[Intel汇编-NASM]程序的加载以及硬盘访问
1. 用户程序的结构：
1) 一般源程序都以段的形式进行组织，这样可以使逻辑更加清晰，在NASM中使用section关键字定义一个段，形式是：section 段名
2) 程序可以用段名来引用段，但是NASM编译器并不关心段的具体用途，或者说是根本不知道段的用途（代码段还是数据段等），同时NASM对段的数量也没有任何限制，如果代码中没有定一段则整个程序自成一段；
3) 定义段的同时可以定义段的一些属性，比如可以使用关键字align来定义段的对其方式，比如：section code align=16，这样就表示该段的其实地址是以16字节对齐的，即段的起始位置必须是16的整数倍；
！注意：该属性只影响段的起始位置的对其但不影响段的末尾对齐方式，事实上NASM也无法判断一个段的末尾，只有当遇到一个新的段的定义的时候才能知道前一个段结束了；
4) 段的起始位置：就是该段中第一行指令的地址（指令可以是普通指令也当然可以是数据定义指令db、dw等等；
5) 和加载程序之间的约定——应用程序头部Header：
i. 在有操作系统的环境下编译完一个程序之后编译器会隐式地、默认地添加一个应用程序头部（位置处于程序的起始位置处）；
ii. 头部包含着加载器该如何加载该程序的一些信息，或者说是加载器和程序之间的某些约定或规范，而加载器通过这些信息将程序正确地加载进内存中；
iii. 在有操作系统的环境下，应用程序头部和加载器都是操作系统负责的，但是在这里我们模拟一下这个操作系统的工作，即手写完成加载器和程序头部来模拟操作系统的这两个功能；
2. 用户程序和加载器的简单实现：
用户程序：默认程序已经正确加载到了内存的空闲位置，并且从定义的标号start处该是执行程序，作用是将两个数据段中的字符串打印到屏幕上，并且处理回车和换行两个控制符
！注意用户程序头部的定义，里面包含了程序大小、程序开始执行的入口、程序中各个段的起始位置等信息；
！其中重定位表的作用就是：编译后各项保存的是各段在源程序中的绝对汇编地址，经加载程序加载后就将各项修改成在物理内存中实际的地址，因此称为重定位表；
app.nas，编译后生成app.bin
; 应用程序头
; 用于提供加载器相关加载信息
; 是应用程序规范的一部分
section header vstart=0
app_size dd app_end ; [APP_SIZE:0x00] 程序的大小（字节）
app_entry dw start ; [APP_ENTRY:0x04] 入口处偏移地址
app_entry_seg dd section.code1.start ; [APP_ENTRY_SEG:0x06] 入口处段地址
; section.段名.start是NASM提供的伪指令，用于段起始位置在源程序中的绝对汇编地址
; 绝对汇编地址是指相对于整个源程序头的偏移量，而整个程序头的绝对汇编地址是0
; 绝对汇编地址是一个32位无符号数，因此使用dd表示
c_realloc_tbl dw (tbl_end - tbl_start) / 4 ; [C_REALLOC_TBL:0x0A] 重定位表表项数目
tbl_start: ; [TBL_START:0x0C]
seg_addr_code1 dd section.code1.start
seg_addr_code2 dd section.code2.start
seg_addr_data1 dd section.data1.start
seg_addr_data2 dd section.data2.start
seg_addr_stack dd section.stack.start
tbl_end:
; section header end
;;
;;
section stack align=16 vstart=0
resb 256
stack_end:
; section stack end
;;
;;
section data1 align=16 vstart=0
msg0 db ' This is NASM - the famous Netwide Assembler. '
db 'Back at SourceForge and in intensive development! '
db 'Get the current versions from http://www.nasm.us/.'
