Josh Triplett以一個(gè)“笑點(diǎn)”開始了他在PyCon 2015上的演講：移植Python使其無需操作系統(tǒng)運(yùn)行：他和他的英特爾同事讓解釋器能夠在GRUB引導(dǎo)程序、BIOS或EFI系統(tǒng)上運(yùn)行。連演講的休息時(shí)間也沒放過，他有很多有趣的要說的事情，還有許多讓人大開眼界的演示。

Python在Boot Loader上運(yùn)行的最初想法是能夠測(cè)試硬件，像BIOS，可擴(kuò)展固件接口（EFI）以及高級(jí)配置和電源接口（ACPI），而無需去寫一些“一次性測(cè)試項(xiàng)目“程序集。傳統(tǒng)來說，英特爾已經(jīng)寫了很多針對(duì)DOS（BIOS系統(tǒng)）或EFI系統(tǒng)的測(cè)試程序。無論是DOS還是EFI都不提供環(huán)境保護(hù)，這樣程序就能夠駐入在內(nèi)存和硬件中去做他們所需的任何事情。

他不過是想用腳本來寫測(cè)試代碼而已，“因?yàn)檫@樣比較有趣”。他既不想寫太多的 C 語言代碼，也不想像以前那樣用那個(gè)能計(jì)算 C-類 表達(dá)式的 GRUB shell。 其實(shí), 他說，“C 代碼寫的越少， 我就越輕松"。

隨著時(shí)間的推移, 移植到 GRUB 中的 Python 已經(jīng)變成操控硬件的利器。它又把我們帶回到使用 PEEK 和 POKE 在 Commodore 64(or DOS) 上面操控硬件的美好時(shí)光。“那些事是現(xiàn)在的硬件設(shè)備無法完成的”他說。 

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GRUB中的PYTHON

BIOS Implementation Test Suite(BITS)，正如其名，將會(huì)運(yùn)行在多種固件上的GRUB中：32位BIOS或32/64位EFI。他使用原始的GRUB或GRUB 2。基于標(biāo)準(zhǔn)的PYTHON解釋器(如CPython)，但是他道歉道：它使用PYTHON2.7。這個(gè)工具的目標(biāo)受眾對(duì)這個(gè)版本的語言相當(dāng)熟悉。如果不是這樣，他更喜歡在以后遷移到Python 3.

有一個(gè)“讀取-求值-輸出 循環(huán)” 交互環(huán)境[read-eval-print loop (REPL)]讓你完全訪問Python語言。它包括Tab完成，歷史記錄，和行編輯。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫的“大量碎片”已經(jīng)被一直BITS上運(yùn)行。最重要的是，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)添加了一些對(duì)平臺(tái)支持的模塊：CPU,SMP(symmetric multi-processing),ACPI,EFI以及其他。INTEL已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試集以及 使用Python寫了使用以上模塊的一些試探性的工具。

Triplett然后從幻燈片切換到了虛擬機(jī)的GRUB中運(yùn)行一個(gè)Python解釋器的提示界面。他輸入了兩句語句到解釋器來展示它支持列表解析和任意大的整數(shù)（如：bignums）。

要獲得一個(gè)python交互環(huán)境，GRUB需要調(diào)用一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)：

PyRun_InteractiveLoop(stdin, "<stdin>"); 

它會(huì)處理所有REPL[讀取-執(zhí)行-輸出 循環(huán)]，包括對(duì)輸入的解析和執(zhí)行、行編輯等等。
這兩個(gè)參數(shù)簡單的表明了在哪里獲取輸入 和 當(dāng)發(fā)生異常時(shí)在traceback里要輸出什么來當(dāng)做源文件。但是想要能在GRUB里調(diào)用那個(gè)函數(shù)還有一些工作要做。

