Win95 - Bochs x86 模拟

在板子上用 Bochs 模拟一台 486 级的 x86 PC，从 TF 卡上的磁盘镜像启动 Windows 95。组件是 ~/f101-zephyr/zephyr-components/bochs，示例是 samples/pc。Bochs 是用 C++ 写的解释型模拟器，在 RISC-V 板子上整个跑在软件里，没有任何硬件加速，所以很慢。

准备

开始前请先完成配置开发环境和获取 Zephyr 代码。需要：

一块插好的 TF 卡，根目录放着已装好 Windows 95 的硬盘镜像；
串口终端，接 UART1（PB00/PB01，115200 8N1），键盘输入就在这个终端里打字；
板子屏幕，虚拟机画面显示在 1024×768 的面板上。

准备镜像

本文不提供任何镜像，也不带 Windows 的任何文件，需要用户自备，并自己确认授权。

示例要的是 TF 卡根目录下的一个平铺（flat）硬盘镜像，里面是已经装好 Windows 95 的整块硬盘（含 MBR 和分区表），不是安装光盘的 ISO，不是 VHD/VMDK 等带头的格式（对应的 Bochs 镜像插件在这里全是空桩）。

镜像用的是 Bochs 项目 archive.org 页面上的现成镜像：archive.org/details/bochs_windows_images。该页没有写明授权，请自行确认。用到的两个文件和几何参数：

镜像	柱面 / 磁头 / 每磁道扇区	大小
`Win31.img`（Windows 3.1）	260 / 16 / 63	134184960 字节
`windows95b.img`（Windows 95 OSR2）	507 / 16 / 63	261660672 字节

大小对得上：507 × 16 × 63 × 512 = 261660672。柱面、磁头、扇区数必须和镜像一致，Bochs 平铺镜像没有头部，换一个镜像就要改 prj.conf 重新编译。

步骤：

把镜像放到 TF 卡的根目录，文件名和 prj.conf 里的路径一致（这里用 windows95b.img）。卡要是 FAT 或 exFAT，支持长文件名。
先在 PC 上备份一份原文件。模拟器会往镜像里写（Windows 的注册表、交换文件），用坏了就换回备份。
Bochs 异常退出会在镜像旁留下 <镜像>.lock，示例每次启动先 fs_unlink() 删掉它。

编译

在工作区里执行下面的命令。组件在 zephyr-components/bochs，Bochs 本体是它的 git 子模块 Bochs/。子模块没拉的话先拉，否则 CMake 会报 Bochs sources missing：

cd ~/f101-zephyr/zephyr-components
git submodule update --init bochs/Bochs

然后编译。samples/pc 自己的 CMakeLists.txt 已经用 ZEPHYR_EXTRA_MODULES 把 bochs 组件加进来，prj.conf 里已经选好了 Windows 95 镜像，不需要额外参数：

. ~/f101-zephyr/env.sh
cd ~/f101-zephyr
west build -b yuzukineko -d build/win95 zephyr-components/bochs/samples/pc

产物是 build/win95/zephyr/zephyr.bin，约 2.9 MB，链接地址 0x40000000。第一次配置时 CMake 会用 git apply 把 patches/ 里的补丁打到 Bochs 子模块上（见补丁），子模块的工作区因此显示为已修改，这是预期的。

samples/pc/prj.conf 里和镜像有关的几行（磁盘路径、几何参数、文本镜像）：

CONFIG_SAMPLE_PC_DISK="/SD:/windows95b.img"
CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_CYLINDERS=507
CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_HEADS=16
CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_SPT=63

CONFIG_BOCHS_TEXT_MIRROR=y

换成别的镜像就改这几行，柱面、磁头、扇区数必须和镜像一致。Windows 3.1 的镜像是 /SD:/Win31.img，柱面 260。

产物 zephyr.bin 为 2946308 字节，RAM 占用 17.6%，链接到 0x40000000（板子共 16 MB）。

运行

下载方式见编译与运行。调试用方式一：

xfel ddr f101-s3
xfel write 0x40000000 build/win95/zephyr/zephyr.bin
xfel exec 0x40000000

