Bochs项目源码分析与注释

Bochs项目源码分析与注释 Table of Content Chapter 1 x86 体系结构与 PC 系统概要1 1．1 x86 CPU 结构1 1．1．1 冯诺依曼架构和CISC 指令集 1．1．2 CPU 结构 1．1．3 CPU 工作模式 1．2 x86 体系结构概览 1．3 PC 系统 1．3．1 PC 系统概述 2．3．2 总线拓扑 2．3．3 存储器与I/O 编址 2．3．4 关于系统的启动与引导 Chapter 2 Bochs 工程概述 2．1 开源项目Bochs 介绍........................................11 2．2 版本2.2.1 源码组织..................................................................................................11 2．3 工程类结构.................................................................................................................12 2．4 主体框架结构分析.....................................................................................................13 2．4．1 Bochs 工程中的重要类................................................................................13 （1） VM 控制台界面类.............................................................................................13 （2 ） CPU 模拟............................................................................................................14 （3） Memory 模拟......................................................................................................14 （4 ）．I/O device 模拟...................................................................................................15 2．4．2 入口函数main()及Win32 Gui 初始化........................................................15 2．5 Bochs 的工作方式......................................................................................................18 Chapter 3 CPU 类的源码分析...................................................20 3．1 CPU 类概述................................................................................................................20 3．1．1 CPU 逻辑结构框图......................................................................................20 3．1．2 类BX_CPU_C 成员归纳.............................................................................20 3．2 类BX_CPU_C 源码分析..........................................................................................21 3．2．1 CPU 特性声明..............................................................................................21 3．2．2 类bxInstruction_c 成员分析........................................................................22 3．2．3 类BX_CPU_C 源码注释.............................................................................22 3．3 通用寄存器.................................................................................................................29 3．3．1 数据结构与注释...........................................................................................29 3．3．2 通用寄存器归纳...........................................................................................30 3．4 段寄存器、全局寄存器GDI 和IDT ........................................................................31 3．4．1 数据结构与注释...........................................................................................31 3．4．