（第4章 二）突破512字节的限制
一、代码
启动的过程中，引导扇区boot sector（boot.asm，07c00h开始，最多512bytes）负责把加载器Loader(loader.asm，长度不受限制)载入内存并且把控制权交给她。Loader再加载操作系统内核之前，还要作准备保护模式等一系列工作，就很可能超过512bytes了。
loader.asm代码在这里只是虚晃一枪，其具体功能编写放在“第五章 内核雏形”，不再赘述。
boot.asm中灰色部分为代码“主线”，基本思路为：
(1)LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN~~~LABEL_FILENAME_FOUND：在FAT12文件系统的“根目录区”中找到"loader.bin"对应的条目。
执行后[es:di]指向该条目内部的一个字节，而非条目的开始，根据P105“根目录分区的条目格式”可知，[es:di]指向条目中的位置如下图所示：
[DIR_NAME] [DIR_ATTR] [保 留] [DIR_WrtTime] [DIR_WrtDate] [DIR_FstClus] [DIR_FileSize]
长度(单位：byte)： 8+3 1 10 2 2 2 4
LOADER_ _BIN * ********** ** ** ** ****
|
di: 是字符'N'后面的那个字节
(2)LABEL_FILENAME_FOUND子程序：后面ReadSector中会用到int 13中断读磁盘，故在此准备3个寄存器内容——
ax <-- （全局）扇区号
es <-- BaseOfLoader (09000h)
bx <-- OffsetOfLoader (0100h)
在ReadSector中，会将（全局）扇区号ax 转换成 “柱面号ch”，“磁头号（即盘面号）dh”，“起始扇区号cl”，从而定位到磁盘上的一个扇区。另外，在ReadSector中另行指定“cl为待读扇区数”。int 13h的2号功能(ah=2)会将磁盘上的这若干个扇区读到[es:bx]开始的内存中。
(3)LABEL_GOON_LOADING_FILE~~~jmp BaseOfLoader:OffsetOfLoader之前：注意到根据“根目录区条目”只能找到“loader.bin”在磁盘上的“第一个扇区”，因此本部分在FAT表中顺藤摸瓜地找到loader.bin在磁盘上的“后续所有扇区号（这里也是簇号）”，并通过call ReadSector载入内存。
(4)jmp BaseOfLoader:OffsetOfLoader这条指令：（前面已经将磁盘中若干个扇区上的loader.bin文件载入BaseOfLoader:OffsetOfLoader开始的连续内存中了，这里）跳转到loader.bin，将控制权交给loader.bin。在下一章中将分析loader完成的功能——加载OS内核+跳入保护模式。
loader.asm
org 0100h mov ax, 0B800h mov gs, ax mov ah, 0Fh ; 0000: 黑底 1111: 白字 mov al, 'L' mov [gs:((80 * 0 + 39) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行, 第 39 列。 jmp $ ; Start
boot.asm
;%define _BOOT_DEBUG_ ; 做 Boot Sector 时一定将此行注释掉!将此行打开后用 nasm Boot.asm -o Boot.com 做成一个.COM文件易于调试
%ifdef _BOOT_DEBUG_
org 0100h ; 调试状态, 做成 .COM 文件, 可调试
%else
org 07c00h ; Boot 状态, Bios 将把 Boot Sector 加载到 0:7C00 处并开始执行
%endif
;================================================================================================
%ifdef _BOOT_DEBUG_
BaseOfStack equ 0100h ; 调试状态下堆栈基地址(栈底, 从这个位置向低地址生长)
%else
BaseOfStack equ 07c00h ; Boot状态下堆栈基地址(栈底, 从这个位置向低地址生长)
%endif
BaseOfLoader equ 09000h ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 段地址
OffsetOfLoader equ 0100h ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 偏移地址
RootDirSectors equ 14 ; 根目录占用空间
SectorNoOfRootDirectory equ 19 ; Root Directory 的第一个扇区号
SectorNoOfFAT1 equ 1 ; FAT1 的第一个扇区号 = BPB_RsvdSecCnt
DeltaSectorNo equ 17 ; DeltaSectorNo = BPB_RsvdSecCnt + (BPB_NumFATs * FATSz) - 2
; 文件的开始Sector号 = DirEntry中的开始Sector号 + 根目录占用Sector数目 + DeltaSectorNo
;================================================================================================
jmp short LABEL_START ; Start to boot.
