译者：penghuster
作者： Krishnakumar R.
原文：http://www.jianshu.com/p/88900eac8507
- 制作你的 ToyOS 系列（Ⅰ）
- 制作你的 ToyOS 系列（Ⅱ）
- [制作你的 ToyOS 系列（Ⅲ）]
本文是构建一个小型的内核引导扇区的动手实践教程。这个第 1 部分提供了电脑开机启动执行动作的背后理论，它也说明了我们的计划。第 2 部分阐述了在进一步前进之前你应该进行的所有动作。第 3 部分处理了这个程序。我们的小启动程序不会真实的启动 Linux，但是会在屏幕上打印一些消息。
1. 背景
1.1 奇幻的外衣
微处理器控制电脑。在启动时，每个微处理器仅仅相当于一个8086。尽管你可能有一个最新品牌的 Pentium 微处理器，他也仅能提供 8086 微处理器相同的功能。 基于这一点，我们需要利用某些软件切换处理器到臭名昭著的保护模式。直到那时，我们才能使用处理器的全部能力。
1.2 工作概述
最初，电脑是由 BIOS 控制。BIOS 就是存储在 ROM 中的多个程序集合。BIOS 执行上电自检（POST），并检查电脑的完整性（例如周边设备是否正常工作，键盘是否已经连接等。）。这就是你听到从电脑发出蜂鸣声的时刻。如果一切都正常，BIOS 选定一个启动设备，并复制该设备的第一个扇区（即引导扇区）中的数据到内存地址 0x7C00处。然后，系统控制权将转移到该位置。启动设备可能是一个软盘、CD-ROM，硬盘或者其他设备。这里我们将以一个软盘作为系统启动设备。如果我们已经写了一些代码到软盘的启动扇区中，现在我们的代码将被执行。由此，我们的工作就清晰了，即写入某些程序到软盘的启动扇区中。
1.3 计划
首先，用 8086 汇编写一个小程序（不要害怕，我将教你如何来编写它），然后，拷贝该程序到软盘的启动扇区中。关于拷贝，我们将编写一个 c 程序。从软盘启动电脑，然后享受它。
2. 准备
as86
这是一个汇编器，可以将我们写的汇编代码转换为一个目标文件。
ld86
这是链接器，将上述的目标文件转换为真实的机器语言。机器语言是一种能够被 8086 处理器所能理解的形式。
gcc
这是 C 编译器，现在我们需要编写一个将 OS 转移到软盘中的 C 程序。
空白软盘
该软盘被用来存储操作系统，它也是系统的启动设备。
Linux 开发环境
很显然你知道其功能。
as86 和 ld86 是大部分标准 Linux 发行版的预装软件。如果没有，你可以通过网站 http://www.cix.co.uk/~mayday/ 获得。两者包含在一个名为 bin86 的包中。其详细使用文档在 www.linux.org/docs/ldp/howto/Assembly-HOWTO/as86.html。
3. Start!
3.1 引导扇区
打开你常用的编辑器，输入如下几行：
entry start
start:
mov ax, #0xb800
mov es, ax
seg es
mov [0], #0x41
seg es
mov [1], #0x1f
loop1: jmp loop1
这是一段 as86 格式汇编代码。第一个语句指定该程序的入口点，我们规定程序应该从 start 标签开始执行。第二行描述了开始标签 start 的位置（不要忘记，start 后紧跟冒号）。start 标签后紧跟的代码行是该程序执行的第一句代码 。
0xb800 是显存地址。# 号代表立即数。执行语句 mov ax #0xb800 将使寄存器 ax 的值改写为 0xb800，也就是显存地址。然后移动该值到寄存器 es 中，es 是附加段寄存器。如你所知，8086 程序是一个分段结构，其段包括代码段、数据段、附加段等，对应的段寄存器是 cs、ds、es等。通过执行上述两句代码，我们将 es 寄存器置为显存地址，因此任何写到附加段的数据都将进入显存中。
为了在屏幕上显示字符，需要在显存中写入两个字节。第一个字节表示该字符的 ascii 码，第二个字节表示该字符的显示属性，属性值应该指定该字符的颜色、背景色、是否闪烁等。seg es 事实上是一个前缀，该前缀指明了关于附加段中接下来将要执行的那条指令。如指令所示，将 A 的 ascii 码值 0x40 写入显存的第一个字节。然后需要写入该字符的属性到下一个字节，这里我们输入 0x1f 属性值，该属性值表示该字符为白色，背景色为蓝色。因此如果执行此程序，将在屏幕的蓝色背景上打印出一个白色字符 A。最后，是一个死循环。当程序完成字符显示后，需要终止执行或进入一个死循环。保存该文件为 boot.s。
显存的概念可能没有说清楚，因此我将进一步对其进行解释。假定有一个 80 列 40 排的屏幕，因此对于每一行需要 160 字节，每个字符 1 个字节，对应字符的属性 1 个字节。如果需要写一些字符到第 3 列，那么需要跳过0、1 两个字节（第 1 列）和2、3 两个字节（第 2 列）；然后写入待写字符的 ascii 值到显存的第 4 个字节，该字符的属性到显存的第 5 个字节。
3.2 将引导扇区写入软盘