板子要插着放了镜像的 TF 卡。画面在板子的屏幕上；键盘输入在 UART1 的串口终端里打字。

运行后的输出

挂载 TF 卡与 BIOS 启动

执行 xfel exec 后，UART1 依次输出：

sd mount: 0，列出 TF 卡文件，lock file removed: 0；
Bochs 横幅 Bochs x86 Emulator 3.1.devel，reading configuration from mem:bochsrc；
VGA BIOS：Bochs VGABios (PCI) 0.9d，NO Bochs VBE Support available!；
BIOS：Bochs 3.0.devel BIOS，ata0 master: Generic 1234 ATA-6 Hard-Disk ( 249 MBytes)，Press F12 for boot menu.；
Booting from Hard Disk...，Invalid setting in the MSDOS.SYS file: WINVER=4.10.，Starting Windows 95...。

249 MBytes 与镜像的 507 × 16 × 63 × 512 = 261660672 字节一致。

BIOS 的文字写在 VGA 文本屏上，不在串口上。CONFIG_BOCHS_TEXT_MIRROR 把文本屏变化的行以 |行号|文本 打到串口，上面的 BIOS 行就是这样来的。它在 samples/pc/prj.conf 里默认打开，因为不开的话串口上看不到 BIOS 的任何内容。代价是进入图形模式后这些行是噪声。BIOS 之前会先打出 25 行由未初始化显存产生的乱码行，之后才是正常文字。

完整输出（截取自 TF 卡挂载之后）：

sd mount: 0
sd: file windows95b.img 261660672
sd: file windows95.img 471859200
sd: file Win31.img 134184960
（TF 卡上其余文件的 sd: 行省略）
lock file removed: 0
========================================================================
                     Bochs x86 Emulator 3.1.devel
             Built from GitHub snapshot after release 3.1
                  Compiled on Oct 11 2026 at 07:19:39
========================================================================
00000000000i[      ] BXSHARE not set. using compile time default '(null)'
00000000000i[      ] reading configuration from mem:bochsrc
（此处省略 25 行 |00|..|24| 乱码行：BIOS 启动前文本镜像读到未初始化的显存，是噪声）
|00|Bochs VGABios (PCI) 0.9d 07 Aug 2026
|01|This VGA/VBE Bios is released under the GNU LGPL
|03|Please visit :
|04| . https://bochs.sourceforge.io
|05| . https://www.nongnu.org/vgabios
|07|NO Bochs VBE Support available!
|09|Bochs 3.0.devel BIOS - build: 08/23/26
|10|Options: apmbios pcibios pnpbios eltorito
|12|ata0 master: Generic 1234 ATA-6 Hard-Disk ( 249 MBytes)
|14|Press F12 for boot menu.
[00:00:01.727,000] <err> fs: file open error (-2)
|16|Booting from Hard Disk...
|17|Invalid setting in the MSDOS.SYS file: WINVER=4.10.
|18|Starting Windows 95...

几处输出的含义：

lock file removed: 0 是示例启动时删掉了上次异常退出留下的 windows95b.img.lock；没有这个文件时返回 -2（-ENOENT），也正常。
BXSHARE not set. using compile time default '(null)' 是 Bochs 打印空字符串指针时 picolibc 给出的 (null)，无影响。
省略的那 25 行 |00|…|24| 是文本镜像在 BIOS 之前读到的未初始化显存，属于噪声。
<err> fs: file open error (-2) 是 -ENOENT，出现在 BIOS 阶段，之后流程继续往下走。
Invalid setting in the MSDOS.SYS file: WINVER=4.10. 是虚拟机里的 DOS 打印的，之后继续到 Starting Windows 95...。
进入图形模式后串口没有新输出，接下来看板子屏幕。

