从裸机启动开始运行一个C++程序（四）
先序文章请看
从裸机启动开始运行一个C++程序（三）
从裸机启动开始运行一个C++程序（二）
从裸机启动开始运行一个C++程序（一）
跳转
前面我们介绍过，8086CPU总是在执行CS:IP所对应的内存位置的指令，一般情况下，会按照顺序一条一条执行。除非一种特殊情况——跳转指令。
所谓「跳转」，顾名思义，就是不要再继续向下执行，而是跳到某一个位置开始执行。因此，跳转指令就是要改变CS:IP的指向。
跳转指令主要分为两种，分别是「近跳」和「远跳」。不过笔者认为，这两个名字也起得不是特别恰当，其实他们跟远近并没有直接关系。
近跳
所谓「近跳」，我们可以理解为CS不变，IP做一个偏移，它的操作数是一个偏移量，比如说-3就表示向前跳转3字节、5就表示向后偏移5字节。
然而在汇编语言里，我们也不好手动去计算偏移量，因此这种时候就需要用到强大的汇编器预处理功能——标签。我们来看一个例子：
L1:
mov ax, 1
jmp L2
mov bx, 2
L2:
mov cx, 8
其中的L1:和L2:就是标签，它也是伪指令，并不会生成对应的机器码，而是会影响汇编器的预处理。标签名可以随便起，只要不跟汇编关键字冲突即可，后面的冒号也可以省略。
上面例程中的近跳指令是：
jmp L2
预处理时，汇编器会根据L2标签到当前位置（跳转指令的位置）之前的偏移量来给近跳指令添加操作数。以上面例程来说，实际的操作数正好是mov bx, 2这条指令的长度，也就是3，那么jmp L2就相当于jmp +3。
当CPU执行到近跳指令时，则会将IP寄存器与近跳指令的操作数相加，然后去执行对应位置的指令，进而达到跳转的目的。
远跳
所谓「远跳」，其实是给CS和IP都给一个绝对值，它的操作数是一个绝对的内存地址，而不是偏移量。例如：
jmp 0x0820:0x0000
这条指令执行完后，CS会赋值为0x0820，IP会赋值为0x0000，接着就会执行0x08200位置的指令。
这里需要强调的是，汇编语言指导的是机器指令，它不具备高等语义，因此，汇编器不会去检查0x08200这个地址在不在你当前操作的源文件里，也不会去管那个位置到底会不会加载合法的指令，这一切都应该由程序员自行负责。
当然，使用远跳指令时也可以使用标签，只不过此时的标签会使用「相对于文件头」的偏移量。比如说：
mov ax, 0
mov bx, 1
L1:
mov cx, 2
jmp 0x0000:L1
上面例程中jmp 0x0000:L1就是远跳指令，这时的L1就会解析为这个标签相对于文件头的偏移量，实际上也就是mov ax, 0和mov bx, 1的指令长度和，也就是6。那么这条指令其实应该是jmp 0x0000:0x0006。
这里再次强调重点：近跳指令不改变CS，操作数是偏移量；远跳指令会改变CS，操作数是绝对数。这一点在8086模式下可能看上去没那么重要，但当后面我们切换到286模式时，这一点会非常重要，所以请读者一定要记住。
多加载几个扇区
到目前为止，我们的程序都挤在软盘的第一个扇区里，指望BIOS自动加载。不过显然这区区512字节的空间很容易捉襟见肘，那么如何把软盘中的其他扇区内容也加载到内存中呢？在8086模式下，BIOS中断可以替我们搞定。
; 加载一个扇区到0x08000的位置
mov ax, 0x0800
mov es, ax
mov bx, 0 ; 软盘中的内容会加载到es:bx的位置
mov ah, 2 ; ah=2, 使用读盘功能
mov al, 2 ; ah表示需要读取连续的几个扇区（读2个就是1KB的大小）
mov ch, 0 ; ch表示第几柱面
mov dh, 0 ; dh表示第几磁头
mov cl, 2 ; cl表示第几扇区
mov dl, 0 ; dl表示驱动器号，软盘会在0x00~0x7F，硬盘会在0x80~0xFF
int 0x13 ; 执行0x13号中断的2号功能（读盘功能）
对于老式机械硬盘、软盘来说，它们都属于「磁盘」的一种。根据其机械结构分为柱面(Cylinder)、磁头(Head)、扇区(Sector)，一般表示为CHS，柱面和磁头从0开始，扇区从1开始标号。
BIOS如果设置为软盘启动，就会加载0号驱动器的C0-H0-S1到内存的0x07c00的位置。如果设置为硬盘启动，就会加载0x80号驱动器的C0-H0-S1到内存的0x07c00的位置。
