从裸机启动开始运行一个C++程序（二）

先序文章请看：
从裸机启动开始运行一个C++程序（一）

运行在8086上的第一个程序

既然硬件环境已经就绪了，那接下来，就要想办法让它运行我们的程序了。不过在此之前，我们必须要了解一下8086的主要架构，以及执行程序的方式。

为什么要了解8086

话说，我们不是要研究AMD64架构嘛，干嘛要扯这几十年前的这款胡子都老白了的这款CPU爷爷呢？其实我们在前面介绍AMD64历史的时候就提到过，IA-32也好，AMD64也好，它本质上并不是完全新的架构，而是保持着向下兼容的。

一方面来说，IA-32和AMD64都是从8086模式开始启动的，在开机的那一瞬间，你的电脑其实就是8086，然后再通过一些配置，切换到286模式、386模式、AMD64模式等等的。因此，要想在AMD64架构的裸机开始加载程序，8086的工作方式我们是避不开的。

另一方面来说，从IA-32和AMD64架构中来看，其实它还是有很浓重的8086风格，主干框架并没有大的变动，因此，了解了8086以后，自然而然也就了解了AMD64的其中一部分了。

因此，我们有必要在那些额外扩展的环节之前，先来了解一下8086。

8086体系架构

我们要了解8086体系的计算机中的几大硬件，它们是：

1. CPU
2. 内存
3. BIOS
4. 硬盘
5. 显卡
6. I/O设备

CPU是核心，我们放后面来讲，先讲讲内存、硬盘（外存）和显卡。

内存和外存

「内存」这个词感觉在近年来，已经被移动设备行业的术语给“污染”了。因为我们常说的「手机内存」其实指的并不是计算机领域术语中的「内存」。

内存，全称「内部存储器」，英文名称是「Internal Memory」，又被称为「主存」。之所以叫「内」，这也是有历史原因的。因为早年，内存并不是一个独立的硬件，而是直接将内存颗粒焊死在主板上的。

所以，以这个核心的元器件作为边界，在「里面」的存储器就叫内存，然后在这个体系外部的就叫做了「外存」。

还有一个原因在于，内存是可以直接和CPU交互的，而外存则不可以，它必须通过I/O接口，将数据先通过内存，然后才可以被CPU处理。

内存一般使用的是电路方式存储，比如说由晶体管组成的双稳态电路，通过电路的电压来表示比特位的信号。这种存储方式的优点就是读写速度会很快（毕竟是电路实现），而缺点就是，依赖持续的电力。换句话说，如果断电了，数据就会丢失，重新上电以后，里面的数据是什么是不一定的（随缘，非常的薛定谔），得重新写入以后才会可用。

所以，移动设备行业里所谓的「手机内存」，指的显然不是这个意义上的内存。这其实也是划界的问题，因为手机内存中的「内」是相对于SD卡而言的，手机里自带的存储就叫了个「内存」。但计算机专业领域中的「内存」则是体系结构的内部。（后来也是因为手机内存这个称呼已经有了，再想提及手机里真正意义上的「内存」的时候，又不得不加定语，叫了个「运行内存」。所以用计算机专业领域的概念来说，「手机内存」其实是「外存」，「手机运行内存」才是「内存」）。

我们再来说说外存。外存自然就是前面说的那一套之外的存储设备咯，像是早期的软盘。你想想啊，机器里其实只有一个软驱的，要用的时候，把软盘插到软驱里，再来读取数据。所以，这个「软盘」不就是「计算机外部」的存储设备吗？这样解释可能更容易被接受。

当然，像是硬盘、光盘、U盘等等这些，也都属于外存，虽然硬盘一般是放在机箱里面的，不会频繁插拔，但不影响它在体系结构中的角色。

外存一般用非电路方式存储，像是软盘、机械硬盘采用的就是磁性存储，通过磁头去感应某一个位置磁粉的N极或S极来识别比特位。而光盘则是采用光返性质存储，驱动器来识别某一位置的反光性来识别比特位。再像是U盘（闪存盘）、固态硬盘这些则是用浮栅层来存储，通过栅格中的电子数来识别这一位置的比特位数据。

