使用 Bochs 進(jìn)行平臺(tái)仿真
Bochs 是較小的 GNU 公共許可證(GNU Public License，GPL)下獲得許可的一種 x86 PC 仿真器和調(diào)試器。該平臺(tái)提供對(duì)整個(gè) PC 平臺(tái)的仿真，包括一個(gè)或多個(gè)處理器和各種不同的 PC 外圍設(shè)備，比如硬盤、顯示器、CD-ROM 驅(qū)動(dòng)器以及其他常用外圍設(shè)備。您可以使用 Bochs 來(lái)運(yùn)行針對(duì) PC 平臺(tái)的操作系統(tǒng)，它還是一個(gè)適用于操作系統(tǒng)開發(fā)的理想應(yīng)用程序(因?yàn)槌?Bochs 提供的調(diào)試功能外，在來(lái)賓機(jī)器內(nèi)可以隔離開發(fā)中操作系統(tǒng)的崩潰)。雖然 Bochs 通過(guò)仿真完成此操作，但是卻以性能為代價(jià)。
讓我們快速瀏覽并了解仿真和目前更常用的虛擬化方法之間的不同。
平臺(tái)仿真
Bochs 是一種平臺(tái)仿真器，這意味著它其實(shí)并不是現(xiàn)代意義上的虛擬化，而是模擬。在虛擬化中，虛擬機(jī)監(jiān)控程序和虛擬機(jī)(VM)在裸機(jī)硬件上執(zhí)行(通常通過(guò)硬件指令，虛擬機(jī)監(jiān)控程序創(chuàng)建環(huán)境在 VM 之間共享硬件)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)主機(jī)處理器直接執(zhí)行指令，所以此過(guò)程通常被稱為直接執(zhí)行。此種類型的虛擬化使用來(lái)自現(xiàn)代處理器的支持(如 Intel Virtualization Technology for x86 [VT-x] 或 AMD virtualization [AMD-V])。仿真通常在 VM 和底層硬件和操作系統(tǒng)之間提供層以便創(chuàng)建如圖 1 中所示的預(yù)期的平臺(tái)環(huán)境的幻想。
圖 1. 虛擬化 vs.仿真
仿真還常常解釋來(lái)賓 VM 的指令(與虛擬化相比，此處來(lái)賓的指令集架構(gòu)必須與主機(jī)相同)。這就為仿真建立了有趣的優(yōu)勢(shì)，此處來(lái)賓 VM 平臺(tái)完全不同于主機(jī)(例如，在 IBM® PowerPC® 目標(biāo)上運(yùn)行 x86 來(lái)賓)。
仿真的另外一個(gè)有趣的優(yōu)勢(shì)就是對(duì)環(huán)境的完全控制，即更容易暫停整個(gè)機(jī)器來(lái)檢查其狀態(tài)以及將任何類型的故障引入仿真以測(cè)試操作系統(tǒng)的錯(cuò)誤樹。雖然此功能以性能為代價(jià)，但是它才是此類環(huán)境的真正好處。此外，仿真器提供了來(lái)賓機(jī)器與主機(jī)的真正隔離。這樣，仿真器可以提供完全透明的環(huán)境。
仿真性能
在某些情況下仿真可用于性能架構(gòu)。一個(gè)示例就是 Transmeta 創(chuàng)建的代碼融合技術(shù)。Transmeta 的處理器是可以仿真 x86 代碼序列的超長(zhǎng)指令字(Very Long Instruction Word，VLIW)超級(jí)標(biāo)量架構(gòu)。它通過(guò)仿真或動(dòng)態(tài)編譯代碼系列(類似于 QEMU 功能)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。Transmeta 在 1995 年開啟了其大門，然后又在 2007 年底將其關(guān)閉。
其他示例包括 Java 技術(shù)，它從 Java 字節(jié)碼到主機(jī)的底層架構(gòu)得到解譯。Java 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)(just-in-time，JIT)編譯以便解決一些效率低下工作，類似于 Transmeta 和大量其他的仿真解決方案(包括 QEMU，它是另外一種類似于 Bochs 的平臺(tái)仿真解決方案)。但是 Bochs 也實(shí)現(xiàn)了高效仿真(在現(xiàn)代處理器上高達(dá)每秒鐘 1 億條指令 [MIPS])，同時(shí)還是便攜的。對(duì)于解譯的 x86 指令執(zhí)行和平臺(tái)仿真，Bochs 完全是用 C++ 語(yǔ)言開發(fā)的。#p#
Bochs 實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在，讓我們探究 Bochs 的內(nèi)部機(jī)理以便了解它如何在純 C++ 實(shí)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)有用的性能。本文專注于仿真的兩個(gè)方面：CPU(指令集架構(gòu) [ISA] 仿真)和設(shè)備。
CPU 仿真