那么现在，我们承担MBR角色的程序，就需要再把其他数据也加载到内存中。不过这时的内存选址就由我们随意了，并不一定要紧接着MBR加载的位置，上面例程中选择了0x08000的位置，你也可以选择其他位置，但要主要，不能占用BIOS预留的位置，也不能占用显存位置。通常8086的内存布局如下：
| 起始地址 | 结束地址 | 长度 | 作用 |
|---|---|---|---|
0x00000 |
0x003ff |
1KB | 中断向量表 |
0x00400 |
0x004ff |
256B | BIOS数据区 |
0x00500 |
0x07bff |
29.75KB | - |
0x07c00 |
0x07dff |
512B | MBR |
0x07e00 |
0x9fbff |
607.5KB | - |
0xa0000 |
0xbffff |
128KB | 显存 |
0xc0000 |
0xc7fff |
32KB | 显卡BIOS |
0xc8000 |
0xeffff |
160KB | 统一编址的I/O |
0xf0000 |
0xfffff |
64KB | BIOS |
从上表可知，0x00500到0x9fbff这638.75KB的空间都是可用的，但是由于MBR占用了其中的512B，剩下的部分我们可以自由支配。
下面我们就编写一个程序，前512B作为MBR，加载两个扇区（1KB）的数据到0x08000的位置，然后再跳转至该位置，执行指令：
; C0H0S1
; 调用0x10号BIOS中断，清屏
mov al, 0x03
mov ah, 0x00
int 0x10
; 加载一个扇区到0x08000的位置
mov ax, 0x0800
mov es, ax
mov bx, 0 ; 软盘中的内容会加载到es:bx的位置
mov ah, 2 ; ah=2, 使用读盘功能
mov al, 2 ; ah表示需要读取连续的几个扇区（读2个就是1KB的大小）
mov ch, 0 ; ch表示第几柱面
mov dh, 0 ; dh表示第几磁头
mov cl, 2 ; cl表示第几扇区
mov dl, 0 ; dl表示驱动器号，软盘会在0x00~0x7F，硬盘会在0x80~0xFF
int 0x13 ; 执行0x13号中断的2号功能（读盘功能）
jmp 0x0800:0x0000 ; 这里写成0x0000:0x8000也OK，只是CS和IP的值会不同，但CS:IP是相同的
times 510-($-$$) db 0 ; MBR剩余部分用0填充
dw 0xaa55
; 现在已经是C0H0S2的内容了
begin:
mov ax, 0xb800
mov ds, ax
mov [0x0000], byte 'H'
mov [0x0001], byte 0x0f
mov [0x0002], byte 'e'
mov [0x0003], byte 0x0f
mov [0x0004], byte 'l'
mov [0x0005], byte 0x0f
mov [0x0006], byte 'l'
mov [0x0007], byte 0x0f
mov [0x0008], byte 'o'
mov [0x0009], byte 0x0f
hlt
times 1024-($-begin) db 0 ; 补满2个扇区
可以确认一下，此时的mbr.bin变成了1536B，当然，它现在叫「MBR」已经不太合适了，它应当是包含了MBR和内核程序的一个总包。暂时我们先忽略这个叫法的问题，稍后再来看如何将MBR和内核程序分离。
同样，将其重命名为a.img，然后打开bochs看运行效果：
这证明，后面扇区的内容也加载成功了，跳转指令也完成了正确的跳转。
另外，当我们程序有稍微的规模了的时候，大家可以考虑用单步执行命令来做调试。例如启动后，我们先在0x7c00处打断点，然后c执行BIOS的指令，然后按n开始跳过调用流程的单步调试（s是单纯的单步调试，但是会把BIOS中断中的指令也显示出来，按n则不会）。大概效果如下：
而在经历一些加载数据功能后，我们还可以用x命令来查看对应内存位置，例如当执行完0x13中断后，我可以看一下0x08000位置的内存，到底有没有写入数据：
也可通过r和sreg指令查看寄存器的值，比如在跳转指令前后，查看CS和IP的值。跳转前：
