04-05 - 主引导程序的扩展

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1. 突破限制的思路

• 限制：主引导程序的代码不能超过512字节

• 主引导程序完成：

  • 完成最基本的初始化工作
  • 从存储介质中加载程序到内存
  • 将控制权交由新加载的程序执行
  • ……

问题：

• 主引导程序如何加载存储介质中的其它程序？
• ==> 文件系统

2. 文件系统

存储介质上组织文件数据的方法（数据组织的方式）

FAT12文件格式	数据区
	根目录区
	FAT2
	FAT1
	引导扇区

• 文件系统示例：
  • FAT12是DOS时代的早期文件系统
  • FAT12结构简单，一直沿用于软盘
  • FAT12的基本组织单位：字节 < 扇区 < 簇
    • 字节（Byte）：基本数据单位
    • 扇区（Sector）：磁盘中的最小数据单元
    • 簇（Cluster）：一个或多个扇区

3. 解决方案

1. 使用FAT12格式对软盘（data.img）进行格式化，之后可以自由得在软盘上拷贝文件
2. 编写可执行程序Loader（loader.asm），并将其拷贝到软盘中
3. 主引导程序Boot（boot.asm）按照FAT12的文件格式在文件系统中查找Loader
4. 将Loader复制到内存中，并跳转到Loader入口处执行

4. 实验：往虚拟软盘fd中写入文件

4.1 准备

FreeDos，Bochs，bximage

注：

• Bochs 和 bximage 在前面的课程中已经介绍过了
• FreeDos 是一个古老的 dos 操作系统，在本节课中使用 FreeDos 将软盘 data.img 格式化为 FAT12 格式的文件系统

4.2 步骤

1. 创建虚拟软盘 data.img（创建虚拟软盘在《02 - Hello, DTOS》中已经有实验过）

bximage

2. 在FreeDos中进行格式化（data.img被格式化成FAT12文件格式）
   更改bochsrc配置文件，将 freedos.img 作为启动软盘，另外将 data.img 这个软盘插入到 freeDos 系统中

###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################

# how much memory the emulated machine will have
megs: 32

# filename of ROM images
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin

# what disk images will be used
floppya: 1_44=freedos.img, status=inserted
floppyb: 1_44="data.img", status=inserted

# choose the boot disk.
boot: a

# where do we send log messages?
# log: bochsout.txt

# disable the mouse
mouse: enabled=0

# enable key mapping, using US layout as default.
keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

运行bochs：

格式化bochsrc中的floppyb，即data.img，format B:

3. 将data.img挂载到Linux中，并写入文件

注：这里挂载到Linux下是为了写一些文件到data.img，写完后从Linux卸载，文件就保存在了data.img中，然后再通过FreeDos启动，可以查看data.img中的文件。

mount -o loop data.img /mnt/hgfs/mount_files/
umount /mnt/hgfs/mount_files/

4. 经过步骤3后（写入两个文件：test.txt和loader.bin），结果如下：

5. 文件写入后卸载：umount /mnt/hgfs/mount_files/
6. 运行bochs：

5. 下一步的工作

Boot查找目标文件（Loader），并读取文件的内容。

6. 深入FAT12文件系统

FAT12文件系统由 引导区、FAT表、根目录项表和文件数据区 组成。

扇区位置	长度	内容
0	1（512Bytes）	引导程序
1	9（4608Bytes）	FAT表1
10	9（4608Bytes）	FAT表2
19	14（9728Bytes）	目录文件项
33	......	文件数据

6.1 FAT12的主引导区

• 主引导区存储的比较重要的信息是 文件系统的类型，文件系统逻辑扇区总数，每簇包含的扇区数，等等。
• 主引导区最后以 0x55aa 两个字节 作为结束，主引导区共占用 一个扇区（512字节）。