db 0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
db ' Example code for calculate 1+2+...+1000:',0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
db ' xor dx,dx',0x0d,0x0a
db ' xor ax,ax',0x0d,0x0a
db ' xor cx,cx',0x0d,0x0a
db ' @@:',0x0d,0x0a
db ' inc cx',0x0d,0x0a
db ' add ax,cx',0x0d,0x0a
db ' adc dx,0',0x0d,0x0a
db ' inc cx',0x0d,0x0a
db ' cmp cx,1000',0x0d,0x0a
db ' jle @@',0x0d,0x0a
db ' ... ...(Some other codes)',0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
db 0
; section data1 end
;;
;;
section data2 align=16 vstart=0
msg1 db ' Welcome and enjoy NASM! '
db '2015-01-05'
db 0
; section data2 end
;;
;;
section code1 align=16 vstart=0
start:
mov ax, [seg_addr_stack]
mov ss, ax
mov sp, stack_end
mov ax, [seg_addr_data1]
mov ds, ax
mov bx, msg0
call put_string ; 显示第一段信息
; 在加载程序中将es指向header了
push word [es:seg_addr_code2] ; 先将code2的偏移地址和段地址入栈
mov ax, _start.begin
push ax
retf ; 利用retf修改cs:ip使其跳转至code2
.continue:
mov ax, [es:seg_addr_data2]
mov ds, ax
mov bx, msg1
call put_string ; 使ds:bx指向msg1并输出
jmp $
; end start
; 字符串控制宏以及显卡光标端口宏
CHAR_TRAIL equ 0x00 ; 字符串结束符
CHAR_RET equ 0x0D ; 回车符
CHAR_NL equ 0x0A ; 换行符
DCHAR_NONE equ 0x0720 ; 显存中显示空的字
PORT_CHOOSE equ 0x3D4 ; 索引端口，用于选择子端口（8位）
SUBPORT_HIGH equ 0x0E ; 子端口号
SUBPORT_LOW equ 0x0F ; 这两个子端口分别存放光标位置的高位和低位
PORT_DATA equ 0x3D5 ; 数据端口，存放选定的端口中的数据（8位）
VIDEO_SEG_BEGIN equ 0xB800 ; 显卡区域起始段地址
; func put_string
; <- [ds:bx]:msg0
; colision register: es
; 将msg0打印至屏幕
put_string:
push es
; 获取当前光标位置保存在ax中
mov dx, PORT_CHOOSE
mov al, SUBPORT_HIGH
out dx, al ; 选择一个子端口
mov dx, PORT_DATA
in al, dx
mov ah, al ; 从子端口中读取光标高位保存在ah中
mov dx, PORT_CHOOSE
mov al, SUBPORT_LOW
out dx, al
mov dx, PORT_DATA
in al, dx ; 同理从子端口中读取光标低位保存在al中
; 最终将整个结果保存在ax中
; 目前ax存放着光标的位置
.lp: mov cl, [bx] ; 读取一个字符保存在cl中
cmp cl, CHAR_TRAIL ; 判断该字符是否是结束符
je .ret
call put_char ; 不是结束符就打印该字符
inc bx ; 继续读取下一个字符
jmp .lp
.ret: pop es
ret
; func put_char
; <- cl:当前读取的一个字符
; colision register: ds, bx
put_char:
push ds
push bx ; 备份
; ds和es都指向显卡
mov bx, VIDEO_SEG_BEGIN
mov ds, bx
mov es, bx
; 目前ax存放着光标的位置
cmp cl, CHAR_RET ; 判断字符是否是回车
jne .next0 ; 不是回车则继续接下来的步骤
.deal_ret: ; 是回车则处理回车
mov bl, 80
div bl
mul bl ; 除去光标位置中80的余数即可
; ax中得到的是回车后光标的位置
jmp .set_cursor
.next0: cmp cl, CHAR_NL ; 判断是否是换行符
jne .next1 ; 如果不是换行符则继续接下来的代码
.deal_nl: ; 处理换行的情形
add ax, 80 ; 换行很简单，只要加80即可
jmp .deal_roll_screen ; 换行可能会造成屏幕滚动，因此需要处理
