《自己动手写操作系统》第四章——摆脱dos引导:boot &&Loader

摘要:在开机过程中,从BIOS中取得第一条指令到内核加载,操作系统的开机运行过程是这样的:“引导---加载内核进入内存——跳入保护模式——开始执行内核”。也就是说,内核执行之前,需要先加载进入内存,然后准备进入保护模式。引导扇区(里面有一定的程序)的512B是不够的,我们在引导扇区和内核之间加入一个模块——Loader,负责完成上述过程。即“引导扇区——Loader——kernel”。在前三章中,我们是靠freedos来完成这个过程的,第四章,我们将写自己的boot和loader。

1.Fat12
首先,我们看一下fat12磁盘信息布局:
《自己动手写操作系统》第四章——摆脱dos引导:boot &&Loader_第1张图片主要包括几个部分:引导扇区,fat表,根目录,数据区

1.1引导扇区:

现在问题来了:引导扇区如何将控制权转交给Loader?也就是说,引导扇区如何找到软盘上的loader并将它载入内存,并转交控制权。

首先,我们来看一下引导扇区的格式:


 
   
   
   
   
名称 开始字节 长度 内容 参考值
BS_jmpBOOT 0 3 一个短跳转指令 jmp Label_07c00H nop
BS_OEMName 3 8 厂商名 'QingFeng'
BPB_BytesPerSec 11 2 每扇区字节数(Bytes/Sector) 0x200
BPB_SecPerClus 13 1 每簇扇区数(Sector/Cluster) 0x1
BPB_ResvdSecCnt 14 2 Boot记录占用多少扇区 ox1
BPB_NumFATs 16 1 共有多少FAT表 0x2
BPB_RootEntCnt 17 2 根目录区文件最大数 0xE0
BPB_TotSec16 19 2 扇区总数 0xB40[2*80*18]
BPB_Media 21 1 介质描述符 0xF0
BPB_FATSz16 22 2 每个FAT表所占扇区数 0x9
BPB_SecPerTrk 24 2 每磁道扇区数(Sector/track) 0x12
BPB_NumHeads 26 2 磁头数(面数) 0x2
BPB_HiddSec 28 4 隐藏扇区数 0
BPB_TotSec32 32 4 如果BPB_TotSec16=0,则由这里给出扇区数 0
BS_DrvNum 36 1 INT 13H的驱动器号 0
BS_Reserved1 37 1 保留,未使用 0
BS_BootSig 38 1 扩展引导标记(29h) 0x29
BS_VolID 39 4 卷序列号 0
BS_VolLab 43 11 卷标 'QingFeng'
BS_FileSysType 54 8 文件系统类型 'FAT12'
引导代码及其他内容 62 448 引导代码及其他数据 引导代码(剩余空间用0填充)
结束标志0xAA55 510 2 第510字节为0x55,第511字节为0xAA 0xAA55
其中,比较重要的内容有: BS_jmpBoot:它是一个长度为3的短跳转指令。 BPB_RootEntCnt:根目录文件数目最大值,用于定位数据区的开始的位置。

1.2根目录条目格式

根目录条目(32B)格式如下: 我们可以根据根目录条目,找到引导文件名称,然后索引对应的firstclust。由于我们已经通过BPB_RootEntCnt确定数据区的开始位置,所以可以定位对应文件的firstclust所在位置。

1.3fat项格式

首先fat项有12b,每个项对应数据区的一个簇。计算一下,fat9sector(9*512)/12=384簇?难道仅仅能够管理20K的空间? 第Nfat项表示数据区的第几个簇,fat项目的值表示文件的下一个簇号:这是一个fat项包含的两种信息。 通过上述内容,我们已经大概知道如何通过软盘上的信息,找到一个文件的所有内容。下面,我们来修改boot.asm,让它完成寻找loader,并载入内存的任务。

2.Dos可以识别的引导盘____boot.bin

我们都知道,在CPU通电以后,会初始化当前指令为CS:IP=0000:0x7c00,然后会从这个地方执行BIOS的指令,BIOS将进行一些列初始化,然后将本地磁盘的第一个扇区(引导扇区)加载到内存,并开始执行引导扇区。所以,我们现在需要执行引导扇区。下面,看看引导扇区是内容如何: 代码如下:
;%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

	; 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 'Tinix0.01  '; 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
	
	xor	ah, ah	; ┓
	xor	dl, dl	; ┣ 软驱复位
	int	13h	; ┛

利用上述代码,生成boot.bin,然后写入磁盘引导扇区。

3.Loader____loader.bin

上面已经说过,我们需要写代码将loader加载到内存,所以,我们先来写一个小的loader——它仅仅实现了显示字符的功能。

4.加载loader进入内存_____带有读取软盘+寻找loader功能的boot

为了将文件读入内存,需要读取软盘。我们用BIOSint 13中断来实现软盘读写,int 13h的用法如下:

BIOS磁盘操作 INT 13H 处理的记录都是一个扇区大小,以实际的磁道号和扇区号寻址.

