使用Bochs调试操作系统代码
最近在写一个玩具操作系统，在编写过程中，经常需要进行代码调试。平常我们在Windows或者Linux下编写应用程序时，可以使用像VS，GDB等等这些调试工具进行调试，但是现在要调试的不是应用程序，而是操作系统本身。那要怎么调试操作系统的代码呢？笔者就以自己编写玩具操作系统时的经历，介绍一下如何调试操作系统的代码。
在开发操作系统的过程中，一般是先在模拟器或者虚拟机中运行调试，没什么大问题了，再在实体机上运行。常见的模拟器如Bochs、Qemu等，常见的虚拟机如VMWare、VirtualBox、Virtual PC等。
本文就以Windows下的Bochs介绍一下如何使用Bochs模拟器来调试操作系统代码，文中有使用MinGW环境下的命令。
一、Bochs内置调试器
Bochs本身内置的调试器，是汇编级的调试器，对于调试像boot或者loader这样的16位汇编代码时，还是非常有用的，Bochs的调试命令还是非常丰富的，而且与GDB的调试命令也比较相似。下面列一些常用的调试命令:
| 命令 | 功能 | 示例 | 示例说明 |
|---|---|---|---|
| b | 打断点 | b 0x7c00 | 在0x7c00处设置断点 |
| c | 继续执行 | c | 继续执行 |
| n | 单步执行，不会进入函数调用 | n | 执行一条语句，如果遇到CALL指令，不会进入函数 |
| s | 单步执行，并且会进入函数调用 | s | 执行一条语句，如果遇到CALL指令，则进入函数 |
| x | 显示指定线性地址开始的内存信息 | x /32bc 0x7c00 | 以字符的形式显示线性地址0x7c00开始的32个字节 |
| xp | 显示指定物理地址开始的内存信息 | x /32bc 0x7c00 | 以字符的形式显示物理地址0x7c00开始的32个字节 |
| r | 显示各通用寄存器的值 | r | 显示各通用寄存器的值 |
| sreg | 显示各段寄存器的值 | sreg | 显示各段寄存器的值 |
| blist | 显示所有断点信息 | blist | 显示所有断点信息 |
| del | 删除断点 | del 1 | 删除1号断点，几号断点是由blist列出 |
| help | 显示帮助 | help | help没有参数则显示命令概览，如果想要查看具体命令的帮助信息，则后面跟上命令即可，比如help info则是查看info命令的帮助信息 |
| q | 退出 | q | 退出调试控制台 |
| ldsym | 装载调试符号 | ldsym global “loader.sym” | 从装载loader.sym文件中装载调试符号，并且作为全局符号 |
更多的调试命令可以通过help查看。
1.直接运行
在Windows下编写好bxrc文件，则可以在直接双击运行。下图是笔者写的Loader执行完成，准备进入内核的输出画面：
2.调试
在bxrc文件右键弹出菜单中有一个debugger命令，执行它即可进入下面的开始对话框界面，默认是使用的bxrc文件中的配置，如果想要临时修改配置，也可以双击“Edit Options”列表框中的分类进行编辑，完成后执行“start”即开始调试。
此时会暂停在f000:fff0处，如下图所示：
这里就是Bochs的内置调试控制台了，可以在此输入各种调试命令。
下图是笔者调试刚进入Loader的情况：
可以看到，全部是汇编代码，没有任何符号信息，调试起来是相当的费劲，如果不对照源码，根本就难以定位源码。笔者在刚开始写Loader时就是在没有任何调试信息的情况下来调试Loader的，非常费时费力。后面随着代码越来越多（笔者是使用大量的C语言来写Loader的），这种调试方式更是费时费力，其实Bochs是可以加载调试符号的，虽然相对GDB的调试信息，比较简陋，但是还是要方便很多。
Bochs的符号文件格式为“%x %s”，即前面是地址，后面是符号，比如：
00003182 memcpy
表示地址0x00003182为memcpy的入口地址。
使用如下的命令生成调试符号文件：
nm loader.elf | grep -i ' T ' | awk '{ print $1" "$3 }' > loader.sym
可以在CMakeLists.txt中使用：
nm ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader.elf | grep -i ' T ' | awk '{ print $$1" "$$3 }' > ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/loader.sym