Bochs 在其仿真方法方面很獨(dú)特。雖然其他解決方案提供了直接執(zhí)行或 JIT 編譯，但是 Bochs 實(shí)現(xiàn)了 CPU ISA 的純仿真(包括在對(duì)稱多處理配置中通過(guò)多達(dá)八個(gè) CPU 支持 x86 和 x86-64 CPU 仿真)。Bochs 提供了真正 CPU 的仿真，甚至達(dá)到仿真 CPU 的提取-解碼-執(zhí)行流的水平。在流階段中，Bochs 執(zhí)行權(quán)限檢查，然后提取操作碼。在解碼階段，Bochs 將已提取的 x86 指令解碼為內(nèi)部表示。它還通過(guò)存儲(chǔ)原始 x86 系統(tǒng)的 “微操作” 來(lái)維護(hù)指令緩存(其后可在沒(méi)有解碼開銷的情況下提取)，進(jìn)而改進(jìn)性能。最后，在執(zhí)行階段，Bochs 執(zhí)行一些圍繞特定指令執(zhí)行的操作(包括操作數(shù)的有效地址計(jì)算，然后針對(duì)特定指令執(zhí)行方法執(zhí)行間接調(diào)用)。在執(zhí)行指令時(shí)，可(適當(dāng)?shù)?更新任何受影響的寄存器和標(biāo)志。Bochs 在此處提供名為遲緩標(biāo)志更新 的優(yōu)化以便僅在需要算術(shù)標(biāo)志時(shí)才計(jì)算這些標(biāo)志(而不是在每一步都進(jìn)行更新)。
在提取-解碼-執(zhí)行流之外，Bochs 還管理著諸如設(shè)備中斷等外部事件和其他必要功能，如字節(jié)交換和其他特權(quán)檢查。除了通用 x86 CPU 以外，Bochs 實(shí)現(xiàn)了許多 CPU 功能，如使用 MMX™ 技術(shù)的 Intel Pentium® 處理器;Intel 的流式單指令，Multiple Data Extensions 2(Multiple Data Extensions 2，SSE2);以及 AMD 3DNow! 指令。
Bochs 的內(nèi)部指令緩存為傳統(tǒng) JIT 編譯進(jìn)行了很好的權(quán)衡。雖然 JIT 編譯為加快執(zhí)行提供了一些優(yōu)勢(shì)，但是這是以巨大的內(nèi)存為代價(jià)進(jìn)行的。
設(shè)備仿真
通過(guò)基于設(shè)備類型的設(shè)備仿真，Bochs 提供了對(duì) PC 平臺(tái)的仿真。例如，雖然鍵盤是主機(jī)和來(lái)賓機(jī)之間共享的物理設(shè)備，但是磁盤是通過(guò)仿真共享的，在這里來(lái)賓磁盤是主機(jī)磁盤文件系統(tǒng)中的文件。
Bochs 提供了一系列有用的仿真硬件，包括內(nèi)存、NE2000 以太網(wǎng)卡、Cirrus Logic 顯卡(PCI 或 ISA)、Intel 440FX PCI 芯片組、BIOS、USB 根集線器、Sound Blaster 聲卡以及磁盤和軟盤控制器。如同 CPU，這些設(shè)備也被仿真，這在整個(gè)過(guò)程中會(huì)引入相當(dāng)大的開銷。例如，在驅(qū)動(dòng)程序與硬件進(jìn)行通信時(shí)，它操縱寄存器以便請(qǐng)求一些所需的設(shè)備操作。在仿真平臺(tái)中，代表設(shè)備的寄存器和內(nèi)存將被仿真。在來(lái)賓操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序窺探內(nèi)存和硬件寄存器時(shí)，軟件存在于下面來(lái)仿真設(shè)備(參見圖 2)。除了仿真界面以外，設(shè)備仿真必須執(zhí)行預(yù)期操作，這意味著會(huì)有設(shè)備的仿真，且在主機(jī)平臺(tái)中可能有與物理設(shè)備的通信(如物理網(wǎng)絡(luò)接口卡 [NIC] 或物理磁盤)。
圖 2. 通過(guò)仿真進(jìn)行設(shè)備虛擬化
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使用 Bochs
Bochs 及其實(shí)用程序很簡(jiǎn)單，用于仿真各種不同的來(lái)賓操作系統(tǒng)。本示例演示了來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室操作系統(tǒng)的 Plan 9 的仿真。
安裝 Bochs
首先，如果您的系統(tǒng)上沒(méi)有 Bochs，則必須先安裝 Bochs。對(duì)于我的 Ubuntu 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我使用了 apt 程序包管理器來(lái)安裝必要的程序包：
$ sudo apt-get install bochs $ sudo apt-get install bochs-x
此命令安裝 Bochs IA-32/64 PC 仿真器和 Bochs X-11 仿真器。
為 Plan 9 安裝做準(zhǔn)備
