利用虚拟机(QEMU)学习X86指令集0

引言

接下来的几个日志,我会写几篇关于如何学习X86指令集,也是帮助自己梳理和记忆知识点。
下面是我大概总结了一下,一个操作系统需要掌握的知识点,仅供参考欢迎斧正!

学习内容

上图用户层应用程序以及硬件部分暂不是本文考虑范围,中间的三个软件部分“Linux内核/模块”、“IA32e指令”以及“BIOS/UEFI部分指令”都可以通过本文的方法学习。需要说明的是,虽然这里划分了三个部分,并不是操作系统上的划分,只是一个建议的学习的阶段划分。

BIOS/UEFI 部分设计的指令

是指硬件上电后CPU执行的最早期的指令。通常包括BIOS、boot loader等。
这部分可以通过x86-bare-metal-examples来学习

IA32e指令

是指操作系统已经经过一些初始化操作,例如开启页表、开启32bit或者32e模式、段寄存器初始化、开启中断(APIC/X2APIC)、开启SMP支持等。
在这样的环境中,我们可以更专注于X86指令集的研究。上述初始化过程可以等日后展开讲述。

Linux内核/模块

基本上Linux 内核开发涵盖之前两个方面,只是上来就学习Linux内核有点复杂,代码量太大。并且,本系教程的重点在于学习X86指令,并不在Linux中复杂的功能实现。

如何利用QEMU学习

首先确保系统里安装了qemu,步骤略。大概有两种形式使用QEMU

编译

随便举个例子,来自kvm-unit-test:

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gcc -m64 -g -Wall -fno-pic -no-pie -std=gnu99 -ffreestanding \
-I /home/works/kvm-unit-tests/lib -I /home/works/kvm-unit-tests/lib/x86 -I ./lib \
-c -o x86/tsc.o x86/tsc.c

gcc -I /home/works/kvm-unit-tests/lib -I /home/works/kvm-unit-tests/lib/x86 \
-I lib -T /home/works/kvm-unit-tests/x86/flat.lds -fno-pic -no-pie -nostdlib \
x86/tsc.c x86/cstart64.o lib/libcflat.a /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/libgcc.a \
-o x86/tsc.elf

objcopy -O elf32-i386 x86/tsc.elf x86/tsc.flat ##&& ./x86-run x86/tsc.flat

编译一个test case,代码如下:

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int main(void)
{
u64 t1, t2;
asm volatile ("rdtsc" : "=a"(a), "=d"(d));
t1 = a | ((long long)d << 32);

asm volatile ("rdtsc" : "=a"(a), "=d"(d));
t2 = a | ((long long)d << 32);

printf("rdtsc latency %u\n", (unsigned)(t2 - t1));

return 0;
}

这样得到一个测试两次rdtsc指令执行的时间差的测试tsc.flat。当然上面辣么麻烦的编译啊、链接啊都是为了得到最终的测试的binary,或者叫可执行文件?!我们后面有很多种方法以及机会得到这样的测试代码,如果读者一时没有成功,不要终止于此,不要气馁。

在虚拟机中作为内核直接运行(-kernel)

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qemu-system-x86_64 -vnc none -serial stdio -machine accel=kvm -kernel x86/tsc.flat

这样运行的虚拟机,看上去并不真的像是一个“虚拟机”,因为没有窗口,仅仅是console端文字输出。但这样足够我们验证和尝试CPU 指令,而且非常的轻量。个人比较喜欢这样的运行方式。

制作一个镜像文件,并且使用QEMU启动

我们可以手动制作一个镜像,步骤如下。但最后一步安装grub的时候,需要的条件有点苛刻,需要本地装有较新版本的grub-x86_64-efi。如果本地没有环境的同学,可以直接跳过制作镜像,直接下载文末的制作好的镜像文件raw.img。

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$  dd if=/dev/zero of=raw.img bs=512 count=1048576
1048576+0 records in
1048576+0 records out
536870912 bytes (537 MB, 512 MiB) copied, 1.22641 s, 438 MB/s

$ losetup /dev/loop0 raw.img
$ fdisk /dev/loop0
Welcome to fdisk (util-linux 2.27.1).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.
Device does not contain a recognized partition table.
Created a new DOS disklabel with disk identifier 0xe68d8ac0.

Command (m for help): g
Created a new GPT disklabel (GUID: 93A91033-E421-48DD-88E9-662C17E83136).

Command (m for help): n
Partition number (1-128, default 1):
First sector (2048-999966, default 2048):
Last sector, +sectors or +size{K,M,G,T,P} (2048-999966, default 999966):
Created a new partition 1 of type 'Linux filesystem' and of size 487.3 MiB.

