boot/loader.asm

;By Marcus Xing
;boot/loader.asm
;加载原始KERNEL.BIN,在保护模式下分析ELF把各
;段转移到对应的虚拟地址上，并把控制权交给KERNEL

org 0100h

%include "pm.inc"

;-------------------------------------------------------------------------宏信息
    Base_Of_Loader          equ 9000h   ;加载LOADER的段地址
    Offset_Of_Loader        equ 0100h   ;加载LOADER的偏移地址

    Base_Of_Kernel          equ 8000h   ;加载KERNEL的段地址
    Offset_Of_Kernel        equ 0h      ;加载KERNEL的偏移地址

    Base_Of_Page_Dir        equ 200000h ;页目录表的首址
    Base_Of_Page_Tbl        equ 201000h ;页表的首址

    Base_Of_Loader_Phy_Addr equ Base_Of_Loader * 10h    ;加载LOADER的物理基地址
    Base_Of_Kernel_Phy_Addr equ Base_Of_Kernel * 10h    ;加载原始KERNEL的物理基地址

    Root_Dir_Begin_Sector   equ 19      ;根目录区的逻辑起始逻辑扇区

    Kernel_Entry_Point_Phy_Addr equ 30400h  ;内核的入口地址

;-------------------------------------------------------------------CODE_SEGMENT
[section .code16]
[bits 16]
LABEL_START:
    mov ax,cs
    mov ds,ax
    mov ax,3000h
    mov ss,ax
    mov sp,0100h

    ;取得内存信息存入缓冲区
    ;进入保护模式后显示出来
    ;BIOS int 15h
    xor ebx,ebx                             ;后续值，不用程序员关注，初始为0
    mov di,_Memory_Info_Buffer              ;es:di指向缓冲区

.l:
    mov ecx,20                              ;每个ARDStruct为20字节
    mov edx,0534d4150h                      ;edx='SMAP'
    mov eax,0e820h                          ;功能号
    int 15h
    jc  .fail                               ;如果CF为1，则出错，置ARDStruct变量为0
    add di,20                               ;es:di指向下一段缓冲区
    inc dword   [_d_ARDStruct_Num]          ;ARDStruct变量自增1
    cmp ebx,0                               ;判断ebx是否为0，为0则读取结束，否则继续读取
    jne .l
    jmp .done

.fail:
    mov dword   [_d_ARDStruct_Num],0
.done:

    ;回车
    push    _sz_Return
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2

    ;显示字符串Loading
    push    _sz_Loading_Message
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2

    ;es指向缓冲区的段地址
    mov ax,Base_Of_Kernel
    mov es,ax

LABEL_READ_NEXT_SECTOR:
    mov bx,Offset_Of_Kernel                     ;bx指向缓冲区的偏移地址
    cmp word [_w_Root_Dir_Search_For_Loop],0    ;比较循环变量是否为0
    je  LABEL_NO_FOUND                          ;为0代表没找到，跳转到相应的标号处理
    dec word [_w_Root_Dir_Search_For_Loop]      ;尚未为0，循环变量自减1

    ;读取当前根目录区扇区至缓冲区
    push    1
    push    word [_w_Root_Dir_Sector_No]
    call    Read_Sector
    add sp,4

    inc word [_w_Root_Dir_Sector_No]            ;定位到下一个根目录扇区，为下一次读做准备
    mov dx,16                                   ;一个扇区有16个FCB，要循环16次

LABEL_GO_ON_NEXT_DIR_ITEM:
    cmp dx,0                                    ;判断是否为0
    je  LABEL_READ_NEXT_SECTOR                  ;为0就读下一个根目录扇区
    dec dx                                      ;dx自减1

    mov cx,11                                   ;FCB中的文件名字段有11位,故循环变量为11
    mov si,_s_Name_Of_Kernel                    ;si定位到要比较的字符串偏移处

