5.9　程序的调试技术

5.9.1　开源的Bochs 虚拟机软件

程序员的工作就像是在历险，困难重重，途中不可避免地要遇上暗礁。有时候，少了一个字符，或者多了一个字符，或者拼错了字符，程序就无法成功编译；有时候，尽管能够编译，但程序中存在逻辑错误，要么少写了语句，要么算法不对，运行的时候也得不到正确结果。

有时候，错误的原因很简单，就是因为马虎和误操作，但很难知道问题出在哪里。等到你终于发现的时候，一天，甚至几天的时间已经花掉了。在这种情况下，没有调试工具来找到程序中隐藏的错误是不行的。有时候，即使有调试工具的帮助，也会令人筋疲力尽，不过有总比没有好。在现实的世界里，不管是经验老道的程序设计师，还是刚入门的新手，没有谁敢说自己的程序是不需要调试的。

调试工具并不是智能到可以自动发现程序中的错误，这是不可能的。但是，它可以单步执行你的程序（每执行一条指令后就停下来），或者允许你在程序中设置断点，当它执行到断点位置时就停下来。这时，它可以显示处理器各个寄存器的内容，或者内存单元里的内容。因此，你可以根据机器的状态来判断程序的执行结果是否达到了预期。通过这种方式，你可以逐步逼近出现问题的地方，直到最终发现问题的所在。市面上有多种流行的程序调试工具软件，但它们通常都像你用的其他软件一样工作在操作系统之上。

麻烦的是，本书中的程序全都只能运行在没有操作系统的祼机下。这意味着，所有流行的调试工具都不可用。不过，好消息是，一款叫做Bochs 的软件可以帮助你。

Bochs 是开源软件，是你唯一可选择的调试器。开源意味着，你不用花钱购买就可以使用它。它用软件来模拟处理器取指令和执行指令的过程，以及整个计算机硬件。当它开始运行时，就直接模拟计算机的加电启动过程。正是因为如此，它才有可能做一些调试工作。

很重要的一点是，它本身就是一个虚拟机，类似于VirtualBox。因此，它也就很容易让你单步跟踪硬盘的启动过程，查看寄存器的内容和机器状态。在本书中，我们的程序都是直接从BIOS 那里接管处理器的控制权，因此，Bochs 的这个特点正好能够用来完成调试工作。不像本书中使用的其他工具，bochs 的使用方法在网上很容易搜索到。

要使用Bochs，首先要从它的官网下载安装程序。下载地址是：

在本书的配书文件包中，有一个关于如何下载、安装和配置Bochs 的帮助文档，有WORD 和PDF 两种格式可以选用。请按照帮助文档的说明，安装和配置好Bochs。

一般来说，你会选择VirtualBox 虚拟机来观察运行结果，而在调试程序时使用Bochs。因此，最好是它们共用同一个虚拟硬盘文件（VHD 文件）。通过阅读帮助文档，你应该已经知道如何做到这一点，这里就不再赘述。

5.9.2　Bochs 下的程序调试入门

Bochs 虚拟机启动后，首先在当前的工作文件夹下寻找并读入配置文件bochsrc.bxrc，然后按它的参数调整当前虚拟机的各种“软硬件”配置和工作参数。

就像一台真正的计算机一样，Bochs 的“处理器”在加电之后，要开始取指令并执行指令。但是，与真正的处理器不同，如图5-10 所示，Bochs 在执行它启动之后的第一条指令时，会停下来，等待你的调试命令。

如图中所示，命令窗口的底部显示了当前正在等待执行的那条指令，即“jmp far f000:e05b”。在这条指令中，关键字“far”是不必要的，而且在Bochs 中，数值默认是十六进制的。因此，该指令就是

很显然，转移的目标位置是ROM-BIOS。

在那一行的左侧，显示了该指令所在的物理内存地址，该地址是用方括号围起来的。你可能会想，它怎么会是0x00000000FFFFFFF0 呢？

8086 有20 根地址线，加电启动之后，代码段寄存器（CS）的内容为0xFFFF，指令指针寄存器IP 的内容为0x0000，因此，第一条指令的物理地址是20 位的0xFFFF0。但是，8086 处理器已经成为历史，它之后的处理器都能够兼容8086 的功能，但却拥有超过32 根的地址线。在当前的这个Bochs 虚拟机上，地址线的数量是32 根。因此，Bochs 在这里用64 位的宽度来显示物理地址。但是，它的值应该是0x00000000000FFFF0，不是吗？