既然是非电路方式，那么它就不怕掉电，数据将会更长久地保存。不过相对地，它的读写速度就会慢很多。

显卡

显卡，全称「显示适配器」，英文是「Graphics Adapter」。顾名思义，就是用来把信号变成画面，呈现在显示器上的硬件。

在早期，显卡的作用仅仅是用来做信号转换，在内存当中会分配一片专属区域，供显卡来使用。显卡就是不断地读取这片内存区域的数据，然后把它按照一定的协议方式，转换成显示器上的图像。当需要变换显示的东西的时候，CPU就会改写这片内存空间，这样在下一帧的时候，显卡就会按照对应的要求，变换显示的图像。

在这套体系当中，图形的处理完全是由CPU来承担的，而用于显示输出的数据，也是由内存的一部分来承担的，我们把这片用于显示画面的内存区域叫做「显存」。

然而后来，随着人们对图形质量的要求越来越高，因此就想到专门搞一个用来处理图像数据的处理器，也就是GPU，GPU也需要自己的主存，也叫做「独立显存」。

稍微多扯几句，现在我们再说「显卡」，默认都是包含了GPU的显卡，而不再是单纯的显示适配器了。随着现代显卡的性能不断发展，在一些对图形性能要求不是那么高的设备上，就考虑不使用独立显卡，而是将显卡（包括GPU）继承在其他部件上，这种显卡也被称为「集成显卡」。将GPU集成在主板上的叫做「板载显卡」，将GPU集成在CPU中的叫做「核心显卡」。不过板载显卡已经被淘汰了，目前如果你的电脑中没有独显的话，那一定是核显。注意，这种情况只是GPU集成在了「CPU这个芯片」当中，但早已不是早期那种，没有GPU的情况了。

BIOS

前面我们介绍了内存和外存的特性，不知道读者有没有这样一个疑问：既然CPU只能操作内存，而内存又是断电后数据就消掉了，外存虽然可以长久保存，但是刚开机的时候，CPU又执行不到这里来。那么，开机后CPU到底要执行哪里的指令呢？

这确实是个很严重的问题，所以说，计算机需要一个「固化」下来的启动程序，做一些硬件自检的功能，然后把一份指令从外存读到内存中，再开始执行。承担这个任务的就是BIOS，全称Basic Input/Output System，中文译作「基本输入输出系统」。一般会用一种类似于FPGA的这种ROM，随着新机器的发型，直接固化在主板上了，当然后来也出了一些可升级固件的BIOS。

硬件的问题解决了，还有另一个问题，照理说，BIOS也不属于内存，那CPU要怎么执行到BIOS中的指令呢？Intel解决这个问题的方法叫做「统一编址」，简单来说，就是把一部分内存地址，映射给内存之外的部件，比如说BIOS。对于CPU来说，它会「认为」自己是在通过内存数据线来操作内存，但其实中间的一部分链接到了BIOS中。

因此，当计算机启动的时候，它会先执行BIOS中的指令，BIOS里会把一份代码从外存加载到内存中，然后再来执行它。由于这份代码是程序员完全可控的，因此接下来的事情就由这份代码来完成了。我们把BIOS加载的第一段程序叫做「MBR(Master Boot Record)」。

另外多啰嗦几句，前面介绍的BIOS也是计算机专业领域当中「BIOS」的概念，而现代我们常说的「BIOS」，里面有丰富图形界面，多种功能（甚至可以超频的那种），其实已经不是传统的BIOS了，而是UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)。只不过因为它承担着与BIOS类似的作用，所以大家仍然习惯称之为「BIOS」，这一点希望读者悉知。笔者在后续描述中的「BIOS」特指计算机专业领域术语的BIOS，而对于UEFI则会单独称为「UEFI」。

CPU

终于讲到了核心的部件——CPU。CPU，全称「Central Processing Unit」，中文译为「中央处理单元」或「中央处理器」，但这个中文名用得不多，一般还是直接叫它CPU。

【注：为了简化问题，帮助读者快速上手，下面的CPU框架结构是简化版的，想知道完整、规范地8086CPU内部结构的读者可以在网上自行搜索。】

CPU有三个重要的部分：运算器（CU, Calculation Unit）、执行器（EU, Execution Unit）和寄存器（Register）。其他类似于缓存（Cache）之类的东西先不讲，因为我们暂时感知不到。

运算器，简单来说就是CPU的原子功能，比如说能做加减法运算之类的。它能做哪些运算取决于它的指令集。

执行器，由它来负责，当前要使用运算器的哪个功能，执行什么样的指令。

寄存器，则是CPU内部用来存放数据的地方，对于软件层面来说，我们主要操作的就是寄存器，因为其他部件都是按照自己的规则去执行的，我们只需要控制寄存器，就可以完成我们希望CPU执行的指令。