AH

执行操作

入口参数

返回参数

00H

复位磁盘系统

DL=驱动器号

失败: AH=错误码

01H

读磁盘状态

 

AH=状态字节

02H

读磁盘

AL= 扇区数

(CL)6,7 (CH)0~7=柱面/磁道号

(CL)0~5= 扇区号

DH= 磁头号/盘面

DL= 驱动器号

ES:BX= 数据区中I/O缓冲区的地址

成功: AH=0, AL=读取的扇区数

失败: AH=错误码

03H

写磁盘

成功: AH=0, AL=写入的扇区数

失败: AH=错误码

04H

检验磁盘扇区

ALCLCHDHDL定义同上,无ES:BX

成功: AH=0,AL=检验的扇区数

失败: AH=错误码

05H

格式化盘磁道

ALCLCHDHDL定义同上

ES:BX= 格式化参数表指针

成功: AH=0

失败: AH=错误码

注: 驱动器号(软盘00H=A,01H=B...,  硬盘80H=C,81H=D...)

通过BIOS中断,我们知道,读写磁盘需要的参数不是从0开始的扇区号,而是柱面号、磁头号、当前柱面上的分区号。二者的转化关系如下(见书籍P110):

4.1读扇区的代码如下:

输出:es:bx所指向的内存区域

输入:扇区的起始号码ax

;----------------------------------------------------------------------------
; 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

;----------------------------------------------------------------------------

4.2读取扇区的代码写好之后,我们需要在软盘中寻找loader.bin,部分代码如下:

;-------------------------------------------------------------------------------	
; 下面在 A 盘的根目录寻找 LOADER.BIN 
; After we find the loader.bin, es:di pointer the first byte after the 'filename' of entry of dir for LOader.bin.
	mov	word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
	cmp	word [wRootDirSizeForLoop], 0	; ┓
	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
	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

	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:
	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

%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

注意一些数据结构:需要提前获取根目录包含的扇区个数;一个扇区包含16个目录项;


4.3将开始扇区装载进入内存,并利用它找到的fat项,找到loader占用的其他扇区:

在这里,我们先调试一下这一部分代码,程序逻辑如下:

CPU上电复位,0x7c00开始执行程序(BIOS中?)——BIOS将磁盘启动扇区,也就是第一扇区的512B数据加载进入内存,将控制权交给第一扇区——boot将在磁盘上搜寻loader文件的信息,知道找到loader——loader文件加载到内存,然后将控制权转交给它。关于软驱复位(floopy reset):Floppy-disk controller是用于控制软盘的控制器芯片,它和CPU的互联情况如下。软盘复位,也就是对芯片进行初始化,清楚错误信息等。FDCCPU的逻辑关系如下:

《自己动手写操作系统》第四章——摆脱dos引导:boot &&Loader_第2张图片


4.4加载loader

在上面的程序中,我们已经找到了loader,有了loader.bin的起始扇区号,我们需要用这个扇区号做两件事——将起始扇区装载到内存;通过它找到fat项,从而找到loader占用的其他所有扇区。这里,我们将起始扇区装载到BaseOfLoader:OffsetOfLoader。我们现在需要一个函数:根据扇区号,找到对应fat项的值。输入与输出均为ax,其中输入是文件的开始簇号。

上面一个函数,让我们可以根据一个扇区号(簇号)索引到对应fat的条目,然后我们需要根据fat条目的内容,找到下一个fat条目的序号,也就是data区域的簇号。代码如下:

;-----------------------------------------------------above: search for LOADER  BIN---------------------------------------
;es:di point to the name,so di/32*32 + 26 will point to the fstclus
;when we get fstclus,which is fst entry in FAT,we will get the content of the fat entry.

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
	;di point to the fst clus
	mov	cx, word [es:di]

	push	cx			; 保存此 Sector 在 FAT 中的序号
	add	cx, ax
	add	cx, DeltaSectorNo	; 这句完成时 cl 里面变成 LOADER.BIN 的起始扇区号 (从 0 开始数的序号)
	
	mov	ax, BaseOfLoader
	mov	es, ax			; es <- BaseOfLoader
	mov	bx, OffsetOfLoader	; bx <- OffsetOfLoader	于是, es:bx = BaseOfLoader:OffsetOfLoader = BaseOfLoader * 10h + 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  " 后面打一个点, 形成这样的效果:
	mov	al, '.'			; ┃
	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
	jz	LABEL_FILE_LOADED;loader is fully loaded into memory

	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
; *****************************************************************************************************

5.loader交出控制权

上面的步骤中,我们已经成功将loader.bin载入内存,下面我们来一个跳转:jmp BaseOfLoader:OfssetOfLoader开始执行loader我们可以先通过在dos环境下运行来调试程序,然后再将bootloader写入磁盘。

6.保护模式下的操作系统

好了,我们已经有bootloader,那么可以直接把pmtest9编译一下,改名为loader bin,程序就可以马上执行。只要一个.com文件中不包含dos系统调用,我们都一把它当作loader来使用。但是,真正的内核是ELF格式,而且内核加载之前已经进入保护模式。所以,Loader还有两项工作没有完成:1)加载内核2)进入保护模式。

7.回忆启动软盘的制作过程

1)生成虚拟软盘镜像,命名为hyk.img
2) 将其作为软盘b插入,运行dos,格式化hyk.img
3)使用dd命令,将boot.bin拷入软盘hyk.img第一个扇区

4)使用copy命令,将LOADER拷入hyk.img第四章:完

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