警告

Win95 启动菜单有 30 秒倒计时。虚拟机时钟必须和主机速度对上（CONFIG_SAMPLE_PC_IPS，默认 3000000）。默认的 5000 万会让这 30 秒在板上变成半个小时。

Windows 95 启动画面与桌面

板子屏幕上，1024×768 的面板中画面居中。先是 Windows 95 的启动画面（Microsoft Windows 95、Microsoft Internet Explorer）：

板子屏幕上的 Windows 95 启动画面

接着进到桌面，弹出 Welcome to Windows 95 对话框（Did you know... 提示页，右边是 Windows Tour、What's New 等按钮）。桌面上有 My Computer、Inbox、Recycle Bin、The Internet、My Briefcase、Online Services 和 Set Up The Microsoft Network 图标，任务栏有 Start 按钮、Welcome 窗口按钮，右下角的时钟是 1:47 AM：

板子屏幕上的 Windows 95 桌面和 Welcome 对话框

对话框上的鼠标指针是 Windows 自己画的：Windows 95 启动后总会在屏幕上渲染指针，不管有没有鼠标。板子这边没有把鼠标接到触摸屏或 USB 上（见功能范围），所以这个指针不会动。

实现原理

层	文件	作用
模拟器核	`Bochs/`（子模块，LGPL-2.1+）的 `cpu/`、`memory/`、`iodev/`	486 CPU、x87（softfloat）、PIC、PIT、DMA、CMOS、键盘控制器、软盘控制器、IDE 硬盘、串口/并口（空桩）、喇叭、普通 VGA
构建	`CMakeLists.txt`、`Kconfig`	源文件列表、编译选项、缓存大小。打补丁。编译成 Zephyr 库 `bochs`
配置头	`include/config.h`	给 RISC-V 32 位配好的 Bochs 配置头（CPU 级别 4）
C 库适配	`shim/`、`src/bochs_libc.c`、`src/bochs_setjmp.S`	补 minimal libc 没有的 POSIX 头、文件流、`sscanf`、`strtod`、`setjmp/longjmp`（CPU 靠 `longjmp` 离开一条指令）
显示和键盘	`src/bochs_gui.cc`	代替 Bochs 的 `nogui`：画面和串口键盘
桩和入口	`src/bochs_stubs.cc`	没编进来的设备的入口、socket 桩、C++ 运行时、自检、心跳；`bochs_run()`
ROM	`src/bochs_roms.S`	用 `.incbin` 把 Bochs 的 BIOS 和 VGA BIOS 链进镜像
示例	`samples/pc/src/main.c`	挂载 TF 卡，生成 bochsrc 字符串，调用 `bochs_run()`

数据流

bochsrc：模拟的机器长什么样

配置不是文件，是 main.c 里拼的一段字符串，用 mem:bochsrc 这个内存文件交给 Bochs。samples/pc/src/main.c 第 142–166 行：

n = snprintf(rc, sizeof(rc),
        "romimage: file=mem:BIOS-bochs-legacy\n"
        "vgaromimage: file=mem:VGABIOS-lgpl-latest\n"
        "megs: %d\n"
        "cpu: count=1, ips=%d\n"
        "boot: disk\n"
        "display_library: nogui\n"
        "vga: extension=none\n"
        "mouse: enabled=0\n"
        "clock: sync=none, time0=1000000000\n"
        "port_e9_hack: enabled=1\n"
        "log: -\n"
        "panic: action=fatal\n"
        "error: action=ignore\n"
        "info: action=ignore\n"
        "debug: action=ignore\n",
        CONFIG_SAMPLE_PC_MEGS, CONFIG_SAMPLE_PC_IPS);
if (CONFIG_SAMPLE_PC_DISK[0] != '\0') {
  n += snprintf(rc + n, sizeof(rc) - n,
          "ata0-master: type=disk, path=\"%s\", mode=flat, cylinders=%d, heads=%d, spt=%d\n",
          CONFIG_SAMPLE_PC_DISK, CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_CYLINDERS,
          CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_HEADS, CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_SPT);
}
bx_mem_file("bochsrc", rc, n);

return bochs_run(4, argv);

