學習操作系統原理最好的方法是自己寫一個簡單的操作系統。
寫程序不免需要調試，寫不同的程序調試方式也不同。如果做應用軟件開發，相應的程序調試方式是建立在有操作系統支持的基礎上的。而我們現在是要開發操作系統，如何調試操作系統的程序呢？如果操作系統程序直接跑在真機上或虛擬機上（比如VirtualBox）是很難調試的，所以我們在開發階段操作系統程序主要在虛擬機QEMU上跑，因爲QEMU支持調試。當然很多事情都是有利也有弊的，QEMU雖然支持調試，但它的運行效率比VitrualBox要低，所以我們最終的GrapeOS程序是跑在VirtalBox上的。QEMU需要結合GDB才能實現調試，下面我們一起來學習一下。
一、QEMU調試模式
在Windows的cmd命令行中輸入如下一行命令：
qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img -S -s
上面這行命令比之前多了兩個參數，“-S”表示讓CPU在將要執行第一條指令前暫停，“-s”表示讓QEMU打開自帶的GDB服務端功能，且網絡端口號是1234。截圖如下：
執行上面的命令後，會彈出QEMU的窗口：
從上圖中可以看到QEMU窗口中間顯示一行文字“Guest has not initialized the display(yet).”，此時QEMU已進入調試模式。當QEMU進入調試模式後，就在等待GDB客戶端來連接它。當GDB客戶端連接上QEMU的GDB服務端就可以調試了。就像我們用PowerShell連接到CentOS就可以在PowerShell中操縱CentOS一樣，此時PowerShell是客戶端，CentOS是服務端。下面我們來介紹GDB客戶端。
二、GDB調試
GDB分爲服務端和客戶端，單說GDB，一般是指GDB客戶端。GDB是Linux中的一個調試軟件，所以我們準備在CentOS中使用它。首先我們通過PowerShell登錄CentOS。
1.安裝GDB
首次使用GDB可能需要安裝一下：
yum install gdb
2.啓動GDB
敲命令gdb就運行了，如下圖：
3.GDB連接到QEMU
在GDB中輸入如下命令連接QEMU：
target remote 192.168.10.102:1234
上面這行命令中的IP地址“192.168.10.102”是我的Windows的IP地址，你需要替換成你的Windows的IP地址。截圖如下：
如上截圖所示，我們已經通過GDB連接到QEMU了。圖中倒數第二行的十六進制數“0x0000fff0”表示CPU將要執行的指令地址。還記得前面介紹的實模式下1M內存的佈局嗎？這個地址在BIOS中，是CPU執行的第一條指令所在的地址。
4.設置斷點
設置斷點是調試必備的一個功能，比如我們在0x7c00處設置個斷點：
b *0x7c00
這樣就設置好了一個斷點。可以用同樣的方式設置多個斷點。
5.繼續運行
這個命令簡單，只有一個字母“c”，然後回車即可讓CPU繼續運行，當遇到斷點時會自動暫停。截圖如下：
6.查看寄存器
查看所有寄存器的命令是i r，截圖如下：
從上圖中可以看到此時CPU中很多寄存器的值，有朋友可能會有個疑問，以前學的寄存器是“ax、bx、cx……”這些，上面截圖中怎麼是“eax、ebx、ecx……”呢？原因是當年8086CPU的寄存器都是16位的，也就是“ax、bx、cx……”這些，很多講x86彙編語言的資料都只講了8086下的情況。而我們現在啓動的是32位x86模擬器“qemu-system-i386”，所有通用寄存器多了一個字母“e”表示擴展，從16位擴展成了32位。這些32位通用寄存器中的低16位就是原來的16位寄存器，比如eax的低16位還是ax，ah和al仍然表示ax的高8位和低8位，其它寄存器也一樣。這就是兼容，能讓舊程序在新CPU上運行。之前的16位寄存器中只有段寄存器沒有擴展，還是16位的，而且還增加了2個，分別是fs和gs。增加的這2個段寄存器作用和es基本一樣，之所以增加是怕在複雜的程序中出現段寄存器不夠用的情況。當數據比較多的時候GDB一般只輸出一部分，此時如果按回車鍵還會顯示出其它一些寄存器，但我們用不上，按“q”鍵退出繼續輸出即可。
下面來看一下如何查看單個寄存器，比如我們要查看寄存器ax的值，輸入命令p $ax，如果想以十六進制顯示可以輸入命令p /x $ax，截圖如下：
7.查看內存
命令格式：x /nfu addr
n表示數量
f表示格式：x(hex), d(decimal), c(char)等。
u表示顯示單位：b(byte), h(halfword), w(word), g(giant, 8 bytes)。
下面我們分別演示查看0x7c00開始的8個單字節、8個雙字節、8個四字節、8個八字節的內存值。截圖如下：
雖然目前看到的數據都是0，但我們以後寫上程序就不一樣了。
8.反彙編
有時候需要將機器碼反彙編成彙編代碼方便查看，下面我們以反彙編0x7c00開始的10個字節爲例：
disas 0x7c00,+10
截圖如下：
上面截圖中顯示的彙編代碼是GDB默認的AT&T語法，我們可以設置改成Intel語法：
set disassembly-flavor intel
截圖如下：
需要說明一下的是這裏的反彙編結果是錯的。因爲它是按照32位模式反彙編的，而我們現在還處在16位實模式中，所以這個反彙編功能只能等後面我們進入32位模式纔有用。至於反彙編16位代碼我們會在後續教程中介紹其它方法。
9.執行下一條指令
在調試的時候有時需要一條指令一條指令的單步執行，單步執行的命令是si。
從上面的截圖可以看到，每輸入一個si回車，就會執行一條命令。每個si命令下面一行中的十六進制數表示下一條指令的地址，可以看到地址在不斷增加，說明的確在執行指令。如果想知道每一步都執行了什麼指令，可以用下面這個命令來反彙編下一條要執行的指令：
set disassemble-next-line on
從上面截圖中可以看到每一步的指令，但這個反彙編結果也是錯的，原因和上面的一樣。
順便介紹個小技巧，如果不輸入命令直接回車會重複上一個GDB命令，就像上圖中最後兩步，什麼命令都沒有直接回車就表示重複執行si這個GDB命令。
10.退出GDB
本講最後介紹的指令是退出GDB，非常簡單，輸入q，然後再輸入y即可。 截圖如下：
退出GDB後就又回到進入GDB前的Linux命令行環境中了。
三、退出GDB後的問題
如果大家按照上面順序做實驗，退出GDB後，CPU佔用率會比較高，和上講中的情況一樣，直接關閉QEMU窗口即可。這個問題我們在下一講中解決。
本講視頻版地址：https://www.bilibili.com/video/BV18G4y1P7CU/
本教程代碼和資料：https://gitee.com/jackchengyujia/grapeos-course
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