nop ; 这个 nop 不可少 ???1为何
; 下面是 FAT12 磁盘的头
BS_OEMName DB 'ForrestY' ; OEM String, 必须 8 个字节
BPB_BytsPerSec DW 512 ; 每扇区字节数
BPB_SecPerClus DB 1 ; 每簇多少扇区
BPB_RsvdSecCnt DW 1 ; Boot 记录占用多少扇区
BPB_NumFATs DB 2 ; 共有多少 FAT 表
BPB_RootEntCnt DW 224 ; 根目录文件数最大值
BPB_TotSec16 DW 2880 ; 逻辑扇区总数
BPB_Media DB 0xF0 ; 媒体描述符
BPB_FATSz16 DW 9 ; 每FAT扇区数
BPB_SecPerTrk DW 18 ; 每磁道扇区数
BPB_NumHeads DW 2 ; 磁头数(面数)
BPB_HiddSec DD 0 ; 隐藏扇区数
BPB_TotSec32 DD 0 ; 如果 wTotalSectorCount 是 0 由这个值记录扇区数
BS_DrvNum DB 0 ; 中断 13 的驱动器号
BS_Reserved1 DB 0 ; 未使用
BS_BootSig DB 29h ; 扩展引导标记 (29h)
BS_VolID DD 0 ; 卷序列号
BS_VolLab DB 'OrangeS0.02'; 卷标, 必须 11 个字节
BS_FileSysType DB 'FAT12 ' ; 文件系统类型, 必须 8个字节
LABEL_START:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, BaseOfStack
; 清屏
mov ax, 0600h ; AH = 6, AL = 0h
mov bx, 0700h ; 黑底白字(BL = 07h)
mov cx, 0 ; 左上角: (0, 0)
mov dx, 0184fh ; 右下角: (80, 50)
int 10h ; int 10h
mov dh, 0 ; "Booting "
call DispStr ; 显示字符串
; int 13h is a shorthand for BIOS interrupt call 13h, the 20th interrupt vector in an x86-based computer system. The BIOS typically sets up a real mode interrupt handler at this vector that provides sector-based hard disk and floppy disk read and write services using cylinder-head-sector(CHS) addressing.
; Drive Table:
; DL=00h, 1st floppy disk ("drive A:")
; DL=01h, 2st floppy disk ("drive B:")
; DL=80h, 1st hard disk
; DL=80h, 2st hard disk
; Function Table:
; AH=00h, Reset Disk Drives
; AH=01h, Get Status of Last Drive Operation
; AH=02h, Read Sectors From Drive
; AH=03h, Write Sectors To Drive
; Parameters ...
; An interrupt handler, also known as an interrupt service routine (ISR), is a callback subroutine in microcontroller firmware, operating system or device driver whose execution is triggered by the reception of an interrupt.