几处要点：

boot: disk：只从硬盘启动。没有 ata0-slave、没有 ata1，没有软盘和光驱。
vga: extension=none：关掉 VBE，因为 VBE 显存要 8 MB。
mouse: enabled=0：鼠标关。
display_library: nogui：是 Bochs 的名字，实际链接的是 bochs_gui.cc（它里面的类还叫 bx_nogui_gui_c），见下面。
clock: sync=none, time0=1000000000：虚拟机时钟只由指令数推动，起点固定。

显示：`bochs_gui.cc`

CMake 里，只要启用了 CONFIG_DISPLAY_SUNXI 就编这个文件，代替 Bochs 自带的 gui/nogui.cc。

画面缓冲 pic 最大 720×480 RGB565（MAX_W、MAX_H），虚拟机分辨率超过会 BX_PANIC。
文本模式：基类在 new_text_api = 1 时对每个字符格调用 draw_char()，这里用 Bochs 的 VGA 字体 vga_charmap 画点阵。
图形模式：graphics_tile_update() 按 16×24 的分块，把调色板索引转成 RGB565。调色板变化在 palette_change() 里处理。只有调色板索引的图形模式，没有 16/24/32 位真彩色。
flush() 在有改动时把缓冲刷 cache，再用 display_sunxi_show_rgb() 放到视频层（nonblock = true），由显示引擎缩放到 1024×768 面板。

void bx_nogui_gui_c::flush(void)
{
  ...
  dirty = false;
  sys_cache_data_flush_range(pic, pic_w * pic_h * sizeof(Bit16u));
  img.data = pic;
  img.width = pic_w;
  img.height = pic_h;
  img.stride = pic_w * sizeof(Bit16u);
  img.xrgb8888 = false;
  img.nonblock = true;
  display_sunxi_show_rgb(disp, &img);
}

要改画面输出（例如改成整数倍缩放、画到 ARGB 层、加叠加显示速度），改这个函数。

键盘：`bochs_gui.cc` 的 `handle_events()`

没有 USB 键盘，没有按键矩阵。键盘就是串口控制台：uart_poll_in() 读到的字节进一个 256 字节的环，然后每隔至少 60 ms 取一个，ascii_key() 转成扫描码，送给 Bochs 的键盘控制器。

while (uart_poll_in(console, &c) == 0) {
  if (((head + 1) & 255) != tail) {
    ring[head] = c;
    head = (head + 1) & 255;
  }
}
now = k_uptime_get();
if (head != tail && now - last_ms >= 60) {
  last_ms = now;
  ascii_key(ring[tail]);
  tail = (tail + 1) & 255;
}

为什么要一个一个送：串口终端一次把整行发过来，虚拟机键盘队列装不下，会丢键。所以串口敲字再粘贴整段话是可以的，但每个字符要排队 60 ms。

ascii_key() 能转换的字符：小写字母、大写字母（带 Shift）、数字、)!@#$%^&*(、空格、回车、退格、Tab、Esc，以及 - = , . / ; ' \ [ \ _ + : ? " < >。<strong>没有</strong>的：]、、、|、~` 等；方向键、F1–F12、Ctrl、Alt、Delete、Home/End 等。

磁盘：`bochs_libc.c`

Bochs 的 hdimage 用 open/read/write/lseek 访问镜像。minimal libc 没有这些，src/bochs_libc.c 用 Zephyr 的 fs_open/fs_read/fs_write/fs_seek 补了一套文件描述符和 FILE。所以磁盘镜像就是 /SD:/… 下的一个文件。