然后执行n，完成跳转指令后，再看一下CS和IP的值：
大家可以根据需要进行调试观察自己的程序。
改为硬盘启动
BIOS中断的局限性
照理说，按照前面一节的方法，利用BIOS中断加载软盘中的数据到内存中再去执行，在8086下貌似是没什么问题的。但这不是长久之际，8086下只有640KB不到的内存空间供我们支配，自然用当前的这种方式没什么问题，但毕竟8086模式只是过渡，后续我们要切换到32位模式以支持4GB内存，还要切换到64位模式支持更大的内存。
虽然BIOS中断是很方便的工具，相当于基础系统提供了一些库函数供我们使用，但它毕竟依赖BIOS，BIOS中提供的指令都是16位实模式（8086模式）的指令，一旦后续我们切换为i286模式、i386模式后，这些BIOS中断就无法使用了（因为指令集不匹配）。
其实，向显存写入数据的这种需求，也是可以通过BIOS中断来完成的，但笔者并没有介绍这种方法，而是使用直接操作显存的方式，目的也就在此，因为我们不可能一直停留在8086模式。同理，加载外存中的数据这种需求，也应当有它原始方法。
I/O设备的操作
前面我们介绍过I/O，有一些是统一编址的（比如显存），也有一些是独立编址的，CPU会通过专用的指令，控制I/O控制器（或者也可以叫南桥芯片）来管理这些I/O设备。
I/O设备会映射成一个端口号，CPU向对应的端口号发送或读取数据，间接通过I/O控制器来控制外围的I/O设备。软驱也是其中的一员，我们可以控制几个软驱控制器（例如DOR、FDC）来读取和写入软盘中的内容。不过软驱的控制方法比较麻烦（只支持CHS模式，不支持LBA模式。LBA模式在后面章节详细介绍），又因为3.5英寸软盘只有1440KB的限制，迟早不够使，因此，我们姑且就不去详细研究软驱的控制方法了。接下来，我们要将我们的模拟器环境，改为用硬盘启动。
配置硬盘启动
配置硬盘，需要修改bochsrc的内容，我们将软盘启动相关配置注释掉或删除掉，改为以下内容：
# boot: floppy # 设置软盘启动
# floppy_bootsig_check: disabled=0 # 打开自检
# floppya: type=1_44, 1_44="a.img", status=inserted, write_protected=0 # 使用1.44MB的3.5英寸软盘，取镜像为a.img，开机默认已插入软驱，不开启写保护
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14 # 主盘端口映射为1f0，从盘映射为3f0，中断号设置为14（虽然这几个参数都可以定制化，但这个参数是业界标准的，不建议更改）
ata0-master: type=disk, mode=flat, path=a.img, cylinders=1, heads=1, spt=1 # 主盘位置加载一块规格为C1H1S1的硬盘，镜像使用a.img
boot: disk # 设置为硬盘启动
这里需要注意一下，硬盘的规格我们暂时设置的是1柱面1磁头1扇区，也就是只有512字节的硬盘，那么对于a.img来说，超过512B的部分是不会加载进去的。（暂时这样设置一下，后面肯定会改的。）
首先先来测试一下MBR能否正常加载，所有我们把之前MBR中写的那些跳转语句、还有512B后面的部分都先删除，打印几个文字来验一验效果：
; 调用0x10号BIOS中断，清屏
mov al, 0x03
mov ah, 0x00
int 0x10
mov ax, 0xb800
mov ds, ax
mov [0x0000], byte 'H'
mov [0x0001], byte 0x0f
mov [0x0002], byte 'e'
mov [0x0003], byte 0x0f
mov [0x0004], byte 'l'
mov [0x0005], byte 0x0f
mov [0x0006], byte 'l'
mov [0x0007], byte 0x0f
mov [0x0008], byte 'o'
mov [0x0009], byte 0x0f
hlt
times 510-($-$$) db 0 ; MBR剩余部分用0填充
dw 0xaa55
将其编译为mbr.bin，确认一下它的大小是512字节：
然后把它复制为a.img，再启动一下看看效果：