xor ah, ah ; ┓
xor dl, dl ; ┣ 软驱复位
int 13h ; ┛
; 下面在 A 盘的根目录寻找 LOADER.BIN
mov word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory ;根目录分区的第一个扇区号SectorNoOfRootDirectory=19
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
cmp word [wRootDirSizeForLoop], 0 ; ┓ ;根目录分区占用的扇区数wRootDirSizeForLoop
jz LABEL_NO_LOADERBIN ; ┣ 判断根目录区是不是已经读完
dec word [wRootDirSizeForLoop] ; ┛ 如果读完表示没有找到 LOADER.BIN
; 从第 ax 个 Sector 开始, 将 cl 个 Sector 读入 es:bx 中
; call ReadSector后，[BaseOfLoader:OffsetOfLoader] （即[es:bx]），开始存放根目录分区的一个扇区的数据
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax ; es <- BaseOfLoader
mov bx, OffsetOfLoader ; bx <- OffsetOfLoader 于是, es:bx = BaseOfLoader:OffsetOfLoader
mov ax, [wSectorNo] ; ax <- Root Directory 中的某 Sector 号
mov cl, 1
call ReadSector
; 比较[ds:si] （即"LOADER BIN"）和 [es:di]（即根目录区中每个条目中 文件的名称）
mov si, LoaderFileName ; ds:si -> "LOADER BIN"
mov di, OffsetOfLoader ; es:di -> BaseOfLoader:0100 = BaseOfLoader*10h+100
cld
mov dx, 10h
LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN:
cmp dx, 0 ; ┓循环次数控制,
jz LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR ; ┣如果已经读完了一个 Sector,
dec dx ; ┛就跳到下一个 Sector
mov cx, 11
LABEL_CMP_FILENAME:
cmp cx, 0
jz LABEL_FILENAME_FOUND ; 如果比较了 11 个字符都相等, 表示找到
dec cx
lodsb ; ds:si -> al
cmp al, byte [es:di]
jz LABEL_GO_ON
jmp LABEL_DIFFERENT ; 只要发现不一样的字符就表明本 DirectoryEntry 不是
; 我们要找的 LOADER.BIN
LABEL_GO_ON:
inc di
jmp LABEL_CMP_FILENAME ; 继续循环
LABEL_DIFFERENT:
; 一个根目录区中的条目长20h (bytes)，详见P105
and di, 0FFE0h ; else ┓ di &= E0 为了让它指向本条目开头
add di, 20h ; ┃
mov si, LoaderFileName ; ┣ di += 20h 下一个目录条目
jmp LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN; ┛
LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
add word [wSectorNo], 1
jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN
LABEL_NO_LOADERBIN:
mov dh, 2 ; "No LOADER."
call DispStr ; 显示字符串
; 由于上面有这样一句：“jz LABEL_FILENAME_FOUND”，所以程序不会执行如下的预编译，而直接跳到LABEL_FILENAME_FOUND去 !
%ifdef _BOOT_DEBUG_
mov ax, 4c00h ; ┓
int 21h ; ┛没有找到 LOADER.BIN, 回到 DOS
%else
jmp $ ; 没有找到 LOADER.BIN, 死循环在这里
%endif
LABEL_FILENAME_FOUND: ; 找到 LOADER.BIN 后便来到这里继续
mov ax, RootDirSectors
and di, 0FFE0h ; di -> 当前条目的开始
add di, 01Ah ; di -> 首 Sector
mov cx, word [es:di]
push cx ; 保存此 Sector 在 FAT 中的序号
add cx, ax
add cx, DeltaSectorNo ; cl <- LOADER.BIN的起始扇区号(0-based)
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax ; es <- BaseOfLoader
mov bx, OffsetOfLoader ; bx <- OffsetOfLoader
mov ax, cx ; ax <- Sector 号
LABEL_GOON_LOADING_FILE:
push ax ; `.
push bx ; |
mov ah, 0Eh ; | 每读一个扇区就在 "Booting " 后面
mov al, '.' ; | 打一个点, 形成这样的效果:
mov bl, 0Fh ; | Booting ......
int 10h ; |
pop bx ; |
pop ax ; /
mov cl, 1
call ReadSector
pop ax ; 取出此 Sector 在 FAT 中的序号
call GetFATEntry
cmp ax, 0FFFh
; 下面需要将“FAT中的扇区号/簇号“ax 转换为“在整个磁盘中的扇区号”ax
jz LABEL_FILE_LOADED
push ax ; 保存 Sector 在 FAT 中的序号
mov dx, RootDirSectors
add ax, dx
add ax, DeltaSectorNo
add bx, [BPB_BytsPerSec]
jmp LABEL_GOON_LOADING_FILE
LABEL_FILE_LOADED:
mov dh, 1 ; "Ready."
call DispStr ; 显示字符串
; *****************************************************************************************************
jmp BaseOfLoader:OffsetOfLoader ; 这一句正式跳转到已加载到内
; 存中的 LOADER.BIN 的开始处，
; 开始执行 LOADER.BIN 的代码。
; Boot Sector 的使命到此结束
; *****************************************************************************************************
;============================================================================
;变量
;----------------------------------------
wRootDirSizeForLoop dw RootDirSectors ; Root Directory 占用的扇区数, 在循环中会递减至零.