LABEL_GO_ON_CMP:
    cmp cx,0                                    ;判断比较计数器是否为0，为0表示比较成功
    je  LABEL_FOUNDED                           ;即找到KERNEL.BIN，跳转到相应标号处理
    dec cx                                      ;cx自减1

    mov al,[si]                                 ;ds:si指向比较字符串，赋给al
    cmp al,[es:bx]                              ;es:bx指向当前FCB的文件名字段，比较两者
    je  LABEL_CMP_OK                            ;比较成功则进行下一次比较
    and bx,0ffe0h                               ;不成功则把bx的低5位清零，因为一个FCB为32
    add bx,32                                   ;字节，再加32则定位到下一个FCB的文件名处
    jmp LABEL_GO_ON_NEXT_DIR_ITEM               ;跳转，比较下一个FCB

LABEL_CMP_OK:
    ;两个串的定位器都自增1
    inc si
    inc bx
    jmp LABEL_GO_ON_CMP                         ;跳转下一次比较

    ;没找到KERNEL，跳转到这儿，显示完相应信息后死循环
LABEL_NO_FOUND:
    push    _sz_No_Kernel_Message
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2
    jmp $

    ;找到了KERNEL,跳转到这儿
LABEL_FOUNDED:
    and bx,0ffe0h                               ;使es:bx指向找到的KERNEL的FCB的起始处
    mov cx,[es:bx + 1ah]                        ;取得KERNEL的相对于数据区的偏移扇区号
                                                ;注意：2为数据区的第一个扇区

    mov ax,cx
    mov bx,Offset_Of_Kernel                     ;es:bx=8000h:0000h，准备读入一个数据扇区

LABEL_GO_ON_LOADING:
    ;每从数据区读一个扇区则显示一个点
    push    _sz_Dot
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2

    add ax,31                                   ;得到要读取的数据扇区的逻辑地址

    ;读一个数据扇区
    push    1
    push    ax
    call    Read_Sector
    add sp,4

    ;得到当前数据扇区在FAT中的值
    push    cx
    call    Get_FAT_Entry
    add sp,2

    ;判断有没有下一个扇区，有则根据得到的下一个数据相对扇区号继续读
    ;没有则可以分析KERNEL.BIN的ELF格式了
    cmp ax,0fffh
    je  LABEL_START_LOADING

    add bx,512                                  ;定位KERNEL的加载偏移地址
    mov cx,ax
    jmp LABEL_GO_ON_LOADING                     ;跳转回去进行相应处理

    ;KERNEL数据全部加载完毕后跳转到此
LABEL_START_LOADING:
    ;打印准备信息
    push    _sz_Ready_Message
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2

    ;回车
    push    _sz_Return
    call    Disp_Str_In_Real_Mode
    add sp,2

  ;下一步准备跳入保护模式

  call  Kill_Motor                              ;关闭软驱马达

    lgdt    [GDT_Ptr]                           ;加载GDT信息到GDTR
    cli                                         ;关中断

    ;打开A20，可以寻址到1M开外
    in  al,92h
    or  al,00000010b
    out 92h,al

    ;CR0最低位置1，使CPU处于保护模式
    mov eax,cr0
    or  al,1
    mov cr0,eax

    ;跳转到32位代码段中
    jmp dword   Selector_Flat_C:(Base_Of_Loader_Phy_Addr + LABEL_SEG_CODE32)

;--------------------------------------------------------------PM_CODE32_SECTION
[section .code32]
[bits 32]
LABEL_SEG_CODE32:

    ;ds,es,ss,fs都指向4G读写平坦段
    mov ax,Selector_Flat_RW
    mov ds,ax
    mov es,ax
    mov fs,ax

    ;设置好堆栈，1K空间
    mov ss,ax
    mov esp,Stack32_Len

    ;gs指向显存段
    mov ax,Selector_Video
    mov gs,ax

;-------------------------------------------------------------------显示内存信息
    ;显示内存头信息
    push    sz_Memory_Info_Title
    call    Disp_Str
    add esp,4