2 段寄存器结构分析.......................................................................................33 3．5 CPU 状态字EFLAGS................................................................................................35 3．5．1 数据结构与注释...........................................................................................35 Understanding the source code of bochs ### Bochs项目源码分析与注释 #### 第一章 x86体系结构与PC系统概要 **1.1 x86 CPU结构** **1.1.1 冯诺依曼架构和CISC指令集** 冯诺依曼架构是现代计算机的基础设计之一，其核心特征在于存储程序的概念，即将程序指令和数据存储在同一内存空间内，通过相同的通道进行读取和处理。x86架构遵循这种设计理念，使得处理器能够高效地执行复杂指令。 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）是一种计算机指令集架构，特点是单个指令可以完成复杂的运算操作。x86架构采用了CISC指令集，允许处理器直接执行各种复杂的计算任务而无需分解成更简单的操作。这种设计简化了程序开发过程，但也可能导致执行效率不如RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）架构。 **1.1.2 CPU结构** x86架构下的CPU主要包括以下几个部分： - **算术逻辑单元（ALU）**：负责基本的算术和逻辑运算。 - **控制器**：解释指令并控制其他组件的工作流程。 - **寄存器组**：用于临时存储数据和指令。 - **高速缓存（Cache）**：用于提高数据访问速度。 - **前端总线（Front Side Bus，FSB）**：连接CPU与北桥芯片，用于传输数据。 **1.1.3 CPU工作模式** x86架构的CPU支持多种工作模式，包括实模式、保护模式、虚拟8086模式等。每种模式都有不同的特性和用途，例如实模式主要用于兼容早期的软件，而保护模式则是现代操作系统的基础。 **1.2 x86体系结构概览** x86体系结构最初由英特尔开发，后来成为个人计算机中最广泛使用的架构之一。其特点包括： - **后向兼容性**：新版本的x86处理器通常能运行旧版本处理器上的程序。 - **丰富的指令集**：包含大量的指令，可以实现各种复杂的运算。 - **多级流水线**：提高了指令执行效率。 - **动态执行**：允许处理器根据当前的执行情况调整资源分配。 **1.3 PC系统** **1.3.1 PC系统概述** PC系统是指基于x86架构的个人计算机系统，主要由以下部分组成： - **中央处理器（CPU）** - **主板（Motherboard）** - **内存（RAM）** - **输入输出设备（如键盘、鼠标）** - **存储设备（如硬盘驱动器、固态硬盘）** **2.3.2 总线拓扑** 总线拓扑是指PC系统内部各组件之间的连接方式。常见的总线拓扑包括： - **ISA总线**：早期PC中使用的总线标准。 - **PCI总线**：提供了更高的带宽和更多的扩展能力。 - **PCI Express (PCIe)**：目前最常见的高速总线标准，用于连接高性能的外设。 **2.3.3 存储器与I/O编址** - **存储器编址**：通常采用连续的物理地址来表示内存区域，操作系统通过地址映射机制管理内存空间。 - **I/O编址**：通过特定的I/O端口地址来访问外部设备，这些地址通常位于固定的范围内。 **2.3.4 关于系统的启动与引导** PC系统的启动过程包括以下步骤： - **加电自检（POST）**：检查硬件是否正常工作。 - **加载BIOS**：执行基本输入输出系统程序。 - **选择启动设备**：通常从硬盘驱动器或其他存储设备加载操作系统。 #### 第二章 Bochs工程概述 **2.1 开源项目Bochs介绍** Bochs是一个用C++语言编写的开源PC模拟器，可以模拟x86架构的CPU、BIOS和各种I/O设备。它具有高度的可移植性，可以在多种操作系统上运行。 **2.2 版本2.2.1 源码组织** Bochs项目的源码按照功能模块进行了细致的分类，包括但不限于： - **CPU模拟** - **内存管理** - **I/O设备模拟** - **图形用户界面（GUI）** **2.3 工程类结构** Bochs项目的类结构反映了其整体架构的设计思想，主要包括： - **模拟核心**：管理模拟环境的整体状态。 - **设备模型**：用于模拟具体的硬件设备。 - **图形接口**：提供用户交互界面。 **2.4 主体框架结构分析** **2.4.1 Bochs工程中的重要类** - **(1) VM 控制台界面类**：负责创建和管理图形用户界面，包括窗口、菜单等。 - **(2) CPU 模拟**：实现x86 CPU的模拟，包括指令解码、执行等关键功能。 - **(3) Memory 模拟**：模拟计算机内存的工作原理，包括地址转换、数据读写等。 - **(4) I/O device 模拟**：模拟各种输入输出设备的行为，如键盘、鼠标、硬盘等。 **2.4.2 入口函数main()及Win32 Gui 初始化** `main()`函数是Bochs程序的入口点，负责初始化模拟环境，加载配置文件，设置模拟器参数，并启动模拟过程。Win32 GUI初始化则负责创建主窗口、菜单等界面元素，以便用户可以与模拟器进行交互。 **2.5 Bochs 的工作方式** Bochs通过一系列的类和函数实现了对x86 CPU及各种硬件设备的模拟。用户可以通过命令行或图形界面来配置模拟环境，加载不同的操作系统镜像，进而模拟一个完整的PC系统。Bochs的工作流程包括： - **初始化阶段**：加载配置文件，初始化各个模拟组件。 - **模拟阶段**：根据用户的指令执行模拟过程。 - **结束阶段**：保存状态，清理资源。 通过上述章节的分析可以看出，Bochs不仅是一个强大的模拟工具，也是一个学习x86架构和PC系统工作原理的好教材。对于从事底层程序设计或硬件开发的人来说，深入研究Bochs的源码能够帮助他们更好地理解和掌握计算机系统的运作机制。