Command (m for help): t
Selected partition 1
Hex code (type L to list all codes): 1
Changed type of partition 'Linux filesystem' to 'EFI System'.


Command (m for help): w

#then to ensure the disk status
$ sudo fdisk -l /dev/loop0


#注意:
#1.the disk type must be gpt
#2.disk identifier should have sha id
#3.the type must be EFI System
Disklabel type: gpt
Disk identifier: 93A91033-E421-48DD-88E9-662C17E83136
Device Start End Sectors Size Type
/dev/loop0p1 2048 999966 997919 487.3M EFI System

$ partprobe /dev/loop0
$ lsblk
loop0 7:0 0 488.3M 0 loop
└─loop0p1 259:4 0 487.3M 0 loop

$ sudo mkfs.vfat -F 32 /dev/loop0p1
mkfs.fat 3.0.28 (2015-05-16)
$ mkdir /virtfs
$ mount -o rw,umask=000 /dev/loop0p1 /virtfs
$ grub-install --removable --root-directory=/virtfs --target=x86_64-efi /dev/loop0p1
Installing for x86_64-efi platform.
Installation finished. No error reported.

$ cp /boot/grub/grub.cfg /virtfs/boot/grub/grub.cfg

同样,这里附上UEFI/OVMF的build 方法,但同样可以直接下载文末的binary,毕竟这不是本文的主要内容。

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$ git clone git://github.com/tianocore/edk2.git
$ cd edk2
# Because the latest version is missing a file, switch to an older version
$ git checkout 984ba6a467
$ cd edk2
$ make -C BaseTools
$ . edksetup.sh


$ vi Conf/target.txt
#Find
# ACTIVE_PLATFORM = Nt32Pkg/Nt32Pkg.dsc
# and replace it with
# ACTIVE_PLATFORM = OvmfPkg/OvmfPkgX64.dsc
# Find
# TOOL_CHAIN_TAG = MYTOOLS
# and replace it with your version on GCC here for example GCC 4.6 will be used.
# TOOL_CHAIN_TAG = GCC5 //this is your gcc version
# Find
# TARGET_ARCH = IA32
# and replace it with 'X64' for 64bit or 'IA32 X64' to build both architectures.
# TARGET_ARCH = X64
#mode detail:https://wiki.ubuntu.com/UEFI/EDK2
$ build
$ find -name "OVMF.fd"
#./Build/OvmfX64/DEBUG_GCC5/FV/OVMF.fd
$ vim ~/.bashrc
# add this to bashrc "export OVMF_PATH=/home/huihuang/git/edk2/Build/OvmfX64/DEBUG_GCC5/FV/OVMF.fd"
$ source ~/.bashrc

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#!/bin/bash
mkdir -p virt_fs
sudo losetup /dev/loop7 raw.img
partprobe /dev/loop7
sudo cp x86/tsc.elf virt_fs/tsx.elf
# sudo umount $(virt_fs_path)

上面这个脚本是将之前生成的tsx.flat文件copy到预先准备好的镜像里面。同时,需要确保镜像中的grub.cfg文件中有正确的entry:

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menuentry 'acrn_unit_test' {
recordfail
load_video
insmod gzio
if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi
insmod part_gpt
insmod ext2
set root='hd0,gpt0'
search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,gpt0 --hint-efi=hd0,gpt0 --hint-baremetal=ahci0,gpt4 A807-B387
multiboot /tsx.elf
}

要启动这个镜像需要使用OVMF(EDK2项目中的软件模拟的UEFI)。下面是QEMU的启动参数

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       DISPLAY=:0 qemu-system-x86_64 --bios OVMF_CODE.fd \
-drive file=raw.img,index=0,media=disk,format=raw \
-serial mon:stdio -m 1024M -smp cpus=4 \
-cpu Nehalem,+sse,+avx,+xsave,+sse2,+sse3,+mpx,+fpu,level=13 #-vnc :0

这里所需的所有文件都放在文末以备下载。
这样启动的虚拟机,就有种仪式感了,QEMU会创建一个窗口,同时因为有UEFI/OVMF,所以可以看到一个虚拟的BIOS画面,然后还有GRUB的选择菜单,选择刚刚创建的tsx.elf的入口。

OVMF 点击下载:OVMF
raw.img 点击下载: raw.img

调试虚拟机代码

请参考 Debug QEMU with GDB

小结

自此如何利用虚拟机学习底层编程的准备工作都已经搞定,我们会在后面的文章里陆续介绍X86的指令。可能不一定系统,甚至可以说的是零碎。因为Intel SDM实在是太长了,能吃透个一章半节的就挺开心的了。仅仅是为想学相关技术的同学们一点点思路,有不对的地方请留言指正!

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