Bochs调试常用命令

JackOS开发笔记

发布日期: 2022-11-20

更新日期: 2023-06-01

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Bochs调试常用命令

1 Bochs简介

Bochs（发音：box）是一个开源的模拟器和调试工具。Bochs支持对一系列指令集架构和硬件进行模拟：

指令集架构：Bochs支持对x86、x86-64（即基于x86架构的64位扩展）、IBM PC等指令架构进行模拟和调试，
硬件：Bochs支持对处理器（包括保护模式）、内存、硬盘、显示器、以太网、BIOS、IBM PC等等常见硬件的仿真。

许多操作系统在Bochs上运行，包括DOS、某些版本的Microsoft Windows、AmigaOS 4、BSD、Linux、MorphOS、Xenix和Rhapsody (Mac OS X的前身)。

Bochs能也能够在许多操作系统上运行，例如Windows、Windows Mobile、Linux、Mac OS X、iOS以及PlayStation 2

Bochs主要用于操作系统开发：

一方面，当调试的操作系统崩溃时，运行中的Bochs崩溃，但是运行Bochs的操作系统不会崩溃，修改代码后就可以重新调试了，因此Bochs可以调试仿真操作系统
另一方面，Bochs支持指令级别的单步运行和模拟硬件。

但是也可以当做一个虚拟机来运行其他操作系统，或者运行不兼容的旧的软件（如电脑游戏）

Bochs的优点在于能够模拟与当前主机不同指令集架构的主机，例如在SPARC系统里模拟x86主句。而缺点是Bochs的速度却慢得多。

Bochs一个开源x86虚拟机软件。在它的实现中定义了各种数据结构来模拟硬件，用软件模拟硬件缺点是速度比较慢，毕竟全是软件来模拟，要在软件中模拟各种中断，能不慢吗。不过它的功能非常强大，而且可移植性强，原则上只要是GCC支持的平台，这个平台上就可以编译、运行Bochs，从而保证了Bochs在各平台上的畅通无阻。

所以总的来说，Bochs是做系统开发常用的虚拟机，调试系统内核很方便。

2 安装Bochs

安装Bochs一般是从源码编译安装，因为我们需要在当前的平台上模拟其他平台。

2.1 配置Bochs

选择安装目录

因为我们可能需要多个版本、不同功能的Bochs，所以我们可以在编译的时候指定安装目录，注意，必须是绝对路径

./configure --prefix=安装目录

开启调试器

Bochs包含两部分：虚拟机和调试器，而调试器属于可选功能，所以在配置Bochs时需要使用--enable-debugger和`标志开启调试模块。例如：

./configure --enable-debugger # 还有后面的选项

需要注意调试功能在 2.5.4 版本以上才有，确保下载的代码是高于这个版本的。

开启反汇编

光能单步调试没用，还得开启反汇编功能，配置的时候使用--enable-disasm开启反汇编功能

./configure --enable-disasm # 后面还有别的选项

注意，新版本中--enable-disasm已经被移除了，开启了--enable-debugger自动就会打开反汇编，至少我用的2.7版本是这样的。

开启IO调试

为了能够调试外部硬件，需要开启IO调试功能，配置的时候加上--enable-iodebug标志

./configure --enable-iodebug # 后面还有别的选项

支持x86调试

我们需要模拟x86指令集架构，所以需要配置的时候加上--enable-x86-debugger标志

./configure --enable-x86-debugger # 后面还有别的选项

支持gdb调试

上面的--enable-debugger是使用Bochs自带的调试器来调试，当然Bochs自带的调试器没有GDB好用。所以我们也可以在配置的时候加上--enable-gdb-stub来支持GDB调试

./configure --enable-gdb-stub # 后面还有别的选项

注意，--enable-gdb-stub和--enable-debugger只能开一个，不然会报错。

支持图形化窗口

Linux平台上编译默认是不会开启图形化窗口的。想要开启图形化窗口，需要在编译的时候加上---with-x 以支持x windows作为图形显示服务器，或者使用--with-x11支持x11图形显示服务。

./configure --with-x --with-x11 # 后面还有别的选项

注意，这x11是在Linux上的图形显示。MacOS上需要使用sdl或者sdl2，即

./configure --with-sdl2

开启图形窗口后，效果如下

开启图形化窗口后的效果

常用配置如下

Bochs 2.7下使用下面的命令配置：

Linux上

./configure --prefix=安装目录 --enable-debugger --enable-iodebug --enable-x86-debugger --with-x --with-x11

MacOS上

./configure --predix=安装目录 --enable-debugger --enable-iodebug --enable-x86-debugger --with-sdl2