.next1: ; 结束、回车、换行都不是那就是普通字符了，因此需要打印出来，并且光标后移一位
mov bx, ax ; 先将ax复制到bx中
shl bx, 1 ; 显卡区域每个字符占两个字节（还有一个属性字节）
mov [bx], cl
inc ax ; 光标后移一位
; jmp .deal_roll_screen ; 光标后移也可能会造成滚屏
.deal_roll_screen:
cmp ax, 2000
jl .set_cursor ; 检查光标是否越界，如果越界则需要滚屏，否则可以直接设置光标
.roll_screen: ; 滚屏处理
mov si, 80 * 2
mov di, 0
mov cx, 2000 - 80
cld
rep movsw
.clear_bottom_line: ; 滚屏后需要清除最后一行
mov bx, (2000 - 80) * 2
mov cx, 80
.cls:
mov word [bx], DCHAR_NONE
add bx, 2
loop .cls
mov ax, 2000 - 80 ; 滚屏后光标位置设置成最后一行起始
; jmp .set_cursor ; 滚屏完成后方可显示新的光标的位置了
.set_cursor:
mov bx, ax ; 将光标位置备份到bx中，因为访问端口会用到ax
mov dx, PORT_CHOOSE
mov al, SUBPORT_HIGH
out dx, al
mov dx, PORT_DATA
mov al, bh
out dx, al
mov dx, PORT_CHOOSE
mov al, SUBPORT_LOW
out dx, al
mov dx, PORT_DATA
mov al, bl
out dx, al
pop bx
pop ds
ret
; section code1 end
;;
;;
section code2 align=16 vstart=0
_start:
.begin: push word [es:seg_addr_code1] ; code2没做什么实事就是再跳回code1的continue继续执行
mov ax, start.continue
push ax
retf
; section code2 end
;;
;;
section trail align=16
app_end:
; section trail end！关于汇编地址的介绍以及硬盘访问的端口都在源代码中详细介绍，所以这里就不累述了；
加载器的实现：作为主引导扇区程序
loader.nas，编译后生成loader.mbr
; 主引导扇区程序作为应用程序加载器
; 虽然就只有一个段但是也需要定义
; 最主要是为了使用段属性vstart=0x7C00
; 这样就可以使得段内的所有汇编地址都是相对0x7C00开始的
; 因为MBR加载在0x0000:0x7C00处，因此IP初始化为0x7C00
; 而所有偏移地址都是相对0x7C00的
; 有了这一步程序中的所有标号都能真正代表偏移地址了
section loader align=16 vstart=0x7C00
jmp near start
LBA_APP_START equ 100 ; 应用程序所在硬盘的起始逻辑扇区号，这里是人为规定的
ADDR_20_LOAD_START dd 0x10000 ; 内存中加载的起始20位绝对物理地址
; 应用程序头中信息的偏移地址
APP_SIZE_LOW equ 0x00
APP_SIZE_HIGH equ 0x02
APP_ENTRY equ 0x04
APP_ENTRY_SEG equ 0x06
APP_ENTRY_SEG_LOW equ 0x06
APP_ENTRY_SEG_HIGH equ 0x08
C_REALLOC_TBL equ 0x0A
TBL_START equ 0x0C
; 从0x0FFFF往下（即地址减小）的一段区域一般都作为MBR的栈！
; 因此ss:sp指向0x0000:0x0000
; 这样在push的时候sp能回到0xFFFF
start: mov ax, 0
mov ss, ax
mov sp, ax
; ds -> 内存中加载的起始位置段地址
mov ax, [cs:ADDR_20_LOAD_START]
mov dx, [cs:ADDR_20_LOAD_START+2]
mov bx, 16
div bx
mov ds, ax
mov es, ax ; 留给用户程序时使ds和es都指向加载位置首部
; 先读取一个扇区，即应用程序头所在的扇区
xor di, di
mov si, LBA_APP_START ; [di:si]全局保存当前读取的逻辑扇区号
mov cx, 1 ; 读取一个扇区
call read_lba
; 读取完毕，ds:0指向程序的第一扇区中的内容
mov dx, [APP_SIZE_HIGH]
mov ax, [APP_SIZE_LOW]
mov bx, 512
div bx
cmp dx, 0
jne .deal_left ; 有余数，可以将已经读取的那个扇区看做余数的扇区
dec ax ; 无余数则需要减去已经读取的那个扇区
.deal_left:
cmp ax, 0
je redirect_entry ; 如果没有剩余扇区要读则直接去重定位程序入口点
push ds ; 备份并改变其指向
mov cx, ax ; 剩余要读的扇区数量
mov ax, ds
add ax, 0x20 ; 使其指向下一个512字节起始处（必然是16位对齐的）
mov ds, ax
inc si ; 指向下一个要读的扇区