生成符号后，就可以使用ldsym来装载调试符号了，如下所示：
可以从图中看到已经有符号信息显示了，调试起来就方便多了。
如果每次调试时都手动输入ldsym来装载调试信息还是比较繁琐，可以直接配置在bxrc文件中，添加下面一行配置即可：
debug_symbols: file="loader.sym", offset=0x8000
本文链接地址：https://blog.csdn.net/witton/article/details/126414601?spm=1001.2014.3001.5501
二、Bochs+GDB调试
由于Bochs内置的调试器是汇编级的，在操作系统进入内核后，将会有大量的C代码，如果还是使用汇编级的调试还是相当麻烦的，这就需要有源码级的调试了，GDB将成为首选源码级调试器。如果还是Bochs模拟器的话，可以使用GDB连接到Bochs来进行源码级调试。
Windows下的Bochs默认安装文件是不支持GDB调试的，需要自己重新编译Bochs源码，编译时需要添加参数--enable-gdb-stub，下面是笔者在MinGW下编译Bochs的参数：
../bochs-2.7/configure --enable-all-optimizations --enable-long-phy-address --enable-alignment-check --enable-pci --enable-cdrom --enable-gameport --enable-large-ramfile --enable-show-ips --with-all-libs --enable-usb --enable-usb-ohci --enable-usb-ehci --enable-usb-xhci --enable-logging --enable-fpu --enable-3dnow --enable-busmouse --enable-iodebug --enable-sb16 --enable-ne2000 --enable-clgd54xx --enable-voodoo --enable-es1370 --enable-e1000 --with-rfb --enable-x86-debugger --enable-debugger-gui --enable-gdb-stub --with-win32
然后在bxrc文件中，添加下面一行配置：
gdbstub: enabled=1, port=1234, text_base=0, data_base=0, bss_base=0
输入命令（注意一定要使用自己编译的Bochs，不能像前面那样在右键菜单中使用Debugger了）：
./bochs -f bochsrc.bxrc -q
即可看到Bochs控制台中输出：
Waiting for gdb connection on port 1234
这是在等待GDB的连接，这里的连接端口为1234
在MinGW控制台输入如下命令启动交叉编译的GDB：
x86_64-elf-gdb -ex "file build/kernel/kernel" -ex "target remote :1234" -ex "b kmain"
-
-ex “file build/kernel/kernel”
让GDB自动装载build/kernel/kernel文件中的调试信息 -
-ex “target remote :1234”
远程连接本机的1234端口 -
-ex “b kmain”
在kmain函数入口设置断点
这样就可以开启GDB的源码级调试了，如下图所示：
使用命令行方式手动输入GDB命令来调试还是麻烦了点，可以直接使用Visual Studio来可视化调试，目前新版本的Visual Studio已经支持使用GDB来调试GCC生成的C/C++程序了，可以参见笔者前面的博文：Visual Studio 2022使用MinGW来编译调试C/C++程序
下图为笔者使用VS 2022调试Kernel的情况，可以看到借助VS IDE的强大功能，调试起来是非常方便，与调试VC的普通应用程序体验高度一致：
由于Bochs是完全使用软件的方式来模拟，使用它调试运行内核，是相当慢的，后面笔者将介绍使用Qemu来运行调试操作系统，Qemu的运行效率比Bochs快很多，参见后文：使用QEMU+GDB调试操作系统代码
希望此文能帮助到喜欢研究、编写操作系统的读者，更希望有朝一日看到国人能够写出完全自主的操作系统并流行起来！哈哈！