照理说，这个时候我应该介绍一下8086的14个寄存器的，但是笔者觉得，前面的铺垫有点太多了，读者可能已经迫不及待想写点程序运行运行了，所以，这些内容，等用到的时候再说吧~

让机器执行起来

啰里八嗦了那么多，总算是可以开始运行程序了！现在就请打开bochs，我们用debug模式来裸机运行一下，看看会发生什么。

对于Windows系统来说，直接运行bochsdbg.exe就可以了，暂时还不用加载配置文件，对于macOS来说，需要指定一下显示的配置。我们找一个工作路径（以后项目的代码都可以放到这个里面），例如~/code，再里面创建一个文件名为bochsrc，这是虚拟机的配置文件，然后编辑里面的内容如下：

display_library: sdl2

主要是因为，bochs的显示输出，默认用的并不是sdl2，这在macOS上是显示不出来的，所以我们需要指定到这个库。

如果你的机器上还没有安装，那么可以用brew install sdl2来安装。

保存完毕以后，在工作路径上通过这个配置文件来运行虚拟机：

bochs -qf bochsrc

即可启动虚拟机，命令行会保持在调试状态：

这时候我们可以输入c，回车，表示继续执行，不出意外的话，会弹出虚拟机的显示窗口：

可以看到，BIOS中的指令已经运行完毕了，但是由于它没有搜索到外存，所以最终停在了这里。

很好！接下来，我们只需要把指令给它加载到外存里就OK了吧！你可以想象，现在我们把程序写好了，放到一张软盘中，然后把软盘插到软驱里，再重启电脑，这样的话，BIOS就应当能检测到软盘中的内容，并自动加载到内存里了。

不过对于虚拟机来说，上面这套动作得靠配置文件来完成。打开我们刚才的bochsrc（如果你用Windows，之前没有建立的话，现在就该建立了！），加入以下内容（注意，macOS的话不可以删除sdl2的配置项哈！）：

boot: floppy # 设置软盘启动
floppy_bootsig_check: disabled=0 # 打开自检
floppya: type=1_44, 1_44="a.img", status=inserted, write_protected=0 # 使用1.44MB的3.5英寸软盘，取镜像为a.img，开机默认已插入软驱，不开启写保护

这样再开机的时候，就可以读取软盘镜像了。那么接下来，我们只需要把要执行的指令，写成这个名为a.img的软盘镜像里就大功告成了。

那怎么创建软盘镜像呢？需要用到二进制编辑器。二进制编辑器很多，macOS上推荐使用Hex Fiend，可以直接在App Store中下载到：

对于Windows来说，可以使用ultra edit，请读者自行安装，如果你实在找不到合适的也无妨，因为我们不可能一直用编辑二进制的方式来写程序，下一章开始我们就改用其他方式了，可以看一下笔者的操作，领悟精神即可。

为了能看到执行效果，我们就把一个数写到一个寄存器里，然后通过bochs的调试指令来看看寄存器里的值，如果生效了，那么就证明我们的MBR已经加载并执行成功了。比如说，我们给ax寄存器中放一个数值6。关于ax寄存器是什么后面章节会讲，反正当前只要知道它是一个8086中的寄存器就好了。

那么，把6写入ax寄存器的命令是什么？这个可以通过查Intel手册知道，应当是：

B8 06 00

B8是指令码，表示给ax寄存器中存入数据。后面的06 00是操作数，因为ax是一个十六位寄存器，所以给它应该要放一个16位的操作数。那为什么是06 00而不是00 06呢？这是因为，8086体系使用小端序，也就是低字节放数的低位。但是在书写数据的时候，我们又习惯从低到高来写，所以就变成了06 00，看上去可能有点不适应，但是还是需要大家适应一下~

那是不是这样就OK了？并不是！虽然BIOS会自动加载数据，但是，BIOS有一个约定，它会检测这段数据的最后两个字节是否是55 AA，是才会认为这是一段合法的MBR，才会加载。至于为啥是这俩魔数……emmm……估计没人晓得~