要在 Bochs 上仿真 Plan 9，對(duì)于您的虛擬環(huán)境來(lái)說(shuō)您需要另外兩個(gè)東西：包含 Plan 9 安裝映像的 CD-ROM 和作為安裝目標(biāo)的虛擬硬盤(Virtual Hard Disk，VHD)。
首先，從貝爾實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)獲得 Plan 9 映像，正如下面的命令行所示：
$ wget http://plan9.bell-labs.com/plan9/download/plan9.iso.bz2 $ bunzip2 plan9.iso.bz2
Plan9 映像是可以使用 ISO 9660 格式解譯的 ISO 格式文件(如同 CD-ROM 驅(qū)動(dòng)器仿真，很快會(huì)講到)。
下一步是創(chuàng)建您的 VHD。請(qǐng)記住這將是主機(jī)操作系統(tǒng)中的一個(gè)文件。Bochs 提供特殊的實(shí)用程序來(lái)創(chuàng)建這個(gè)稱為 bximage 的文件。Bximage 實(shí)用程序是交互式的，允許您為如何創(chuàng)建并管理文件而指定一些選項(xiàng)。清單 1 提供會(huì)話來(lái)創(chuàng)建 VHD。在調(diào)用 bximage 之后，您可以指定您想創(chuàng)建硬盤映像(而不是軟盤映像)。雖然 Bochs 可以支持許多映像類型，但是對(duì)于性能來(lái)說(shuō)，則要求平面映像，這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)是沒(méi)有必要的。對(duì)于 Plan 9 安裝來(lái)說(shuō)，其操作系統(tǒng)需要大量的空間，因此根據(jù)硬盤文件的名稱(c.img)指定 700MB 的磁盤。
清單 1. 使用 bximage 為 Bochs 創(chuàng)建 VHD 映像
$ bximage ======================================================================== bximage Disk Image Creation Tool for Bochs $Id: bximage.c,v 1.34 2009/04/14 09:45:22 sshwarts Exp $ ======================================================================== Do you want to create a floppy disk image or a hard disk image? Please type hd or fd. [hd] What kind of image should I create? Please type flat, sparse or growing. [flat] Enter the hard disk size in megabytes, between 1 and 129023 [10] 400 I will create a 'flat' hard disk image with cyl=1422 heads=16 sectors per track=63 total sectors=1433376 total size=699.89 megabytes What should I name the image? [c.img] Writing: [] Done. I wrote 314302464 bytes to c.img. The following line should appear in your bochsrc: ata0-master: type=disk, path="c.img", mode=flat, cylinders=1422, heads=16, spt=63 $ ls -la c.img -rw-r--r-- 1 mtj mtj 733888512 2010-12-19 14:30 c.img $
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安裝 Plan 9
有了 CD-ROM 映像和硬盤映像，下一步是創(chuàng)建您的 Bochs 配置文件。此文件定義了應(yīng)如何執(zhí)行 Bochs 仿真，同時(shí)指定在何處查找環(huán)境的關(guān)鍵方面(ISO 文件、硬盤映像等)。Bochsrc 配置文件如 清單 2 所示。此文件定義一個(gè) x86 平臺(tái)，帶有 128MB 的 RAM 、鼠標(biāo)、默認(rèn)的擴(kuò)展圖形陣列顯示器、硬盤(定義為 ata0-master，通過(guò) bximage 創(chuàng)建)、CD-ROM(定義為 ata1-master，指向您已下載的 plan9.iso 文件)、用于 Bochs 輸出的日志文件 (bochsout.txt) 以及 CD-ROM 的默認(rèn)根設(shè)備。
清單 2. Bochsrc 配置文件