我们需要编写一个 C 程序，该程序拷贝 OS 代码到软盘的第一个扇区。其代码如下：
#include //unistd.h 需要
#include //包含 read/write
#include
int main()
{
char boot_buf[512];
int floppy_desc, file_desc;
file_desc = open("./boot", O_RDONLY);
read(file_desc, boot_buf, 510);
close(file_desc);
boot_buf[510] = 0x55;
boot_buf[511] = 0xaa;
floppy_desc = open("/dev/fd0", O_RDWR);
lseek(floppy_desc, 0, SEEK_CUR) ;
write(floppy_desc, boot_buf, 512);
close(floppy_desc);
return 0;
}
首先，以只读方式打开文件 boot，并将该打开文件的文件描述符赋值给变量 file_desc。读此文件到末尾或 510 个字节到字符数组 boot_buf 中，这里 boot 很小，故前一情况正好发生。为了优雅的代码，及时关闭此文件。
最后 4 行代码中，打开一个软盘设备（该软盘最有可能是 /dev/fd0），然后写入 boot_buf 中的 512 个字节到该软盘中。
read、write 和 lseek 的 man 页面给出了这些函数的参数含义以及函数用法。在上述两段代码之间由两行看起来有点神秘的代码：
boot_buf[510] = 0x55;
boot_buf[511] = 0xaa;
此信息是用于 bios 识别可启动设备。若在设备的第一个扇区的第 510 和 511 个字节位置分别是 0x55 和 0xaa，则表明该设备为可启动设备。现在我们已经完成，将程序从 boot 中读入 boot_buf 的缓存中，并将第 510 和 511 个字节改为可启动设备标识，并将 boot_buf 写入了软盘设备。如果执行该程序，软盘的前 512 个字节将包含该引导程序。保存该文件为 write.c。
3.3 动手实践
为了生成可执行文件，需要在 Linux 的 shell 中执行如下命令：
as86 boot.s -o boot.o
ld86 -d boot.o -o boot
cc write.c -o write
首先，编译 boot.s 文件到一个目标文件 boot.o。然后链接该目标文件到最终文件 boot，-d 选项表示移除所有的头信息仅处理纯净的二进制。as86 和 ld86 的 man 页面讲说明此用法。接下来将 write.c 编译输出 C 程序 write。
插入一个空白的软盘到电脑上，执行 ./write。然后重启该电脑，进入 BIOS 启动页面，并选择此软盘为第一启动设备。
电脑启动完成，屏幕将显示一个字符 A（其前景色为白色，背景色为蓝色）。这意味着系统已经从软盘启动，并执行了写入引导扇区的程序。如程序代码中，执行完显示字符，电脑进入了死循环。故必须重启电脑，并移除插入的软盘，重新引导系统启动 Linux。
从这里开始我们将要插入更多的代码到引导扇区程序，使它能够做更多复杂的事情（例如使用 BIOS 中断，保护模式切换等）。后面文章（二、三）将知道你进一步的探索，直到该系列完结。
译者注:
文中需要用到真实的软盘设备，但大部分阅读者应该都不会有软盘，故考虑用虚拟软盘代替。
我们知道借助 dd 命令可以制造虚拟网盘文件，那么有两种思路可供选择：一是先产生与启动扇区内容一致的二进制文件, 然后借助该文件直接生成可启动虚拟软盘。二是先制造好空白虚拟软盘，然后借助文中 C 程序写入对应引导程序代码。
方式 1
- 将 boot.s 文件进行修改，再起第 510和 511 个字节，写入可启动标志。更改文件如下：
entry start
start:
mov ax, #0xb800
mov es, ax
seg es
mov [0], #0x41
seg es
mov [1], #0x1f
loop1: jmp loop1
.org 510
boot_flag:
.word 0xAA55
- 然后按文中步骤编译完成，生成二进制文件 boot。
- 最后，执行命令：
dd if=boot of=Image生成虚拟软盘设备 Image。
方式 2
- 执行命令：
dd if=/dev/zero of=Image bs=512 count=1生成512字节大小的空白虚拟软盘设备 Image。 - 将 write.c 文件中
floppy_desc = open("/dev/fd0", O_RDWR);更改为floppy_desc = open("Image", O_RDWR);。此处Image是第一步生成的空白软盘。
执行效果
用 bochs 模拟启动效果如图：
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