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。

flowchart TB
    SD["TF 卡 windows95b.img<br/>bochs_libc.c → Bochs harddrv"] -->|"fs_read / fs_write"| BIOS["x86 BIOS 启动<br/>读 MBR → MSDOS → Win95"]
    ROM["内置 ROM<br/>BIOS + VGA BIOS"] -->|"bochs_roms.S"| CPU["Bochs CPU<br/>i486dx4 + x87 软件浮点<br/>10 MB 内存"]
    BIOS <-->|"启动"| CPU
    CPU --> GUI["Bochs VGA → bochs_gui.cc<br/>RGB565 画面缓冲"]
    GUI -->|"DEV_kbd_gen_scancode"| KBD["Bochs 键盘控制器"]
    KBD --> CPU
    GUI -->|"display_sunxi_show_rgb"| PANEL["显示视频层<br/>1024x768 面板"]
    UART["串口控制台 UART1<br/>一次一个键"] -->|"按键"| GUI

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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）：

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：

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

flowchart TD
    M["main<br/>fs_mount /SD:"] --> RC["拼 bochsrc 字符串<br/>注册为内存文件 bochsrc"]
    RC --> RUN["bochs_run<br/>注册 BIOS / VGA BIOS 为内存文件"]
    RUN --> BM["bochs_main()<br/>读配置 · 建设备 · 进 CPU 循环"]
    BM --> LOOP{"CPU 循环"}
    LOOP -->|"执行虚拟机指令"| LOOP
    LOOP -->|"端口 / 内存读写"| DEV["Bochs 设备模型"]
    DEV -->|"磁盘扇区"| FS["fs_read / fs_write<br/>TF 卡镜像文件"]
    DEV -->|"VGA 变化"| GUI["bochs_gui.cc<br/>text_update / graphics_tile_update"]
    GUI --> PIC["RGB565 缓冲<br/>flush()"] --> SHOW["display_sunxi_show_rgb"]
    LOOP -->|"周期性"| EV["handle_events()<br/>uart_poll_in → 扫描码"]
    EV --> KBD["DEV_kbd_gen_scancode"] --> DEV

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