2.2 编译、安装

编译安装使用下面的命令即可：

make
make install

2.3 例子

下面是MacOS的安装例子

mkdir ../bochs-test
./configure --prefix=/Users/jack/project/bochs/bochs-test/ --enable-debugger --enable-iodebug --enable-x86-debugger --with-sdl2
make
make install
tree ../bochs-test -L 3

MacOS安装的例子

3 Bochs常用调试命令

大体上协Bochs的调试命令分为：

Debugger Control类
Execution Control类
Breakpoint Management类
CPU and Memory Contents类

3.1 查看寄存器

汇编代码中，调试最常用的功能就是查看寄存器的内容。

r 查看通用寄存器
sreg 查看段寄存器
creg 查看控制寄存器
dreg 查看调试寄存器
info cpu 查看所有寄存器

3.2 查找和定位代码

次常用的肯定是控制代码执行流程，代码执行到想要仔细跟踪的那个部分。

b 内存地址 设置断点

如b 0x7c00，在线性地址0x7c00处设置断点。
info break 查看设置过的断点
c 继续执行代码，直到遇到断点或者按下Ctrl+D

一般设置断点后，想让代码恢复执行，就使用这个命令。
s 单步执行

单步执行一行代码，和高级语言调试器的step into按钮类似，遇到函数调用会跳转到函数内部执行。单步执行命令也可以带参数，指定执行的次数，如 s 100 就是单步执行100次。
n 执行下一行

它和单步执行类似，单步执行遇到循环和函数时会跳转到内部，而n命令会执行完循环和函数，类似于step over，这样在遇到大量的循环或者较长的函数时，可以用n命令来执行到下一行。

n命令能跳转到下一行是因为loop或者call执行有明显的结束标记（前者通过cx寄存器，后者通ret指令），如果遇到用jmp语句写的循环这种情况，没有明显结束标记的，可以用下面的u命令反汇编代码的地址，找到循环的下一行指令的地址，然后给该地址加一个断点就能达到同样的效果。
u 反汇编代码

直接使用u命令会反汇编当前执行的指令，它可以加参数， u /反汇编数量起始地址 ，如 u /20 0x7c00 就是从0x7c00处开始，反汇编20条指令，如果没有起始地址就是从当前地址开始。

它还可以反汇编一个范围的代码，u 起始地址结束地址 ，如u 0x7c00 0x7cff 就是反汇编0x7c00到0x7cff的代码。

3.3 查看内存

x /nuf 地址 查看线性地址处的内存内容。
xp /nuf 地址 查看物理地址处的内存内容。

n 指定要显示的内存单元的数量
u 显示的内存单元的大小，如下参数之一:
    b 单个字节
    h 半个字(2 字节)
    w 一个字(4 字节)
f 打印的格式。如下类型之一：
    x 按照十六进制形式打印
    d 按照十进制形式打印
    u 以无符号的10进制打印
    o 按照八进制形式打印
    t 按照二进制行是打印

3.4 Tips

Bochs还有一个比较有用的设计就是，当你输入指令后，直接按回车键（Enter Key）会重复上一次的命令。比如上一个命令是单步执行s，此时直接按回车键就相当于s的功能。

4 调试指令手册

4.1 执行控制

命令	解释
`c` / `cont` / `continue`	继续执行
`s` / `step [count]`	执行count条指令，如果不指定参数，默认值为1
`s` / `step [cpu] [count]`	对于对称多处理器结构模拟，在cpu上执行count条指令，count的默认值为1
`s` / `step all [count]`	对于对称多处理器结构模拟，所有cpu上都执行count条指令，count的默认值为1
`Ctrl+C`	停止执行，返回到命令行提示符
`Ctrl+D`	如果在空行上执行，则退出调试器
`q` / `quit` / `exit`	退出调试器，继续执行

4.2 断点操作

命令	解释
① `vbreak` / `vb segment:offset	设置虚拟地址指令断点，segment和offset指段地址和段内偏移量
② `lbreak` / `lb` addr	在线性地址指令上设置断点
③ `pbreak` / `bp` [*] addr	在物理地址上设置断点
④ `break` / `b` [*] addr	同上。 * 符号是兼容GDB命令，为可选参数
`info break`	显示当前所有断点状态
`bpe` n	开启断点
`bpd` n	关闭断点
`delete` / `del` / `d` n	删除断点

注意：① ② ③ ④ 的命令都可以设置条件，即都可以变成条件断点。具体做法是在命令之后添加if condition ，如vbreak 0x008:0x001 if "条件表达式"