由于BIOS只会加载512字节（也就是对于软盘来说的第一个扇区），又对后两个字节有标志检测，所以，MBR应当是不多不少正好512字节，并且要在软盘的第一个扇区，这样才能正确被加载。所以，我们补全到512字节，并且把后两个字节设置为55 AA，如下图：

保存成a.img，就可以使用了！

然后我们再执行bochs -qf bochsrc，（Windows可以先打开bochsdbg.exe，然后选择Load按钮加载bochsrc），注意，现在还不能无脑按c，因为我们的MBR里只有一条指令，黑着往下执行的话会观察不到。所以，我们需要打一个断点，让bochs执行到这个位置的时候停一下。

那么另一个问题来了，断点应该打在哪？这取决于，BIOS会把MBR加载到内存的哪一个位置。这里的约定是0x7c00的位置（同样，至于为什么是这个地址估计也没人知道了~总之是作为一种约定），那么我们就要在0x7c00的位置打断点，所以执行下面的调试指令：

pb 0x7c00

然后再按c，这样执行到这一位置的时候就会停下来：

停下来的时候，调试页面会显示这样的情况：

注意最下面一行，中括号里的就是当先执行指令的内存地址，也就是0x7c00，证明这个断点位置是对的，在继续执行之前，我们先来看一下当前ax寄存器的情况，输入r指令，回车可以看到通用寄存器的状态：

这里需要解释一下，由于bochs是AMD64架构的模拟器，所以这里的寄存器都是按64位显示的，它们的扩展情况将会在后续章节来介绍，目前我们只需要知道，要看ax寄存器的值，其实就是看rax的最后16位（也就是最后4位十六进制位），如上图红框里的，就是ax的值，现在是aa55。

然后，我们往下执行一条指令就好了，s命令是单条执行，只会向下执行一句指令。所以我们输入s，回车，再输入r来打印一下寄存器的情况：

OK，ax寄存器真的被改写成0006了，说明我们的指令已经成功运行了！

改用汇编语言

不知道会不会有读者跟笔者一样，第一次在裸机上运行一句指令以后会无比兴奋，仿佛打开了新世界的大门，恨不得现在就着手写一片江山上去！但是先别急！因为这种用二进制机器码直接编程的难度也忒大了。我得去记住所有的指令码和指令格式，万一错一个数字那就整个都不对了，况且它可读性也很差呀！谁能一眼看出来B80600是什么鬼？

当然了，要是退回到8086的年代，可能程序员真的是这么干的，但是现在，我们有了更方便的工具，这种仿古式的编程方法，稍微体验一下就OK啦。回到上面的指令，既然B80600是「给ax寄存器写入0006这个数」的含义，那么，能否有一个翻译器，把我的这种表意，转换成机器指令呢？

当然有！这就是汇编器，它可以把汇编语言转换成机器码。比如说：

mov ax, 0x06

表明给ax寄存器中传入0x06这个十六进制数，然后交由汇编器将其转换为B80600。这样的语言就叫做汇编语言，汇编语言看起来是比机器码要友好得多了吧？

不过成熟的汇编器除了做指令翻译以外，可能还会有一些更方便的功能，类似于编译器的预处理，做一些静态的数值转换之类的工作，但是不同的汇编器支持的汇编语言也会略有不同，业界比较常用的有两个：nasm和gas。

gas也就是GNU的asmmbly(汇编语言)，之所以比较常用，是因为gcc只能将C代码编译成gas格式，后续本篇的示例中，也会使用gcc编译器，编译后的就是gas格式。

nasm是一个比较被普遍认可的汇编器，全称Netwide Assembler。它的优点在于语法简洁易用。在本篇的示例中，对于需要直接手动开发的汇编语言部分，将会使用nasm。

接下来就来介绍如何安装nasm。

安装nasm汇编器

首先，登录nasm官网，点击当前最新的稳定版本（读者看到的时候有可能已经是高于截图的版本了，不过没关系，选择最新的稳定版即可）。

接下来，根据自己所使用的OS选择对应的文件夹，如果你用macOS，就选macosx，如果你用Windows，就选win64。注意，这里只区分操作系统，不区分你的实际硬件架构，即便你使用苹果自研芯片的Mac，或者搭载骁龙芯片的Windows，这里的软件也同样适用。

接下来Windows和macOS的步骤会有不同，笔者分别来介绍。

在Windows上安装nasm

由于Windows版本中提供了安装包，因此，比较方法的做法是下载这个installer，然后通过自带的安装程序安装到电脑中。当然，如果你对搭建环境比较熟的话，也可以直接下载下面的zip，解压缩后得到的直接是nasm程序本身。