因?yàn)椴荒苁褂脕碜杂?Linux 主機(jī)的工具鏈和特性，這個(gè)項(xiàng)目不能像平常那樣安裝和配置 Python。對(duì)于 GRUB 來說，沒有 GNU 目標(biāo)聲明（例如：用于交叉編譯的 cpu-vendor-od-triple）和目標(biāo)頭文件可以使用。因此，BITS 將所有的 Python 源文件添加到了 GRUB 的構(gòu)件系統(tǒng)中。本質(zhì)上說那僅僅是一些GRUB 添加 Python 所必需的 C 語言文件。通常，autoconf 將創(chuàng)建 Python 構(gòu)件程序中的apyconfig.h 文件來說明哪些功能在平臺(tái)上存在。相反的，這個(gè)項(xiàng)目手動(dòng)的創(chuàng)建 apyconfig.h 文件大量“不，我沒有這個(gè)功能”的配置參數(shù)和一小撮“是”的條目。

許多在 pyconfig.h 文件中被列出的功能是被（或不被）操作系統(tǒng)所提供的，但是在這種情況下是沒有操作系統(tǒng)的。Python 的確需要最低限度的一些支持功能，以及一些額外被配置的特性。這個(gè)項(xiàng)目需要去做的是提供任何被渴望而又不存在功能。

CPython 需要什么

那么，什么情況下你真的需要運(yùn)行 CPython？Triplett 提供的大量實(shí)例來證明什么時(shí)候需要運(yùn)行 CPython。有一些平常的文件操作就需要了，比如說：使用 stat () 來確定一個(gè)路徑是否包含 __init__或是文件中是否包含 __init__。增加 simpleisatty()（以位為單位，文件描述符是少于三則返回 true）好比經(jīng)歷一個(gè) seek() 執(zhí)行一樣。為了支持那些功能，不得不添加一個(gè)簡單的文件描述符表，因?yàn)?GRUB 的文件功能使用結(jié)構(gòu)體指針，而不是描述符。

解析器把一個(gè)字符放回在輸入流的時(shí)候，Python 也需要使用 ungetc() 。而不是在添加一個(gè)字符緩沖區(qū)的時(shí)候使用，即添加"快速 hack"來尋找后一個(gè)字符。添加開放式編碼的 qsort() 時(shí)也一樣一樣要使用  ungetc()；GRUB 不任何支持排序。

GRUB還沒有支持的另一個(gè)方面是浮點(diǎn)運(yùn)算。項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)許可的浮點(diǎn)運(yùn)算庫FDLIBM。它沒有使用任何浮點(diǎn)硬件加速，這在GRUB環(huán)境是非常有用的。這意味啊即使在固件沒完全初始化浮點(diǎn)運(yùn)算硬件時(shí)也能使用浮點(diǎn)運(yùn)算。

在使用Python時(shí)，我們大量使用printf()和sprintf()。大部分情況，GRUB版本工作很好，但對(duì)“%%”（輸出一個(gè)”%“）這種特殊格式還不支持。事實(shí)證明，Python頻繁使用格式化的字符串輸出。

在被發(fā)現(xiàn)和修復(fù)之前，怪異的BUG仍然存在。

這個(gè)工程還有一些性能問題需要解決。首先，啟動(dòng)時(shí)間出乎意料的長。對(duì)硬件來說，這是十分痛苦的事情，但是在 CPU 的模擬電路上也很糟糕（“我們不想花三天時(shí)間做引導(dǎo)”）。部分問題來自于 Python 的解釋器，每次它讀取一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候都要調(diào)用 usesungetc()。GRUB 沒有太多高速緩存的磁盤，所以所有 I/O 端口直接訪問磁盤。

通過加入對(duì) .pyc (Python 字節(jié)代碼)文件格式的支持，這個(gè)工程能夠提前減少許多語法分析工作。主機(jī)的版本和 GRUB 的版本在同一時(shí)刻編譯，用于 Python 文件在啟動(dòng)時(shí)的編譯工作。