    ;回车
    push    sz_Return
    call    Disp_Str
    add esp,4

    mov ecx,[d_ARDStruct_Num]               ;ecx<-ADRStruct个数，控制外层循环
    mov esi,Memory_Info_Buffer              ;ds:esi指向内存信息缓冲区

.1:
    mov edx,5                               ;控制内层循环，因为1个ARDStruct有5个字段
    mov edi,d_Base_Addr_Low                 ;es:edi指向ARDStruct缓冲区

.2:
    cmp edx,0                               ;判断edx是否为0
    je  .3                                  ;是的话跳转到.3
    dec edx
    lodsd                                   ;eax<-ds:esi,add    esi,4
    ;显示出来
    push    eax
    call    Disp_Int
    pop eax
    stosd                                   ;es:edi<-eax,add    edi,4
    ;打印2个空格
    call    Disp_Space
    call    Disp_Space
    jmp .2                                  ;继续内层循环

.3:
    cmp dword [d_Type],1                    ;判断类型字段是否为1，即是否可被我们的OS使用
    jne .4                                  ;不是就跳转到4，显示下一个ARDStruct

    ;判断当前ARDStruct地址范围
    ;跟当前内存范围大小,当前内存
    ;范围小则更新之
    mov eax,[d_Base_Addr_Low]
    add eax,[d_Length_Low]
    cmp [d_Memory_Size],eax
    ja  .3
    mov [d_Memory_Size],eax

.4:
    ;回车
    push    sz_Return
    call    Disp_Str
    add esp,4
    loop    .1                              ;执行外层循环

    ;显示内存范围字符串
    push    sz_Memory_Size
    call    Disp_Str
    add esp,4

    ;显示内存范围数值
    push    dword [d_Memory_Size]
    call    Disp_Int
    add esp,4

    ;回车
    push    sz_Return
    call    Disp_Str
    add esp,4

;--------------------------------------------------------------分页设置(一一对应)
    mov eax,[d_Memory_Size]
    mov ebx,1024 * 1024 * 4                 ;一个页目录项对应4M物理内存
    div ebx                                 ;eax<-页目录表个数
    cmp edx,0
    je  .11
    inc eax                                 ;余数不为0页目录加1

.11:
    push    eax                             ;暂存页目录个数
    mov ecx,eax                             ;循环次数
    mov eax,Base_Of_Page_Tbl | 1b | 10b | 100b  ;指向页表，每个页目录可读可写，用户级，存在
    mov edi,Base_Of_Page_Dir                ;es:edi指向页目录表地址

.22:
    stosd
    add eax,4096
    loop    .22

    pop eax                                 ;恢复页目录个数
    mov ebx,1024                            ;每个页目录项对应1024个页表项
    mul ebx
    mov ecx,eax                             ;ecx<-页目录项个数
    mov eax,0 | 1b | 10b | 100b             ;一一映射，每个页表项可读可写，用户级，存在
    mov edi,Base_Of_Page_Tbl                ;es:edi指向页表地址

.33:
    stosd
    add eax,4096
    loop    .33

    ;cr3<-页目录地址
    mov eax,Base_Of_Page_Dir
    mov cr3,eax

    ;置cr0最高位为1，打开分页
    mov eax,cr0
    or  eax,80000000h
    mov cr0,eax

;------------------------------------------------------把ELF格式的KERNEL读入内存
;KERNEL.BIN原始文件位于8000h:0h处
    mov cx,[Base_Of_Kernel_Phy_Addr + 44]   ;取得PROGRAM HEADER的个数
    and ecx,0ffffh                          ;ecx高16位清零
    mov esi,[Base_Of_Kernel_Phy_Addr + 28]  ;取得PROGRAM HEADER TABLE相对文件偏移
    add esi,Base_Of_Kernel_Phy_Addr         ;ds:esi指向PROGRAM HEADER TABLE的第一项