6.1.1 实验：读取虚拟软盘data.img中的文件系统信息

• 步骤：（实验基于Qt，用于理解原理，后续章节不涉及）

  1. 创建Fat12Header结构体类型
  2. 使用文件流读取前512字节的内容
  3. 解析并打印相关的信息

• 实验内容：
  【参看链接】：04-05 - 主引导程序的扩展 / 04 / Fat12Test
  

• 实验结论：

  • FreeDos中的format程序在格式化软盘的时候自动在第0扇区生成了一个主引导程序，这个主引导程序只打印一个字符串。
  • 文件格式和文件系统都是用于定义数据如何存放的规则，只要遵循这个规则就能够成功读写目标数据。

6.1.2 问题

• 如何在FAT12根目录中查找是否存在目标文件？

6.2 FAT12文件系统中的根目录区

6.2.1 根目录区的大小和位置

注：
BPB_RootEntCnt：最大根目录文件数
BPB_BytsPerSec：每扇区字节数

6.2.2 根目录区的目录项

根目录区由 目录项 构成，每一个目录项代表根目录中的 文件索引

6.2.3 实验：读取FAT12文件系统的根目录信息

• 步骤：
  1. 创建根目录RootEntry结构体类型
  2. 使用文件流顺序读取每个目录项的内容
  3. 解析并打印相关的信息

• 目录项中的关键成员
  • DIR_Name：文件名（用于判断是否为目标文件）
  • DIR_FstClus：文件数据起始存储位置（用于确定读取位置）
  • DIR_FileSize：文件大小（用于确定读取的字节数）

6.3 FAT表-FAT12的数据组织核心

• FAT1和FAT2是 相互备份 的关系，数据内容 完全一致
• FAT表是一个 关系图，记录了 文件数据的 先后关系
• 每一个FAT表项占用 12 比特
• FAT表的 前 2 个 表项 规定不使用

问题：

• 假设现在一个文件需要5个簇才能将文件内容存储完， 那这5个簇是如何分布的？是连续的还是离散的？
• 怎么确定这些簇之间的先后关系？

6.3.1 FAT表中的先后关系

• 以 簇（FAT12中 一簇 等于 一扇区）为单位存储文件数据
• 每个表项（vec[i]）表示文件数据的实际位置（簇）
  • DIR_FstClus 表示文件第0簇（扇区）的位置
  • vec[ DIR_FstClus ] 表示文件第1簇（扇区）的位置
  • vec[ vec[ DIR_FstClus ] ] 表示文件第2簇（扇区）的位置
  • ……
• FAT12 数据物理组织示意（结合逻辑示意图进行理解）：
  数据区的数据簇和FAT表中的表项一一对应，就可以解决上述的问题。

• FAT12 数据逻辑组织示意：

6.3.2 实验：加载FAT12中的文件数据

• 步骤：

  1. 在根目录区查找文件对应的目录项
  2. 根据目录项的成员可以获取目标文件的起始簇号和文件大小
  3. 根据FAT表中记录的逻辑先后关系读取数据

• 小贴士：

  • FAT表中的每个表项只占用12比特（1.5字节）
  • FAT表一共记录了 BPB_BytsPerSec * 9 / 1.5个表项（总字节数除以每个表项占用的字节数）
    

• 方案：

  • 可以使用一个short（2字节）表示一个表项的值
  • 如果表项值 大于等于0xFF8，则说明已经 到达最后一个簇
  • 如果表项值 等于0xFF7，则说明 当前簇已经损坏
  • 数据区起始簇（扇区）号为 33，地址为 0x4200
  • 数据区 起始地址所对应的编号为2
    （不为0，FAT表前2个表项规定不使用）
  • 因此，目标文件的起始簇号 DIR_FstClus 对应的地址 为：
    0x4200 + (DIR_FstClus - 2 ) * 512
    （因为FAT表 以簇为单位存储文件数据）

• 实验内容
  【参看链接】：04-05 - 主引导程序的扩展 / 05 / Fat12Test
  

7. 小结

• FAT12根目录区记录了文件的起始簇号和长度
• 通过查找根目录区能够确定是否存在目标文件
• FAT12文件数据的组织使用了单链表的思想
  • 文件数据离散的分布于存储介质中
  • 文件数据通过FAT表项进行关联