Bochs 的 vmware3/vmware4/vbox/vpc/vhdx/vvfat 这些镜像格式插件在 src/bochs_stubs.cc 里都是返回 0 的桩（STUB 宏，注释写着“other than flat/growing”），所以只有 flat 和 Bochs 自带的 growing 格式可用，本文只用 flat。

内存

Bochs 原版的几项配置装不下，所以改小，见下面的补丁。

补丁

patches/ 里的五个补丁，CMake 配置时对子模块 git apply：

补丁	内容
`0001-icache-size.patch`	指令缓存、trace 缓存、自修改代码表的大小可配置
`0002-no-stl.patch`	去掉 `std::string`
`0003-small-bios-window.patch`	BIOS 窗口 128 KiB，原版 4 MiB
`0004-digest.patch`	寄存器摘要定时器，用来和原生 Bochs 逐行比对（`CONFIG_BOCHS_DIGEST`）
`0005-zero-ram.patch`	虚拟机内存启动时清零

配置选项

示例（samples/pc/Kconfig）：

选项	默认	说明
`CONFIG_SAMPLE_PC_DISK`	`""`（Kconfig）；`prj.conf` 设为 `"/SD:/windows95b.img"`	平铺硬盘镜像路径，空串表示不挂磁盘
`CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_CYLINDERS`	914（Kconfig）；`prj.conf` 设为 507	磁盘柱面数，必须和镜像一致
`CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_HEADS`	16	磁头数
`CONFIG_SAMPLE_PC_DISK_SPT`	63	每磁道扇区数
`CONFIG_SAMPLE_PC_PATCH_AUTOEXEC`	n	启动时原地改 v86 镜像的 `AUTOEXEC.BAT`，偏移写死为 63808512，只对那个 450 MB 镜像有意义
`CONFIG_SAMPLE_PC_IPS`	3000000	虚拟机时钟：每虚拟秒的指令数。比板子实际速度大，虚拟机里的计时就会变慢
`CONFIG_SAMPLE_PC_VERIFY`	n	启动时读整个镜像并打印 `crc32 <文件> <值>`
`CONFIG_SAMPLE_PC_MEGS`	10	虚拟机内存，MiB
`CONFIG_SAMPLE_PC_TEST_PATTERN`	n	不启动模拟器，只在视频层显示 720×400 的测试图，用来单独检查显示通路

组件（Kconfig）：

选项	默认	说明
`CONFIG_BOCHS`	n	打开组件（依赖 `RISCV` 和 `CPP`，选择 `FILE_SYSTEM`）
`CONFIG_BOCHS_ICACHE_ENTRIES`	4096	解码指令缓存项数（每项 32 字节，2 的幂）。原版 512K 项，16 MiB
`CONFIG_BOCHS_PAGE_STAMP_ENTRIES`	16384	自修改代码的页戳个数（每个 4 字节，2 的幂）。16384 项覆盖 64 MiB，表小了只会多刷几次缓存
`CONFIG_BOCHS_TRACE_ENTRIES`	4096	trace 缓存项数（每项 24 字节，2 的幂）。原版 64K 项
`CONFIG_BOCHS_TRACE_POOL`	8192	trace 缓存池，解码指令条数。原版 576K 条
`CONFIG_BOCHS_TEXT_MIRROR`	n（Kconfig）；`prj.conf` 设为 y	把虚拟机文本屏变化的行以 `\|行\|文本` 打到串口。BIOS 的文字只有这样才能在串口上看到；图形模式下是噪声
`CONFIG_BOCHS_SELFTEST`	n	启动模拟器前先跑 C 库、浮点、softfloat 自检，打印 `memtest:`、`fp:`、`softfloat:`
`CONFIG_BOCHS_DIGEST`	n	定时器每隔一段虚拟时间打印虚拟机寄存器摘要（`DG` 行），用来和另一个 Bochs 构建比对
`CONFIG_BOCHS_DIGEST_PERIOD`	1000000	摘要周期，虚拟微秒（`IPS=3000000` 时一虚拟微秒是 3 个 tick）。依赖 `BOCHS_DIGEST`
`CONFIG_BOCHS_DIGEST_CODE`	n	每次摘要附带 eip 处的代码字节并做缓冲比对。依赖 `BOCHS_DIGEST`
`CONFIG_BOCHS_DIGEST_FROM`	0	摘要窗口起点（虚拟 tick）。依赖 `BOCHS_DIGEST`
`CONFIG_BOCHS_DIGEST_TO`	0	摘要窗口终点（虚拟 tick），0 表示不设窗口。依赖 `BOCHS_DIGEST`
`CONFIG_BOCHS_HEARTBEAT`	n	每秒打印一次虚拟机 `eip` 和每秒虚拟 tick 数，用来判断虚拟机有没有在跑