call read_lba
pop ds ; 恢复ds使其指向加载的程序的开始处
; 到此为止程序彻底加载完毕
; 接下来的工作是将程序头中的入口地址，以及重定位表中的地址
; 修改成实际的物理地址
; 这里所重定位的地址都是段地址
; 将程序中段的绝对汇编地址更新成加载在内存中的实际物理段地址
; 公式是：16位物理段地址 = (整个程序起始位置的20位物理 + 段的32位绝对汇编地址) >> 4
redirect_entry: ; 重定位入口处地址
mov dx, [APP_ENTRY_SEG_HIGH] ; [dx:ax]中保存入口处的绝对汇编地址
mov ax, [APP_ENTRY_SEG_LOW]
call calc_seg_phy_addr_16 ; 计算段的16位段地址（即物理段地址），结果保存在ax中
mov [APP_ENTRY_SEG], ax ; 更新
; 处理重定位表
mov cx, [C_REALLOC_TBL]
mov bx, TBL_START
.realloc:
mov dx, [bx + 2]
mov ax, [bx]
call calc_seg_phy_addr_16
mov [bx], ax
add bx, 4
loop .realloc
jmp far [APP_ENTRY] ; 控制权交给应用程序
; func read_lba
; <- [di:si]:读取的逻辑扇区号
; <- cx:读取的扇区数量
; <- ds:目的区域段地址
; 将cx个扇区的内容读取到ds:0所指向的内存空间中
read_lba:
PORT_DATA equ 0x1F0 ; 数据端口（16位）
PORT_ERRNO equ 0x1F1 ; 错误端口（8位）保存最后一次执行命令后的状态（错误原因）
PORT_CLBA equ 0x1F2 ; 计数端口（8位）保存读写的扇区数量
PORT_LBA_START equ 0x1F3 ; 逻辑扇区号端口（32位共4个8位口）
; 低28位确定待操作的起始扇区号
; 最高的4位指定扇区寻址模式以及类型选择符）
PORT_CTRL equ 0x1F7 ; 控制端口（8位）下读写命令同时又能反映硬盘工作状态
CTRL_READ equ 0x20 ; 读命令，向控制端口发送
BIT_MASK equ 10001000B ; 位掩码，取控制端口的第7位和第3位
; 第7位表示硬盘是否忙，1表示忙
; 第3位表示硬盘是否就绪，1表示就绪
STATUS_READY equ 00001000B ; 彻底就绪时第7位是0，第3位是1，用于检测硬盘是否就绪
; 指定读取的扇区数量
mov dx, PORT_CLBA
mov al, cl
out dx, al
; 向LBA地址口写入28位逻辑扇区号
mov dx, PORT_LBA_START ; 0~7位
mov ax, si
out dx, al
inc dx ; 8~15位
mov al, ah
out dx, al
inc dx ; 16~23位
mov ax, di
out dx, al
inc dx ; 24~27位
mov al, 111_0_0000B ; ah保存24~27位，al中保存扇区寻址模式以及类型选择符
; 其中最高位的111表示采用28位逻辑扇区号模式
; 后面一位的0表示是主盘，1表示从盘，即盘片类型选择符
or al, ah
out dx, al
; 发出读命令
mov dx, PORT_CTRL
mov al, CTRL_READ
out dx, al
.waits: ; 检测硬盘是否就绪，没就绪就一直等待就绪
in al, dx
and al, BIT_MASK
cmp al, STATUS_READY
jne .waits
; 准备就绪就开始读取
shl cx, 8 ; 一个扇区512B，即256个字
; cx记录剩余多少字未读完，而cx原本存放剩余扇区数
; 因此cx要乘以256，即左移8位
mov dx, PORT_DATA
xor bx, bx
.readw: ; 循环读取程序，将其加载至ds:0处
in ax, dx
mov [bx], ax
add bx, 2
loop .readw
ret
; func calc_seg_phy_addr_16
; <- [dx:ax]:段32位绝对汇编地址
; -> ax:16位物理段地址
calc_seg_phy_addr_16:
; 这里的20位起始加载地址使用32位保存的
; 因此可以通过带进位的加法得到段起始位置的实际的20位物理地址
add ax, [cs:ADDR_20_LOAD_START]
adc dx, [cs:ADDR_20_LOAD_START+2]
; 现在将绝对的20位物理地址右移4位就能得到16位的物理段地址了
; 必须dx和ax同时右移
; 方法是ax右移4位即可
; 而dx采用循环右移4位，应该移到ax高4位的那4位重新回到dx高4位
; 然后用位掩码去的dx高4位
; 再利用or将这4位写入ax的高4位即可
shr ax, 4 ; 低16位右移4位
ror dx, 4
and dx, 0xF000 ; 位掩
or ax, dx ; 写入
ret
times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA553. 查看程序运行结果：将loader.mbr写进虚拟硬盘的0号扇区（总共一个扇区），将app.bin写进100号扇区（总共两个扇区），然后将虚拟盘作为虚拟机的启动盘放在VirtualBox中运行中即可；