4.3 内存观察点

内存观察点类似于内存的监听器，当指定地址的内存产生读取或者写入事件时，会产生中断。

命令	解释
`watch read/r` addr	在物理地址addr上插入读观察点
`watch write/w` addr	在物理地址addr上插入一个写观察点
`watch`	显示当前内存观察点的状态
`watch stop`	当遇到观察点时，停止模拟执行（默认）
`watch continue`	在遇到观察点时，不要停止模拟执行
`unwatch` addr	移除指定物理地址上的观察点
`unwatch`	移除所有的观察点
`trace-mem on/off`	开启/关闭内存访问追踪

4.4 内存操作

命令	解释
`x` /nuf addr	在线性地址addr处检查内存内容，nuf的解释在前面列出
`xp` /nuf addr	在物理地址 addr处查看内存内容，nuf的解释在前面列出
`setpmem` addr datasize value	在内存位置addr处设置datasize大小内存，值为 value
`writemem` filepath addr datasize	从线性地addr处dump出datasize个字节到文件filepath中
`crc` addr1 addr2	显示物理地址范围 addr1到addr2之间内容的 CRC值

4.5 查看信息

命令	解释
`r` / `reg` / `regs` / `registers`	查看通用寄存器内容
`fp` / `fpu`	查看FPU寄存器内容
`mmx`	查看MMX寄存器内容
`sse` / `xmm`	查看SSE寄存器内容
`ymm`	查看AVX寄存器内容
`sreg` / `dreg` / `creg`	查看段 / 调试 / 控制寄存器内容
`info` cpu	查看所有寄存器内容
`info` eflags	查看标志寄存器内容
`info` break	显示当前所有断点状态
`info` tab	显示分页地址转换
`info` device	显示指定设备的状态

4.6 寄存器操作

命令	解释
`set` reg = expr	修改reg寄存器值为expr

注意：只能修改通用寄存器和指令寄存器。不能够修改标志寄存器，段寄存器，浮点寄存器和SIMD寄存器。

4.7 反汇编

命令	解释
`u` addr1 addr2	在给定的线性地址范围内反汇编指令，包含start处指令，不包含end处指令
`u` switch-mode	在Intel和 AT&T两种汇编风格之间切换
`u` size = n	设定反汇编命令的位数，使用0，16，32。值0意思是使用当前的CS段寄存器，默认值是0
`set u on`	每次停止执行时就自动反汇编当前的指令
`set u off`	和上一条相反，不自动反汇编

4.8 指令跟踪

命令	解释
`trace on`	反汇编每一条执行的指令。引起异常的指令都没有真正执行，因此也不会被跟踪
`trace off`	关闭指令跟踪功能

4.9 指令编程环境

Bochs的instrument功能，提供了运行时的各种钩子函数。它也是可选功能，在编译安装时需要开启--enable-instrumentation选项指定。

./configure [...] --enable-instrumentation
./configure [...] --enable-instrumentation="instrument/stubs"

自定义的代码要创建一个独立的目录，例如”instrument/myinstrument”，将”instrument/stubs”目录拷贝进去，然后使用如下的指令设定：

./configure [...] --enable-instrumentation="instrument/myinstrument"

指令命令：

instrument [command]    用[command]调用BX_INSTR_DEBUG_CMD指令回调

4.10 show指令

命令	解释
`show`	打印当前的符号信息显示模式
`show` mode	当处理器切换模式时打印
`show` int	当产生中断时打印
`show` call	当产生调用时打印
`show` ret	当函数返回时打印
`show` off	关闭打印
`show` dbg-all	开启所有显示标志
`show` dbg-none	关闭所有显示标志

4.11 其他命令

命令	解释
`ptime`	打印当前的时间（从开始模拟到现在的ticks）
`sb` delta	在未来执行中插入一个时间断点delta。delta是一个64位的整数，跟着字母”L”，例如1000L
`sba` time	在时间time处插入一个时间断点。time 同上面的delta
`print-stack` [num]	打印栈顶端的num个字
`modebp`	触发CPU模式转换断点
`ldsym` [global] filename [offset]	从文件filename加载符号。

5 Bochs配置

Bochs在运行的时候是需要bochrc这个配置文件的，所以下面给出来我常用的Bochs配置

# bochrc.source

###############################################
# Configuration file for Bochs
###############################################

# 第一步，首先设置Bochs在运行过程中能够使用的内存，本例为32MB。
# 关键字为：megs

megs: 32

# 第二步，设置对应真实机器的BIOS和VGA BIOS.
# 对应两个关键字为：romimage 和 vgaromimage

# LINUX: romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
# LINUX: vgaromimage: file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

# MACOS: romimage: file=/opt/homebrew/share/bochs/BIOS-bochs-latest
# MACOS: vgaromimage: file=/opt/homebrew/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

# 设置图形显示库
# MACOS: display_library: sdl2


# 第三步，设置Bochs所使用的磁盘，软盘的关键字为floppy。
# 若只有一个软盘，则使用floppya即可，若有多个，则为floppya，floppyb...
#floppya: 1_44=a.img, status=inserted