samples/pc/prj.conf 里和本应用相关、默认就开的选项：CONFIG_CPP、CONFIG_STD_CPP17、CONFIG_BOCHS、CONFIG_MAIN_STACK_SIZE=65536、CONFIG_COMMON_LIBC_MALLOC_ARENA_SIZE=-1（堆用满剩余内存）、CONFIG_SDHC、CONFIG_DISK_DRIVER_SDMMC、CONFIG_FAT_FILESYSTEM_ELM、CONFIG_FS_FATFS_EXFAT、CONFIG_FS_FATFS_LFN、CONFIG_DISPLAY。CONFIG_DISPLAY_SUNXI_FB_DIV=1 是显示驱动的帧缓冲分频。

功能范围

鼠标：bochsrc 写死 mouse: enabled=0，GUI 里的 mouse_enabled_changed_specific() 是空函数，板上的触摸屏没有接给 Bochs。Windows 95 大部分操作靠鼠标，需要时在 bochs_gui.cc 里接入。
键盘：只有串口键盘，没有方向键、功能键、Ctrl、Alt。每个键间隔 60 ms，粘贴长文本按这个速度排队。
声音：没有声卡模型。网络：没有网卡模型，socket 等函数是返回 -1 的桩。
PCI、VBE：BIOS 输出 NO Bochs VBE Support available!，只有标准 VGA。
光驱：bochsrc 里没有光驱，boot 只有 disk。

排错

现象	原因与处理
CMake 报 `Bochs sources missing`	子模块没拉：`git submodule update --init bochs/Bochs`
`sd mount:` 不是 0	卡没插好，或不是 FAT/exFAT
BIOS 里找不到硬盘，或 `ata0 master` 容量不对	镜像路径写错，或柱面/磁头/扇区数和镜像不一致
Windows 报某个系统文件缺失	镜像坏了（多半是不干净拔卡），用 `CONFIG_SAMPLE_PC_VERIFY` 的 crc32 和原文件对
启动倒计时极慢	`CONFIG_SAMPLE_PC_IPS` 比板子实际速度大，保持 3000000 或更小
启动就停在 `unreliable XMS memory at address 00100004h`、虚拟机死循环	`romimage` 里写了 `address=`，不要写
文本显示右边缘出现下一行的开头	`dimension_update()` 没把 `fwidth/fheight` 复制到 `guest_fwidth/guest_fheight`，或者没设 `new_text_api = 1`
起动后卡在设备初始化	内存分配失败返回 NULL（没有异常），先看堆

准备​

准备镜像​

编译​

运行​

运行后的输出​

挂载 TF 卡与 BIOS 启动​

Windows 95 启动画面与桌面​

实现原理​

数据流​

bochsrc：模拟的机器长什么样​

显示：bochs_gui.cc​

键盘：bochs_gui.cc 的 handle_events()​

磁盘：bochs_libc.c​

内存​

补丁​

配置选项​

功能范围​

排错​

准备