如果你选择了安装器的版本，那么直接运行安装器，安装选项全部默认即可。

不过这里要注意一下安装路径，默认情况是C:\Program Files\NASM，Windows默认这个带空格的路径确实是一个饱含诟病的历史遗留问题，不过对于nasm来说影响不大，安装在默认路径下也是OK的，只不过我们要记住这个路径，保证能找到它。如果你没有用安装器，而是直接下载的zip然后解压缩的话，也请把整个文件夹放在一个合适的路径下，保证自己找得到。

等安装完毕后，nasm就已经躺在刚才的安装路径下了。但是每次都指定绝对路径去运行着实麻烦了一些，也不方便我们进行项目的迁移，因此，我们还要把它配置到环境变量里。按Win+R组合键，弹出「运行」窗口，输入sysdm.cpl，回车，即可打开系统属性设置。

在「系统属性」设置中，选择「高级」标签页，再点击下面的「环境变量」按钮。

接着，在环境变量中找到用户变量里的Path，这个变量决定了，如果你不指定绝对路径，而是直接输入一个命令的时候，系统会去哪些路径中找程序。我们希望的效果是，当我们想运行nasm的时候，直接输「nasm」就好了，而不是每次都要输「C:\Program Files\NASM\nasm」，因此，就要把这个路径也配置到环境变量中。

选择Path后点击「编辑」，或者直接双击Path也可以，就可以编辑环境变量了。

在「编辑环境变量」的窗口中点击「新建」，然后把nams的安装路径写进去。注意，要写全路径，并且只需要写到NASM这层路径就好了，确保这个路径下有nasm.exe这个可执行程序。

环境变量设置好以后，我们就可以尝试运行一下nasm了。按Win+R打开「运行」，输入cmd，回车，即可调出控制台。

在控制台中输入nasm -v，如果能够看到打印出的nasm版本号信息，就说明我们已经安装配置完毕了！

在macOS上安装nasm

由于macOS版本的nasm没有安装包，所以我们只能下载源程序的压缩包。

解压缩之后，就已经是可以执行的程序了，不过一般情况下浏览器默认会把文件下到「下载」这个路径中，这里自然不合适放一个经常要用到的程序，所以请手动把它挪到一个妥当的位置。

我这里选择的是用户根路径，也就是~/。文件夹它默认带版本号，你可以改个名字，也可以不管它，只要确保里面有nasm这个可执行程序就好了。我这里的路径是~/nasm-2.16.01。

同样地，为了让我们使用时可以只输入nasm，而不是~/nasm-2.16.01/nasm，我们还需要把这个路径放入环境变量。

macOS最早默认使用的bash，后来换成了zsh，因为这个切换已经很久了，所以笔者介绍zsh的情况，如果你用的是其他版本的shell，就请自行解决环境变量的配置问题。

执行下面的命令，编辑zsh的配置文件：

vim ~/.zprofile

注意，即便你当前没有.zprofile这个文件也没关系，上面的命令执行会以新建文件的方式。

然后再编辑界面按「i」键，进入编辑模式，此时左下角会显示「INSERT」，表示在编辑模式。如果里面已经有一些配置了，无视就好，我们在文件最后加上：

PATH=$PATH:/Users/xxx/nasm-2.16.01

注意，由于我是放在~/里的，但这里要写全路径，所以你需要看一下全路径是什么，用波浪线有时可能会失效。

那一句的意思就是，在PATH这个变量后面，加上一个nasm的路径，所以这里要填写你的nasm所在路径。

由于.zprofile会在每次运行终端的时候自动执行，因此我们把命令写在这个文件里就不用每次手动配置了，但由于现在还没生效，所以你还需要执行一句：

source ~/.zprofile

或者干脆把终端关了，重新开一下，就生效了。

然后我们在控制台输入

nasm -v

如果能够看到版本信息，那么说明nasm已经安装配置成功。

小结

本篇介绍了8086的体系和计算机硬件的基本常识，然后尝试在bochs上运行了一条指令来修改ax寄存器的值，最后介绍了安装nasm的方法，下一篇开始，我们将会使用汇编语言继续开发我们的MBR。

从裸机启动开始运行一个C++程序（三）