擬Bochs I/O設(shè)備集設(shè)備集2022-2-2223I/O模塊的模擬I/O地址空間資源，共65536，分讀寫各一個(gè)向量數(shù)組，每個(gè)元素指向相應(yīng)端口號的讀寫處理函數(shù)，各種外設(shè)在初始化時(shí)會在其中注冊它們的端口資源I/O端口資源的處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)外設(shè)對應(yīng)的讀寫處理不一樣，各自具體實(shí)現(xiàn)中斷資源注冊，各外設(shè)如有需求也會在其中申請注冊相應(yīng)的中斷

13、資源根據(jù)系統(tǒng)配置創(chuàng)建的設(shè)備實(shí)例，在設(shè)備集中存儲有這些實(shí)例的指針，以便Bochs其它模塊可以存取某些典型設(shè)備在沒有初始化時(shí)，缺省的設(shè)備實(shí)例提供集中管理各具體設(shè)備的功能，此外還管理I/O地址空間的功能Bochs I/O設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)板的邏輯關(guān)系板的邏輯關(guān)系24I/O模塊的模擬Bochs I/O設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)板的邏輯關(guān)系板的邏輯關(guān)系1，通過調(diào)用設(shè)備集init初始化方法創(chuàng)建系統(tǒng)配置時(shí)的設(shè)備并保存各設(shè)備的指針，以使得Bochs可以通過設(shè)備集訪問到所有I/O設(shè)備initinitinit25I/O模塊的模擬Bochs I/O設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)備集與系統(tǒng)板的

14、邏輯關(guān)系板的邏輯關(guān)系2，設(shè)備集init初始化方法在創(chuàng)建各具體設(shè)備之后，再依次調(diào)用各具體設(shè)備的init方法來向設(shè)備集注冊I/O端口，中斷請求以使得將來CPU存取到對應(yīng)的端口時(shí)能夠找到具體設(shè)備讀寫的處理函數(shù)，此外還可能系統(tǒng)板注冊定時(shí)器資源，作為設(shè)備工作的觸發(fā)機(jī)制，為設(shè)備正常工作做好準(zhǔn)備26I/O模塊的模擬Bochs I/O設(shè)備初始化后狀態(tài)設(shè)備初始化后狀態(tài) 各類在系統(tǒng)啟動時(shí)配置的設(shè)備都已經(jīng)創(chuàng)建好了，并由各各類在系統(tǒng)啟動時(shí)配置的設(shè)備都已經(jīng)創(chuàng)建好了，并由各類具體設(shè)備的類具體設(shè)備的init初始化函數(shù)根據(jù)其各自的功能需求注初始化函數(shù)根據(jù)其各自的功能需求注冊好了冊好了I/O地址空間及定時(shí)器，中斷等資源，從而各

15、個(gè)地址空間及定時(shí)器，中斷等資源，從而各個(gè)設(shè)備都具有驅(qū)動其工作的時(shí)鐘。設(shè)備都具有驅(qū)動其工作的時(shí)鐘。27I/O模塊的模擬Bochs模擬器初始化啟動過程模擬器初始化啟動過程-整整體概括體概括 Bochs的整體流程邏輯上可以分為以下幾個(gè)階段的整體流程邏輯上可以分為以下幾個(gè)階段 主控模擬對象主控模擬對象SIM的創(chuàng)建，根據(jù)系統(tǒng)配置信息生成的創(chuàng)建，根據(jù)系統(tǒng)配置信息生成Bochs模擬器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的硬件配置參數(shù)樹形結(jié)構(gòu)并初始化模擬器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的硬件配置參數(shù)樹形結(jié)構(gòu)并初始化 Bochs X86 PC模擬器模擬器PC系統(tǒng)的生成初始化系統(tǒng)的生成初始化(等效于實(shí)現(xiàn)等效于實(shí)現(xiàn)一臺可以工作的一臺可以工作的PC機(jī)機(jī)) Boc

16、hs X86 PC模擬器系統(tǒng)的開機(jī)與操作系統(tǒng)的啟動模擬器系統(tǒng)的開機(jī)與操作系統(tǒng)的啟動28Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs X86 PC模擬器系統(tǒng)啟動模擬器系統(tǒng)啟動總體流程總體流程注冊Bochs模擬主控對象的配置接口回調(diào)函數(shù)ci_callback至此為止，已經(jīng)完成了系統(tǒng)配置信息的提取并將其存儲在模擬主控對象SIM中，供Bochs模擬器PC系統(tǒng)的構(gòu)建29Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs模擬主控對象的初始化模擬主控對象的初始化2022-2-2230創(chuàng)建模擬主控對象，為構(gòu)建系統(tǒng)配置參數(shù)樹做好準(zhǔn)備Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)配置初始化系統(tǒng)配置初始化2022-2-2231建立