能看到输出，说明我们已经成功切换成硬盘启动了。那么接下来就是如何加载后面扇区的数据的问题了。
通过操作I/O加载硬盘数据
前面我们用了CHS方式来编号硬盘，但除了CHS以外，还有另外一种方式，叫做LBA，也就是Logical Block Address。这种方式下，硬盘会直接按照连续的扇区进行编号，对磁头和柱面不再感知。
LBA28是一种比较原始的方式，28表示用28位编号，也就是0x0000000~0xFFFFFFF的扇区号，注意，0号是预留位，真正的扇区是从1号开始的。
用于控制硬盘的设备会有对应的端口号，在前面我们bochsrc中也有对应的配置，比如当前使用了默认值，也就是0x01f0，从这个端口向后的若干端口都是用来操作硬盘的。因此，我们要按照一定的顺序，向对应的端口中写入数据，来指导硬盘控制器读取硬盘数据。
首先要配置的是需要读取的端口数，这个数据要写入0x01f2端口中：
; 设置读取扇区的数量
mov dx, 0x01f2
mov al, 2 ; 读取连续的几个扇区，每读取一个al就会减1
out dx, al
然后我们来配置起始扇区号。1号扇区就是MBR，已经加载进来了，所以我们从第2号扇区开始加载。虽然只是一个简单的2号，但其实LBA28模式下扇区号是有28位的，因此我们要拆分成4次，分别写入不同的端口中。0x01f3需要传入扇区号的0~7位，0x01f4需要传入扇区号的8~15位，0x01f5需要传入扇区号的16~23位，0x01f5则拆分为3部分，低4位是扇区号的24~27位，第4位表示主从盘，高3位表示扇区编号的模式。
这部分的代码如下，笔者已经加入了详细的注释，请读者仔细阅读：
; 设置起始扇区号，28位需要拆开
mov dx, 0x01f3
mov al, 0x02 ; 从第2个扇区开始读（1起始，0留空），扇区号0~7位
out dx, al
mov dx, 0x01f4 ; 扇区号8~15位
mov al, 0
out dx, al
mov dx, 0x01f5 ; 扇区号16~23位
mov al, 0
out dx, al
mov dx, 0x01f6
mov al, 111_0_0000b ; 低4位是扇区号24~27位，第4位是主从盘（0主1从），高3位表示磁盘模式（111表示LBA模式）
接下来要配置操作命令，我们要做「读盘」操作，对应的命令号是0x20，它要写入0x01f7端口：
; 配置命令
mov dx, 0x01f7
mov al, 0x20 ; 0x20命令表示读盘
out dx, al
一切就绪之后，控制器就会开始读盘了，但这需要一定的时间，所以此时程序要等待驱动器工作完成。0x01f7端口如果使用in命令，读取到的是硬盘控制器的状态数据，其中第7位表示是否忙碌，第3位表示是否就绪。那么也就是说，当第7位是0且第3位是1的话，说明驱动器已经完成，否则就要持续等待：
wait_finish:
; 检测状态，是否读取完毕
mov dx, 0x01f7
in al, dx ; 通过该端口读取状态数据
and al, 1000_1000b ; 保留第7位和第3位
cmp al, 0000_1000b ; 要检测第7位为0（表示不在忙碌状态）和第3位是否是1（表示已经读取完毕）
jne wait_finish ; 如果不满足则循环等待
当驱动器就绪后，我们就可以通过0x01f0端口来加载数据到内存了。这个端口是个16位端口，因此每次可以读2字节。这里我们用一个循环语句来完成，循环语句的循环次数要写在cx中，每次循环时cx会自动减1，直到cx为0则跳出循环。
所以，如果我们需要加载2个扇区的数据，那么就是1024字节的内容，而循环次数就是512，所以把这个数配到cx中：
mov cx, 512 ; 一共要读的字节除以2（表示次数，因为每次会读2字节所以要除以2）
还是按照一开始的规划，我们把屏幕打印的部分放到第二扇区，然后把它加载到0x08000的内存位置：
mov dx, 0x01f0
mov ax, 0x0800
mov ds, ax
xor bx, bx ; [ds:bx] = 0x08000
read:
in ax, dx ; 16位端口，所以要用16位寄存器
mov [bx], ax
add bx, 2 ; 因为ax是16位，所以一次会写2字节
loop read
