调试引导扇区
调试是软件开发过程中重要的一个环节。通常我们开发的软件是运行在操作系统之上的，调试器也运行在操作系统之上，加之大多数集成开发环境对调试器的集成非常完美，所以我们调试软件的时候非常轻松。但是如果是开发操作系统呢？操作系统该如何调试？今天老李结合代码教大家操作系统启动过程中的第一个步骤 -- 引导扇区的调试。
开发环境如下：
- 系统：
Ubuntu 18.04.4 LTS - 汇编器：
GNU as (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30 - 调试器：
GNU gdb (Ubuntu 8.1-0ubuntu3.2) 8.1.0.20180409-git - 虚拟机：
QEMU emulator version 2.11.1(Debian 1:2.11+dfsg-1ubuntu7.21) - 引导扇区代码：boot.s
在操作系统的开发过程中我们通常使用QEMU虚拟机来运行我们开发的操作系统，使用GDB作为调试工具。GDB支持远程调试，这是通过一个简单的协议来实现的。QEMU支持该协议，所以我们可以配合这两者来完成我们的调试工作。
先编译生成引导扇区文件：
$ as --32 boot.s -o boot.o
$ objcopy -O binary -j .text boot.o boot.bin
通过如下命令启动虚拟机：
$ qemu-system-i386 boot.bin -S -s
-S参数告诉虚拟机启动后先不运行。 -s参数告诉虚拟机开启一个GDB服务器等待客户端的连接，服务默认监听TCP端口1234。
启动GDB：
$ gdb -q
(gdb)
-q参数表示静默启动，不显示版本信息。
连接到目标服务器：
(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
warning: No executable has been specified and target does not support
determining executable automatically. Try using the "file" command.
0x0000fff0 in ?? ()
(gdb)
设置CPU架构为i8086，因为最开始的这段代码运行在16位实地址模式：
(gdb) set architecture i8086
The target architecture is assumed to be i8086
(gdb)
这个设置可能不会生效，这是gdb新版本中的一个bug，之前的版本是没有这个问题的。关于这个bug的讨论在这里。解决方案是手动设置一个描述文件。
(gdb) set tdesc filename target.xml
(gdb)
设置当程序停住或单步调试时自动显示指令：
(gdb) display/i $cs*16+$pc
1: x/i $cs*16+$pc
0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b
(gdb)
16位实地址模式下物理地址计算方式为段寄存器左移4位，即乘以十进制的16，再加上偏移地址。
因为BIOS会将引导扇区加载到0x7c00处开始执行，所以我们在这里打个断点：
(gdb) b *0x7c00
Breakpoint 1 at 0x7c00
(gdb)
输入c使虚拟机恢复运行：
(gdb) c
Continuing.
Breakpoint 1, 0x00007c00 in ?? ()
1: x/i $cs*16+$pc
=> 0x7c00: mov $0x7c0,%ax
(gdb)
观察第6行，正是我们的引导扇区的第一条指令。
查看寄存器内容：
(gdb) info registers
eax 0xaa55 43605
ecx 0x0 0
edx 0x80 128
ebx 0x0 0
esp 0x6f04 0x6f04
ebp 0x0 0x0
esi 0x0 0
edi 0x0 0
eip 0x7c00 0x7c00
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x0 0
ss 0x0 0
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
此时eax寄存器的内容为0xaa55。单步执行下一条指令再查看寄存器内容：
(gdb) si
0x00007c03 in ?? ()
1: x/i $cs*16+$pc
=> 0x7c03: mov %ax,%ds
(gdb) info registers
eax 0x7c0 1984
ecx 0x0 0
edx 0x80 128
ebx 0x0 0
esp 0x6f04 0x6f04
ebp 0x0 0x0
esi 0x0 0
edi 0x0 0
eip 0x7c03 0x7c03
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x0 0
ss 0x0 0
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
此时eax寄存器的内容为0x7c0。继续调试：
(gdb) si
0x00007c05 in ?? ()
1: x/i $cs*16+$pc
=> 0x7c05: mov $0xb800,%ax
(gdb) info registers
eax 0x7c0 1984
ecx 0x0 0
edx 0x80 128
ebx 0x0 0
esp 0x6f04 0x6f04
ebp 0x0 0x0
esi 0x0 0
edi 0x0 0
eip 0x7c05 0x7c05
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x0 0
ss 0x0 0
ds 0x7c0 1984
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
此时数据段寄存器ds的内容已经是0x7c0了。再向后执行两条指令并查看寄存器内容：
(gdb) si 2
0x00007c0a in ?? ()
1: x/i $cs*16+$pc
=> 0x7c0a: xor %si,%si
(gdb) info registers
eax 0xb800 47104
ecx 0x0 0
edx 0x80 128
ebx 0x0 0
esp 0x6f04 0x6f04
ebp 0x0 0x0
esi 0x0 0
edi 0x0 0
eip 0x7c0a 0x7c0a
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x0 0
ss 0x0 0
ds 0x7c0 1984
es 0xb800 47104
fs 0x0 0
gs 0x0 0
此时附加数据段寄存器es的内容为0xb800。
引导扇区调试的基本过程就是这样了。在调试过程中可能会需要重启虚拟机，如果重新手动执行qemu和gdb，再重新走一遍上面的流程多少是有点麻烦的。下面教大家两种直接重启虚拟机的方法。
- 切换到
QEMU窗口并按Ctrl-Alt-2以获取QEMU监视器，键入命令system_reset并使用Ctrl-Alt-1切换回去。如下所示：
跳转到
BIOS重置指令的地址0xf000:0xfff0处。(gdb) set $cs = 0xf000 (gdb) set $pc = 0xfff0 (gdb) c Continuing. Breakpoint 1, 0x00007c00 in ?? () 1: x/i $cs*16+$pc => 0x7c00: mov $0x7c0,%ax (gdb)
命令摘要（使用前删除提示和注释）：
$ qemu-system-i386 boot.bin -S -s
(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) set architecture i8086 # 16-bit mode
(gdb) display/i $cs*16+$pc # show next instruction
(gdb) b *0x7c00 # breakpoint at boot sector
(gdb) set $cs = 0xf000
(gdb) set $pc = 0xfff0 # reboot
(gdb) c # continue execution
(gdb) si # step instruction
(gdb) x/5i $cs*16+$pc # disassemble five instrs
(gdb) info registers # show all registers