17、bochsrc系統(tǒng)配置文件相對應(yīng)的參數(shù)樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)命令行參數(shù)選項(xiàng)處理作，根據(jù)情況作不同的處理，如顯示幫助等或讀取系統(tǒng)配置文件根據(jù)實(shí)際配置重新設(shè)置模擬主控對象在上面建立的參數(shù)樹，作為后續(xù)硬件的初始化的輸入Bochs模擬器初始化啟動過程由bx_init_options建立的系統(tǒng)配置參數(shù)樹32Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備33Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備2022-2-2234Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)硬件初始化系統(tǒng)硬件初始化35Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)硬件初始化系統(tǒng)硬件初始化2022-

18、2-2236系統(tǒng)板初始化，完成之后可以為設(shè)備等需要的定時(shí)器注冊做好了準(zhǔn)備根據(jù)系統(tǒng)配置文件信息初始化內(nèi)存模塊，之后就準(zhǔn)備好了Bochs所需的內(nèi)存資源及讀寫服務(wù)接口根據(jù)系統(tǒng)配置信息將將BIOS及其它可選的ROM二進(jìn)制程序預(yù)先燒寫進(jìn)入Bochs的內(nèi)存系統(tǒng)中，整個(gè)燒寫結(jié)構(gòu)比照實(shí)際機(jī)器進(jìn)行CPU初始化完成指令系統(tǒng)譯碼表，各類內(nèi)部寄存器等的初始化，此時(shí)CPU相當(dāng)于處于沒有時(shí)鐘脈沖的等待狀態(tài)根據(jù)系統(tǒng)配置信息完成各類I/O設(shè)備的創(chuàng)建并根據(jù)各設(shè)備的具體要求注冊I/O地址空間地址、中斷以及定時(shí)器資源注冊模擬主控對象的信號處理函數(shù)，以便相應(yīng)來自用戶界面的操作事件，如用戶可以中途關(guān)閉Bochs模擬器等操作系統(tǒng)板復(fù)位(

19、CPU及外設(shè)復(fù)位)(類似于按實(shí)際機(jī)器的復(fù)位按鈕，)，Bochs系統(tǒng)開始進(jìn)入真正的指令解釋執(zhí)行模擬過程，從0 xFFFFFFF開始執(zhí)行Bochs模擬器初始化啟動過程Bochs系統(tǒng)系統(tǒng)CPU指令運(yùn)行循環(huán)指令運(yùn)行循環(huán)2022-2-2237Bochs模擬器初始化啟動過程2022-2-2238基于基于Bochs的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 環(huán)境搭建及實(shí)驗(yàn)方法環(huán)境搭建及實(shí)驗(yàn)方法 Bochs模擬器的編譯模擬器的編譯 基于基于Bochs模擬器系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的搭建模擬器系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的搭建 添加新指令集的方法添加新指令集的方法(今后有時(shí)間或需要時(shí)分析研究今后有時(shí)間或需要時(shí)分析研究) 增加新設(shè)備的方法步驟增加新設(shè)備的方法步驟

20、(今后有時(shí)間或需要時(shí)分析研究今后有時(shí)間或需要時(shí)分析研究) 基于Bochs的實(shí)驗(yàn)環(huán)境2022-2-2239Bochs模擬器的編譯模擬器的編譯從下載從下載Bochs源代碼如并解壓源代碼如并解壓進(jìn)入進(jìn)入Bochs源代碼目錄執(zhí)行如下命令顯示可以配置的所源代碼目錄執(zhí)行如下命令顯示可以配置的所有選項(xiàng)有選項(xiàng)./configure -help如果要支持如果要支持64位架構(gòu)，則可以使用如下配置命令位架構(gòu)，則可以使用如下配置命令./configure enable-x86-64編譯編譯make安裝安裝make install基于Bochs的實(shí)驗(yàn)環(huán)境2022-2-2240Bochs模擬器運(yùn)行環(huán)境模擬器運(yùn)行環(huán)境-基本基本構(gòu)成構(gòu)成根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置，確定系統(tǒng)的硬件配置情況有多種方式來制作，其中用于實(shí)驗(yàn)的方法：利用Linux開發(fā)主機(jī)由Linux源代碼編譯內(nèi)核、Busybox以及unetbootin工具生成系統(tǒng)自帶基于Bochs的實(shí)驗(yàn)環(huán)境2022-2-2241Bochs模擬器運(yùn)行環(huán)境模擬器運(yùn)行環(huán)境-配置配置信息信息 基本功能基本功能類似于自己去電腦市場配一臺計(jì)算機(jī)，例如類似