事情是这样的，和8086 不同，现代处理器在加电启动时，段寄存器CS 的内容为0xF000，指令指针寄存器IP 的内容为0xFFF0，这就使得处理器地址线的低20 位同样是0xFFFF0。这还不算完，在刚刚启动时，处理器将其余（高位部分）的地址线强制为高电平。因为当前Bochs 虚拟机的地址线是32 根，所以，初始发出的物理内存地址就是0x00000000FFFFFFF0 了。

之所以这样做，是因为处理器的设计者希望把ROM-BIOS 放到4GB（32 根地址线可提供的寻址范围是2 ³² ＝4GB）可寻址内存范围的最高端，这样，4GB 以下，连同传统的低端1MB 都是连续的RAM 区，连续的、不间断的RAM 能为操作系统管理内存带来方便。

问题在于，计算机制造商们会考虑很多现实问题。老的硬件和软件依赖于低端1MB 的ROMBIOS 来工作，这涉及到兼容性。最终，这两个地址区段都指向同一块ROM 芯片。

在物理地址的后边，是逻辑地址，即段寄存器CS 和指令指针寄存器IP 的内容，是以十六进制显示的，等效于0xf000:0xfff0。在这一行的右边，Bochs 还以注释的形式显示了指令的机器代码，即EA 5B E0 00 F0。

现在的情况是，Bochs 还没有执行该指令，它需要你的指示。此时，你可以单步执行指令。单步执行的意思是，每次只执行一条指令，执行完毕后再次停下来等待你的命令。

单步执行命令是“s”（step）。如图5-11 所示，输入“s”命令后回车，Bochs 执行刚才那条指令，然后停下来，同时显示下一条即将执行的指令。

如图中所示，指令执行后，下一条等待执行的指令为xor ax,ax，对应的机器指令码为31 C0，所在的物理内存地址是0x00000000000FE05B。注意，物理地址变了。

现代的x86 处理器在加电后，所有高端的地址线都被强制为高电平，直至遇到并执行了第一个段间转移指令。段间转移指令是在两个代码段之间实施控制转移，也就是同时改变段寄存器CS和指令指针寄存器IP 的JMP 指令，像jmp 0xf000:0xe05b 就是一个典型的例子。因此，当该指令执行后，处理器发出的物理地址就仅仅取决于CS 和IP 了。

接下来，你可以继续单步执行。但是，老在BIOS 中转悠也没什么意思。要知道，你调试的程序位于主引导扇区中。依靠单步执行，得什么时候才能执行到主引导扇区代码！

不用担心，Bochs 提供了断点指令“b”（break）。所谓断点，就是事先设置一个（物理）内存地址，当处理器执行到这个地址时，就自动停下来。因为计算机启动后，总是把主引导程序加载到物理内存地址0x7c00 处，所以，可以将这个地址设为断点。

如图5-12 所示，输入“b 0x7c00”。意思是，在处理器执行到地址0x7c00 处的那条指令时，就停下来。然后，再输入命令“c”。

命令“c”（continue）是持续执行的意思，该命令要求处理器不间断地持续执行指令。但是，如果设置了断点，它就会在断点处停下来。因此，如图5-13 所示，当“c”命令执行后，它会在执行到物理内存地址0x7c00 时停下来。

如图中所示，当前等待执行的指令是mov ax,0xb800，这就是本章源代码的第一条指令；该指令的物理地址是0x0000000000007C00，指令的机器代码为B8 00 B8。

如图5-14 所示，此时，可以输入命令“r”（register）来显示通用寄存器的内容。

我知道，对于图中的内容，你一定会摇摇头表示看不懂，这其实很正常。我们此时正在介绍8086 处理器，如图5-15 所示，它有8 个16 位的通用寄存器AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP 和SP。其中，前4 个寄存器还可以各自分成两个独立的8 位寄存器来用，即AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH 和DL；后4 个寄存器只能作为16 位寄存器整体使用。除此之外，从图中可以看出，它的指令指针寄存器IP 也是16 位的。

正如你已经知道的，8086 已经成为历史，现在我们所使用的处理器，都是32 位或者64 位的。32 位x86 处理器对寄存器做了扩展，使之达到32 位，以处理32 位的数据。如图中所示，这8 个32 位寄存器分别是EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP 和ESP，它们可以在程序中直接做为32 位寄存器使用。同时，指令指针寄存器IP 也做了扩展，达到32 位，即EIP。为了保持同8086 的兼容性，这些寄存器的低16 位依然保持以前的用法，这使得以前的程序可以在32 位处理器上正常运行。

在64 位处理器上，这些寄存器再次被扩展，达到了64 位，即RAX、RBX、RCX、RDX、RSI、RDI、RBP、RSP 和RIP。同时，它们的低32 位（包括低16 位）依然保持从前的用法。