# 第四步，选择启动盘符。
#boot: floppy
boot: disk

# 第五步，设置日志文件的输出。
log: log.bochsrc.disk

# 第六步，开启或关闭某些功能。
# 下面是关闭鼠标，并打开键盘。
mouse: enabled=0
# LINUX: keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-us.map
# MACOS: keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/sdl2-pc-us.map

# 硬盘设置 
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14
ata0-master: type=disk, path="PATH", mode=flat, cylinders=CYLINDERS, heads=HEADS, spt=SPT

#gdbstub: enabled=1, port=1234, text_base=0, data_base=0, bss_base=0

相应的，用来生成配置信息的脚本是

# genrc.sh

# check system
sys=$(uname -s)
case $sys in
    Linux)
        os=LINUX
        ;;
    Darwin)
        os=MACOS
        ;;
    FreeBSD)
        os=LINUX
        ;;
    *)
        os=UNKNOWN
        ;;
esac

if [ "$os" == "UNKNOWN" ]; then
    echo "Unknown OS, exit..."
    exit
fi

# get disk image
shell_folder=$(cd "$(dirname $0)" || exit; pwd)
cd $shell_folder
bin_file=$(grep -d skip . * | grep -e 'Binary' | grep -v ':' | awk '{print $3}')
bin_info=($(bximage -func=info $bin_file -q | awk '/geometry/{print $3}' | awk -F '/' '{print $1,$2,$3}'))
echo "Binary file detected: $bin_file, C/H/S: ${bin_info[0]}/${bin_info[1]}/${bin_info[2]}"


echo "Using $os config, writing config to bochsrc.run"
sed \
    -e "s/# $os: //g"\
    -e "s/PATH/$bin_file/g"\
    -e "s/CYLINDERS/${bin_info[0]}/g"\
    -e "s/HEADS/${bin_info[1]}/g"\
    -e "s/SPT/${bin_info[2]}/g"\
    $shell_folder/bochsrc.source  > $shell_folder/bochsrc
echo 'Run `bochs -f bochsrc` to start bochs'
# bochsrc -f bochsrc

用来编译的脚本是

shell_folder=$(cd "$(dirname $0)" || exit; pwd)

# get disk image
shell_folder=$(cd "$(dirname $0)" || exit; pwd)
cd $shell_folder
bin_file=$(grep -d skip . * | grep -e 'Binary' | grep -v ':' | awk '{print $3}')
if [ -z $bin_file ]; then
    read -p "Binary file not detected, enter the name to create [hd60M.img]:" bin_file
    if [ -z $bin_file ]; then
        bin_file="hd60M.img"
    fi
    echo "Generating $bin_file..."
    bximage -q -func=create -hd=60 -imgmode=flat $shell_folder/$bin_file
else
    bin_info=($(bximage -func=info $bin_file -q | awk '/geometry/{print $3}' | awk -F '/' '{print $1,$2,$3}'))
    echo "Binary file detected: $bin_file, C/H/S: ${bin_info[0]}/${bin_info[1]}/${bin_info[2]}"
fi
echo "You can run genrc.sh to auto-config bochsrc"

echo "Compiling..."
mkdir -p $shell_folder/exe
nasm $shell_folder/a/boot/mbr.S -f bin -o $shell_folder/exe/mbr.bin
dd if=$shell_folder/exe/mbr.bin of=$bin_file bs=512 count=1 conv=notrunc
echo "Done, run genrc.sh to auto-config"

所以要生成配置文件的话，就是

tree ./

# 编译
compile.sh
# 生成配置信息
./genrc.sh

tree ./

# 调试
bochs -f bochrc

Bochs调试-2

6 参考

Jack Wang

https://jackwang0107.github.io/2022/11/20/bochs-diao-shi-chang-yong-ming-ling/

本博客所有文章除特別声明外，均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 Jack Wang !

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Bochs调试常用命令

1 Bochs简介

2 安装Bochs

2.1 配置Bochs

选择安装目录

开启调试器

开启反汇编

开启IO调试

支持x86调试

支持gdb调试

支持图形化窗口

常用配置如下

2.2 编译、安装

2.3 例子

3 Bochs常用调试命令

3.1 查看寄存器

3.2 查找和定位代码

3.3 查看内存

3.4 Tips

4 调试指令手册

4.1 执行控制

4.2 断点操作

4.3 内存观察点

4.4 内存操作

4.5 查看信息

4.6 寄存器操作

4.7 反汇编

4.8 指令跟踪

4.9 指令编程环境

4.10 show指令

4.11 其他命令

5 Bochs配置

6 参考

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