這做出了實(shí)質(zhì)性的提升，但是由于stat()的原因，啟動(dòng)時(shí)間仍然有些慢。他說在Linux系統(tǒng)上，stat()僅花費(fèi)幾微秒的時(shí)間，但是BITS版本會(huì)花費(fèi)幾毫秒。增加對(duì)zipimport的支持能讓工程把所有的.py文件打包放入一個(gè)單一的ZIP文件中來避免對(duì)stat()的調(diào)用。

這個(gè)工程希望做有歷史和tab自動(dòng)補(bǔ)全的REPL（讀取﹣求值﹣輸出循環(huán)），但是一般獲得支持的方式是使用GUN的Readline library。這個(gè)庫由有終端設(shè)備的POSIX（可移植操作系統(tǒng)接口）提供環(huán)境支持。開發(fā)者不想寫一個(gè)“C代碼文件”來支持它，所以他們用Python寫了一個(gè)讀取線支持來替代。CPython的PyOS_ReadlineFunctionPointer被稱為一個(gè)使用C語言API的新Python函數(shù)的C函數(shù)集合。

為了能夠使用其他的操作和多種的測(cè)試套件，仍迫切需要構(gòu)建 GRUB 的動(dòng)態(tài)菜單。GRUB 已經(jīng)為設(shè)備提供了磁盤和文件系統(tǒng)像磁盤分區(qū)和 CD 驅(qū)動(dòng)器（例如：“(hd0)”,"(cd)"）因此 BITS 增加了一個(gè)的“(python)”設(shè)備和一個(gè)工作起來像在 Linux 用戶空間的文件系統(tǒng)（譯者注：打不開請(qǐng)加梯子）。因此 Python 代碼能訪問任意的內(nèi)存文件，例如在 (python)/menu.cfg 下的菜單配置文件，“即使我們沒有寫更多的C代碼”，Triplett 說道。

訪問硬件

既然目標(biāo)是提供一個(gè)友好的測(cè)試硬件環(huán)境，Python 需要能夠訪問它。一個(gè)叫做“bits”的模塊被添加進(jìn)來提供訪問各種硬件的功能，例如：CPUID，特殊模塊寄存器 (MSRs)，I/O 端口，和內(nèi)存映射 I/O。他用幾行代碼展示了這些能力。

>>> import bits  
>>> from ctypes import *  
>>> c = bits.cpuid(0, 0)  
>>> c  
cpuid_result(eax=0x..., ebx=..., ecx=..., edx=...) 

他引入ctypes模塊，以便在下一部分演示中“操作原始內(nèi)存片”。對(duì)于那些想要深挖一些的人來說，幾乎所有演示都可以在這個(gè)YouTube視頻的演講中看到。cpuid()調(diào)用返回了CPU0的CPUID，他之后將其打印出來。他問：“這是不是很有趣？我們正從Python中得到處理器的寄存器信息。” 接著，他使用Python來解釋這個(gè)結(jié)果：

>>> buf = (c_uint32*3)(c.ebx, c.edx, c.ecx)  
>>> (c_char*12).from_buffer(buf).value  
'GenuineIntel' 

三個(gè)寄存器包含描述處理器類型的標(biāo)識(shí)符。他使用ctypes模塊中的類型，以字符串的形式重新解釋這三個(gè)寄存器（按照之前的順序）的信息，結(jié)果顯示為處理器類型。

Intel希望能夠測(cè)試高度并行化的系統(tǒng)，但GRUB只了解啟動(dòng)了的CPU的信息。所以BITS在系統(tǒng)中喚醒每個(gè)CPU，并把它們放入一個(gè)睡眠循環(huán)中，使用MWAIT（x86監(jiān)視器等待指令）等待工作的到來。特定CPU有專門的喚醒函數(shù)和執(zhí)行函數(shù)。