除此之外，64 位的x86 处理器还新增了8 个64 位的寄存器R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14 和R15，它们只能整体作为64 位的寄存器来用。

屏幕的底部还显示了标志寄存器EFLAGS 的状态。有关标志寄存器的内容将在后面的章节里具体阐述，这里先不用管它。有关32 位处理器的内容，将在本书的后半部分讲解；有关64 位处理器的内容，将在本套图书的其他分册讲解。

注意，尽管Bochs 把所有寄存器都显示为64 位的宽度，如RAX，但这并不表明你的处理器就一定是64 位的。它的目的很简单，仅仅是希望用同一种最宽的格式来应付所有不同的处理器。

这样一说你就应该很清楚了，如前图5-14 所示，RAX 的内容是0x000000000000aa55，这就意味着，RAX 的高48 位是全零，低16 位（即AX）是0xAA55。

再比如那幅图中，RIP 的内容是0x0000000000007c00，它表明RIP 寄存器的高48 位是全零，低16 位（即IP）是0x7C00。

我们调试到哪一步了？

如图5-14 所示，当前正在等待执行指令是mov ax,0xb800。现在，我们用“s”命令单步执行该指令。如图5-16 所示，单步执行之后，下一条等待执行的指令是mov es,ax，该指令的物理内存地址是0x0000000000007C03。

因为刚才那条指令是将立即数0xB800 传送到寄存器AX，那么，我们现在可以用“r”命令来看看寄存器AX 的内容是否真的发生了改变。如图中所示，寄存器AX 的内容是0xB800，确实符合我们的预期。

接下来，继续用单步指令“s”来执行mov es,ax 指令。如图5-17 所示，该指令执行后，下一条即将执行的指令是

Bochs 的汇编指令格式和NASM 相比，在某些方面是不同的。实际上，这条指令就是本章程序中的

因为字面值’L’早在程序编译时就被转换成了立即数0x4c，所以，严格地说，这条指令在NASM 中的格式是

无论如何，这条指令还没有执行，刚才执行的是mov es,ax 指令。此时，段寄存器ES 中的内容应当是0xB800。

为了验证这一点，应当要求Bochs 显示段寄存器的内容。为此，需要使用“sreg”（segment register）命令。如图中所示，当输入“sreg”命令后，Bochs 显示了一大堆东西。

在32 位和64 位处理器中，除了段寄存器CS、SS、DS 和ES 外，还新增了两个段寄存器FS 和GS，这一点首先要明白。

然后，在32 位和64 位处理器中，以上6 个段寄存器都依然是16 位的，但都额外增加了一个不可访问的部分，叫做段描述符高速缓存器。段描述符高速缓存器由处理器内部使用，不能在程序中访问，里面存放了段的起始地址、段的扩展范围，以及段和各种属性，比如它是代码段还是数据段，是否可以写入，是否被访问过，等等。这些知识，将在本书的后半部分详细讲解。

如图中所示，Bochs 首先显示了段寄存器ES 中的内容，是0xb800，这符合我们的预期。同时，它还显示了ES 描述符高速缓存器的内容，因为还没有讲到，所以暂时不用管它。

接下来，如图5-18 所示，我们连续单步执行两次。对照本章的源程序，这实际上是执行了以下两条指令：

我们知道，这是在写文本模式下的显示缓冲区。因此，从物理内存地址0xB8000 处开始的两个字节必然是0x4C 和0x07。

为了验证这一点，需要显示内存中的内容，这可以使用命令“xp”（eXamine memory at Physical address），即，显示指定物理内存地址处的内容。xp 命令每次只显示一个双字。要显示多个双字，需要用“/”附加一个数量。然后，还应当指定一个物理内存地址。

如图5-18 所示，在这里，我们要求从物理内存地址0xB8000 开始，显示2 个双字。很快，Bochs 做出了回应，显示了两个双字0x0b6c074c 和0x0b780b65。

如图5-19 所示，双字数据在内存中的存放是按低端字节序的。因此，0x0b6c074c 这个双字数据，在内存中对应着从物理地址0xB8000 开始的4 个字节0x4C、0x07、0x6C 和0x0B。

至此，基本的程序调试技术就讲完了，你可以使用“q”（quit）命令退出Bochs 调试过程。

检测点5.5

1． 在你自己的计算机上重现以上的编译、运行（使用VirtualBox）和调试（使用bochsdbg）过程。

2． 单步执行本章程序，观察div 指令执行后的寄存器内容变化。 ++MiuULAgkQ3eidRYetgdhC5N4vpWCFvm8OF8gZmmxKOgewptN3IZDmG/LP4HQgd