# bochsrc # megs: 128 # mouse: enabled=1 # ata0-master: type=disk, path="c.img", mode=flat, cylinders=609, heads=16, spt=63 ata1-master: type=cdrom, path=./plan9.iso, status=inserted # log: bochsout.txt # boot: cdrom
Bochs 通過(guò)配置文件提供大量可表達(dá)的選項(xiàng)。這些選項(xiàng)可定義在平臺(tái)上可用的選項(xiàng)或表達(dá)的選項(xiàng)類型(例如，諸如 SSE 或高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展等的單個(gè) CPU 配置)。
要開始將 Plan 9 安裝到 Bochs，在與您的磁盤映像、ISO 映像和 bochsrc 文件相同的目錄中通過(guò) -q 選項(xiàng)(以便跳過(guò)啟動(dòng)菜單)啟動(dòng) Bochs：
$ bochs -q
此命令創(chuàng)建表示仿真平臺(tái)的新窗口，如圖 3 所示。如圖所示，仿真器已經(jīng)確認(rèn)了您的磁盤和 CD-ROM 并已經(jīng)啟動(dòng)了 CD 來(lái)開始安裝 Plan 9 操作系統(tǒng)。
圖 3. 啟動(dòng) Bochs(Plan 9 操作系統(tǒng)的安裝)
隨著安裝的繼續(xù)進(jìn)行，Plan 9 經(jīng)過(guò)了各種不同的配置和安裝步驟。圖 4 顯示了磁盤設(shè)置(分區(qū))。
圖 4. 安裝 Plan 9 操作系統(tǒng)
這些示例中使用的視窗系統(tǒng)是 Plan 9 的 rio。Rio 是一種具有一些獨(dú)特屬性的有趣視窗系統(tǒng)。例如，在 rio 中的窗口是其自身的私有命名空間并將文件系統(tǒng)界面導(dǎo)出到在操作系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用程序(允許 rio 在 rio 窗口內(nèi)運(yùn)行)。Rio 早于 UNIX® 的 X 視窗系統(tǒng)并為隨后的視窗系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
在漫長(zhǎng)的安裝完成時(shí)，仿真計(jì)算機(jī)停止且更新 bochsrc 文件以便從磁盤啟動(dòng)(boot: disk)。請(qǐng)注意窗口的頂部(參見圖 5)是顯示了處于活動(dòng)狀態(tài)的元素(CD-ROM、鼠標(biāo))的 Bochs 控制，在右側(cè)是一組控件(用于重置、暫停或關(guān)閉仿真計(jì)算機(jī))。
圖 5. 在 Bochs 上下文中運(yùn)行的 Plan 9
運(yùn)行其他操作系統(tǒng)
仿真的樂(lè)趣之一就是能夠以快速而簡(jiǎn)單的方式方便地運(yùn)行其他操作系統(tǒng)。您可以在 Bochs 站點(diǎn)上(參見 參考資料)查找磁盤映像列表，嘗試一些其他的操作系統(tǒng)，如 FreeDOS、DLX Linux®(10MB Linux 圖像)、OpenBSD、GNU/Hurd 以及 KNOPPIX。圖 6 顯示了在 Bochs 上啟動(dòng)的 FreeDOS 內(nèi)核。
圖 6. 在 Bochs 上運(yùn)行 FreeDOS
FreeDOS 是在 Microsoft 宣稱其不再生產(chǎn) MS-DOS 后創(chuàng)建的項(xiàng)目，并被許多公司在 GPL 下使用。#p#
其他仿真平臺(tái)
雖然 Bochs 對(duì)于平臺(tái)仿真來(lái)說(shuō)是有用的應(yīng)用程序，但是其他解決方案也提供了相似的功能。QEMU 是最流行的仿真器之一，因?yàn)樗粌H提供與 PC 兼容的平臺(tái)仿真而且還提供各種不同的其他處理器架構(gòu)(ARM、PowerPC 等)。
其他專業(yè)平臺(tái)包括 SPIM(一個(gè) MIPS 處理器仿真器)和計(jì)算機(jī)歷史仿真項(xiàng)目，該項(xiàng)目提供許多具有歷史意義的計(jì)算系統(tǒng)(Altair、VAX 11/780、IBM 1130 等)的平臺(tái)仿真。
前景展望
雖然 Bochs 是用于執(zhí)行舊版操作系統(tǒng)的強(qiáng)大的平臺(tái)仿真器，它也是一個(gè)用于開發(fā)操作系統(tǒng)的理想平臺(tái)。Bochs 提供在原始硬件(包括全功能圖形調(diào)試器)中不易提供的高效平臺(tái)仿真和調(diào)試功能。雖然沒(méi)有什么可以取代軟件測(cè)試的真實(shí)硬件，但是 Bochs 可以提供在各種不同的 x86 和非 x86 主機(jī)中便于訪問(wèn)的有用開發(fā)環(huán)境。
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