最后通过跳转指令跳转过去，查看是否加载成功。下面给出完整代码：
; C0H0S1
; 调用0x10号BIOS中断，清屏
mov al, 0x03
mov ah, 0x00
int 0x10
; LBA28模式，逻辑扇区号28位，从0x0000000到0xFFFFFFF
; 设置读取扇区的数量
mov dx, 0x01f2
mov al, 2 ; 读取连续的几个扇区，每读取一个al就会减1
out dx, al
; 设置起始扇区号，28位需要拆开
mov dx, 0x01f3
mov al, 0x02 ; 从第2个扇区开始读（1起始，0留空），扇区号0~7位
out dx, al
mov dx, 0x01f4 ; 扇区号8~15位
mov al, 0
out dx, al
mov dx, 0x01f5 ; 扇区号16~23位
mov al, 0
out dx, al
mov dx, 0x01f6
mov al, 111_0_0000b ; 低4位是扇区号24~27位，第4位是主从盘（0主1从），高3位表示磁盘模式（111表示LBA）
; 配置命令
mov dx, 0x01f7
mov al, 0x20 ; 0x20命令表示读盘
out dx, al
wait_finish:
; 检测状态，是否读取完毕
mov dx, 0x01f7
in al, dx ; 通过该端口读取状态数据
and al, 1000_1000b ; 保留第7位和第3位
cmp al, 0000_1000b ; 要检测第7位为0（表示不在忙碌状态）和第3位是否是1（表示已经读取完毕）
jne wait_finish ; 如果不满足则循环等待
; 从端口加载数据到内存
mov cx, 512 ; 一共要读的字节除以2（表示次数，因为每次会读2字节所以要除以2）
mov dx, 0x01f0
mov ax, 0x0800
mov ds, ax
xor bx, bx ; [ds:bx] = 0x08000
read:
in ax, dx ; 16位端口，所以要用16位寄存器
mov [bx], ax
add bx, 2 ; 因为ax是16位，所以一次会写2字节
loop read
jmp 0x0800:0x0000 ; 这里写成0x0000:0x8000也OK，只是CS和IP的值会不同，但CS:IP是相同的
times 510-($-$$) db 0 ; MBR剩余部分用0填充
dw 0xaa55
; 现在已经是C0H0S2的内容了
begin:
mov ax, 0xb800
mov ds, ax
mov [0x0000], byte 'H'
mov [0x0001], byte 0x0f
mov [0x0002], byte 'e'
mov [0x0003], byte 0x0f
mov [0x0004], byte 'l'
mov [0x0005], byte 0x0f
mov [0x0006], byte 'l'
mov [0x0007], byte 0x0f
mov [0x0008], byte 'o'
mov [0x0009], byte 0x0f
hlt
times 1024-($-begin) db 0 ; 补满2个扇区
注意，由于我们已经把扇区扩展到了3个，因此bochsrc里面 也需要修改一下硬盘的规模：
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14 # 主盘端口映射为1f0，从盘映射为3f0，中断号设置为14（虽然这几个参数都可以定制化，但这个参数是业界标准的，不建议更改）
ata0-master: type=disk, mode=flat, path=a.img, cylinders=1, heads=1, spt=3 # 主盘位置加载一块规格为C1H1S3的硬盘，镜像使用a.img
boot: disk # 设置为硬盘启动
最后通过汇编生成mbr.bin，复制为a.img，再启动bochs就可以看到执行效果：
此时也可以通过调试指令来验证0x8000的内存中确实加载了对应的指令：
由此殊途同归，我们没有使用BIOS中断，也同样完成了硬盘加载的工作。
小结
本篇介绍了跳转指令和硬盘加载方法，为后面继续编写内核做了铺垫。
下一篇会介绍如何分写MBR代码，使得MBR和内核代码分开管理。
从裸机启动开始运行一个C++程序（五）