wSectorNo dw 0 ; 要读取的扇区号
bOdd db 0 ; 奇数还是偶数
;============================================================================
;字符串
;----------------------------------------
LoaderFileName db "LOADER BIN", 0 ; LOADER.BIN 之文件名
; 为简化代码, 下面每个字符串的长度均为 MessageLength
MessageLength equ 9
BootMessage: db "Booting "; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 0
Message1 db "Ready. "; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 1
Message2 db "No LOADER"; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 2
;============================================================================
;----------------------------------------
; 函数名: DispStr
;----------------------------------------
; 作用:
; 显示一个字符串, 函数开始时 dh 中应该是字符串序号(0-based)
DispStr:
mov ax, MessageLength
mul dh
add ax, BootMessage
mov bp, ax ; ┓
mov ax, ds ; ┣ ES:BP = 串地址
mov es, ax ; ┛
mov cx, MessageLength ; CX = 串长度
mov ax, 01301h ; AH = 13, AL = 01h
mov bx, 0007h ; 页号为0(BH = 0) 黑底白字(BL = 07h)
mov dl, 0
int 10h ; int 10h
ret
;----------------------------------------
; 函数名: ReadSector
;----------------------------------------
; 作用:
; 从第 ax 个 Sector 开始, 将 cl 个 Sector 读入 es:bx 中
ReadSector:
; -----------------------------------
; 怎样由扇区号求扇区在磁盘中的位置 (扇区号 -> 柱面号, 起始扇区, 磁头号)
; -----------------------------------
; 设扇区号为 x
; ┌ 柱面号 = y >> 1
; x ┌ 商 y ┤
; -------------- => ┤ └ 磁头号 = y & 1
; 每磁道扇区数 │
; └ 余 z => 起始扇区号 = z + 1
push bp
mov bp, sp
sub esp, 2 ; 辟出两个字节的堆栈区域保存要读的扇区数: byte [bp-2]
mov byte [bp-2], cl
push bx ; 保存 bx
mov bl, [BPB_SecPerTrk] ; bl: 除数
div bl ; y 在 al 中, z 在 ah 中
inc ah ; z ++
mov cl, ah ; cl <- 起始扇区号
mov dh, al ; dh <- y
shr al, 1 ; y >> 1 (其实是 y/BPB_NumHeads, 这里BPB_NumHeads=2)
mov ch, al ; ch <- 柱面号
and dh, 1 ; dh & 1 = 磁头号
pop bx ; 恢复 bx
; 至此, "柱面号, 起始扇区, 磁头号" 全部得到 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
mov dl, [BS_DrvNum] ; 驱动器号 (0 表示 A 盘)
.GoOnReading:
mov ah, 2 ; 读
mov al, byte [bp-2] ; 读 al 个扇区
int 13h
jc .GoOnReading ; 如果读取错误 CF 会被置为 1, 这时就不停地读, 直到正确为止
add esp, 2
pop bp
ret
;----------------------------------------
; 函数名: GetFATEntry
;----------------------------------------
; 作用:
; 找到序号为 ax 的 Sector 在 FAT 中的条目, 结果放在 ax 中
; 需要注意的是, 中间需要读 FAT 的扇区到 es:bx 处, 所以函数一开始保存了 es 和 bx
GetFATEntry:
push es
push bx
push ax
mov ax, BaseOfLoader; `.