這個(gè)項(xiàng)目還準(zhǔn)備用Python獲取ACPI的信息和方法。這參考了ACPI組件架構(gòu) (ACPICA)的實(shí)現(xiàn)并把它加入BITS中。由于全部是C代碼，所以增加了Python綁定。這一做法使得Python可以調(diào)用任意ACPI方法——只要先將參數(shù)轉(zhuǎn)換成ACPI類型并將結(jié)果轉(zhuǎn)成Python類型。他用了一個(gè)簡單的Python程序演示了如何將虛擬機(jī)中所有設(shè)備的硬件ID顯示出來:

>>> import acpi  
>>> print acpi.dump('_HID') 

Triplett聲稱他不會(huì)繼續(xù)深入講解BITS硬件探索的細(xì)節(jié)。他已經(jīng)在其它演講中更加詳盡地解釋過了。 

英特爾也希望系統(tǒng)能使用這個(gè)固件而不是BIOS訪問EFI。這種擴(kuò)展名義上是指一切在EFI中都是”協(xié)議“，每一個(gè)都包含了原生c語言函數(shù)調(diào)用。要做到這樣，通過libffi提供的外部函數(shù)接口被移植到GRUB并且添加了支持EFI調(diào)用轉(zhuǎn)換的功能。使用這種方式和Python c類型的模塊（Python提供的c語言類型的接口和函數(shù)）允許解釋器訪問EFI。他僅使用Python演示了訪問EFI的方法：

>>> import efi  
>>> out = efi.system_table.ConOut.contents  
>>> out.ClearScreen(out)  
[ which clears the screen ]  
>>> out.OutputString(out, 'Hello world!\r\n')  
Hello world! 

訪問EFI后，允許Python使用EFI文件協(xié)議去創(chuàng)建目錄和寫文件到EFI文件系統(tǒng)中。這是非常有幫助的，因?yàn)镚RUB僅僅能夠讀文件。不僅僅如此，存在著圖像輸出協(xié)議(GOP)能夠讀寫屏幕內(nèi)容。正如他所解釋的，幻燈片就是簡單的圖像，事實(shí)上是通過在筆記本上BITS和EFI顯示出來的。在BITS的環(huán)境下，做出了這個(gè)幻燈片和demo，因此，事實(shí)來說，整個(gè)演示就是一個(gè)demo，他說這些話時(shí)周圍響起了掌聲。這樣做是不需要任何一行新的C語言代碼的。

最后他保存了認(rèn)為最好的demo，并從EFI（可擴(kuò)展固件接口）GOP（畫面組）的幀緩沖區(qū)中作為Python啟動(dòng)，當(dāng)他敲完最后的幾行代碼，很明顯機(jī)器開始識(shí)別了，計(jì)算并顯示了一個(gè)400x400大小的 Mandelbrot set（曼德布洛特集合）的灰度圖片。他對(duì)周圍鼓掌的人說：“在EFI圖形協(xié)議中僅用八行Python代碼顯示了不規(guī)則圖形（Fractal）”。大約要15秒來繪出圖像，有點(diǎn)慢，他說，那不是Python的問題，而是因?yàn)槭褂眉冘浖M(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算了。

在談話最后，Triplett指出在BITS（后臺(tái)智能傳輸服務(wù)）里沒有中斷處理的鉤子函數(shù)（hook），但是這很容易就添加上的。他說，在像Mirage OS（和其它的“類似操作系統(tǒng)”）也能在BITS上添加Python代碼，并且和這沒有多大區(qū)別。“待辦事件清單上的下一個(gè)有趣的項(xiàng)目”是添加Python綁定的EFI TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和鉤子到Python的socket模塊，看看能否在那樣的環(huán)境（BITS）下運(yùn)行一個(gè)簡單的HTTP服務(wù)（SimpleHTTPServer）。這樣就能添加一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)REPL（web REPL）”到BITS環(huán)境了。

英文原文：Python without an operating system