sub ax, 0100h ; | 在 BaseOfLoader 后面留出 4K 空间用于存放 FAT
mov es, ax ; /
pop ax
mov byte [bOdd], 0
mov bx, 3
mul bx ; dx:ax = ax * 3
mov bx, 2
div bx ; dx:ax / 2 ==> ax <- 商, dx <- 余数
cmp dx, 0
jz LABEL_EVEN
mov byte [bOdd], 1
LABEL_EVEN:;偶数
; 现在 ax 中是 FATEntry 在 FAT 中的偏移量,下面来
; 计算 FATEntry 在哪个扇区中(FAT占用不止一个扇区)
xor dx, dx
mov bx, [BPB_BytsPerSec]
div bx ; dx:ax / BPB_BytsPerSec
; ax <- 商 (FATEntry 所在的扇区相对于 FAT 的扇区号)
; dx <- 余数 (FATEntry 在扇区内的偏移)
push dx
mov bx, 0 ; bx <- 0 于是, es:bx = (BaseOfLoader - 100):00
add ax, SectorNoOfFAT1 ; 此句之后的 ax 就是 FATEntry 所在的扇区号
mov cl, 2
call ReadSector ; 读取 FATEntry 所在的扇区, 一次读两个, 避免在边界
; 发生错误, 因为一个 FATEntry 可能跨越两个扇区
pop dx
add bx, dx
mov ax, [es:bx]
cmp byte [bOdd], 1
jnz LABEL_EVEN_2
shr ax, 4
LABEL_EVEN_2:
and ax, 0FFFh
LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:
pop bx
pop es
ret
;----------------------------------------
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55 ; 结束标志
二、运行方法
1. 编译boot.asm和loader.asm
[hadoop@sam1 c]$ pwd
/home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter4/c
[hadoop@sam1 c]$ ls
a.img bochsrc boot.asm loader.asm Makefile
[hadoop@sam1 c]$ nasm boot.asm -o boot.bin
[hadoop@sam1 c]$ nasm loader.asm -o loader.bin
2. 创建a.img软盘镜像，并将boot.asm写入软盘第一个扇区作为“引导扇区”：
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ bximage
...
Do you want to create a floppy disk image or a hard disk image?
Please type hd or fd. [hd] fd
...
Please type 0.16, 0.18, 0.32, 0.36, 0.72, 1.2, 1.44, 1.68, 1.72, or 2.88.
[1.44]
...
What should I name the image?
[a.img]
...
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ dd if=/home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter4/c/boot.bin of=/home/hadoop/Desktop/OSImpl/bochs-2.6/a.img bs=512 count=1 conv=notrunc
注：必须要设置从软盘a.img启动，因此修改$bochs_home/.bochsrc为如下：
megs:32
romimage:file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=/usr/share/vgabios/VGABIOS-lgpl-latest.bin
#floppya: 1_44=freedos.img, status=inserted
#floppyb: 1_44=pm.img, status=inserted
floppya: 1_44=a.img, status=inserted
boot: a
#disable the mouse
#enable key mapping, using US layout as default.
keyboard_mapping: enabled=1, map=gui/keymaps/x11-pc-us.map
mouse: enabled=0
log:bochsout.txt
3. 把loader.bin作为一个普通的文件写入软盘a.img(当然也可以是其他盘)
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo mount -o loop /home/hadoop/Desktop/OSImpl/bochs-2.6/a.img /mnt/floppy/
[sudo] password for hadoop:
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo cp /home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter4/c/loader.bin /mnt/floppy -v
`/home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter4/c/loader.bin' -> `/mnt/floppy/loader.bin'
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo umount /mnt/floppy/
注：mount -o loop ——
-o: option
loop: loop device. loop device is a pseudo('fake') device (actually just a file) that acts as a block-based device.
(1)loop device 区别于loopback device. Sometimes, the loop device if erroneously referred to as 'loopback' device, but this term is reserved for a networking device in the Linux kernel (cf. loopback). The concept of the 'loop' device is distinct from 'loopback', although similar in name.
(2)为什么命名为loop呢：在使用之前，一个loop设备必须要和一个文件进行连接，这种结合方式给用户提供了一个代替块特殊文件的接口。如果一个文件包含一个完整的文件系统，那么这个文件就可以像一个磁盘设备一样被mount起来。
对于第一层文件系统，它直接安装(环绕)在我们的计算机物理设备上；而对于这种被mount起来的镜像文件（它也包含有文件系统），则建立在第一层文件系统上，就好像是在第一层文件系统上再环绕一层文件系统似的，所以称为loop.
4. 开始模拟
[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ ./bochs
结果截图：