.s:
    cmp dword [esi + 0],0                   ;判断当前PROGRAM HEADER的TYPE是否为0
    je  .next                               ;为0直接跳过处理下一项
    push    dword [esi + 16]                ;当前PROGRAM HEADER的长度入栈
    push    dword [esi + 8]                 ;当前PROGRAM HEADER的虚拟地址入栈
    mov eax,[esi + 4]
    add eax,Base_Of_Kernel_Phy_Addr         ;eax<-当前PROGRAM HEADER的内容地址
    push    eax
    call    Memory_Copy                     ;复制之
    add esp,12

.next:
    add esi,32                              ;ds:esi指向下一个项，一个项32字节
    loop    .s

    push    dword [d_Disp_Pos_In_PM]        ;进入内核前把显示位置入栈供内核使用

    ;********************************************************************
    jmp Selector_Flat_C:Kernel_Entry_Point_Phy_Addr ;****正式进入内核****
    ;********************************************************************

;-------------------------------------------------------------PM_STACK32_SECTION
[section .stack32]
[bits 32]
    times   1024    db  0
Stack32_Len equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + $

;-------------------------------------------------------------------DATA_SECTION
LABEL_DATA:
    _w_Root_Dir_Sector_No       dw  Root_Dir_Begin_Sector       ;根目录区起始逻辑扇区
    _w_Root_Dir_Search_For_Loop dw  14                          ;找LOADER循环次数，就
                                                                                                                    ;是根目录区扇区个数

    _b_Is_Odd                       db  0                       ;FAT ENTRY逻辑地址的奇或偶
    _w_Disp_Pos_In_RM               dw  0                       ;实模式显示地址
    _d_Disp_Pos_In_PM               dd  320                     ;保护模式显示地址，从第3行开始


    ;一些用到的串
    _sz_Loading_Message             db  'Loading',0
    _sz_Ready_Message               db  'Ready',0
    _sz_No_Kernel_Message           db  'No Kernel',0
    _sz_Dot                         db  '.',0
    _sz_Return                      db  0ah,0
    _sz_Space                       db  20h,0
    _sz_PM_Message                  db  'HELLO!',0

    _s_Name_Of_Kernel               db  'KERNEL  BIN'
    _sz_Memory_Info_Title           db  'BaseAddrL  BaseAddrH  LengthLow  LengthHigh  Type',0
    _sz_Memory_Size                 db  'Memory Size:',0

    _Memory_Info_Buffer:            ;内存信息缓冲区,能存放12个ARDStruct，
        times   256 db  0           ;如果内存太大可能不够用

    _d_ARDStruct_Num                dd  0       ;ARDStruct的个数

    ;一个ARDStructd的缓冲区
    _d_Base_Addr_Low                dd  0       ;基址低32位
    _d_Base_Addr_High               dd  0       ;基址高32位
    _d_Length_Low                   dd  0       ;长度低32位
    _d_Length_High                  dd  0       ;长度高32位
    _d_Type                         dd  0       ;类型

    _d_Memory_Size                  dd  0       ;可用内存长度


    ;保护模式下用到得标号（偏移）
    d_Disp_Pos_In_PM                equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Disp_Pos_In_PM
    sz_PM_Message                   equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _sz_PM_Message
    sz_Return                       equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _sz_Return
    sz_Space                        equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _sz_Space
    sz_Memory_Info_Title            equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _sz_Memory_Info_Title
    sz_Memory_Size                  equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _sz_Memory_Size

    Memory_Info_Buffer              equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _Memory_Info_Buffer

    d_ARDStruct_Num                 equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_ARDStruct_Num
    d_Base_Addr_Low                 equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Base_Addr_Low
    d_Base_Addr_High                equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Base_Addr_High
    d_Length_Low                    equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Length_Low
    d_Length_High                   equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Length_High
    d_Type                          equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Type
    d_Memory_Size                   equ Base_Of_Loader_Phy_Addr + _d_Memory_Size

;----------------------------------------------------------------------------GDT
[section .gdt]
;GDT开始
LABEL_GDT:
LABEL_DESC_DUMMY:
    Descriptor  0,0,0
LABEL_DESC_FLAT_RW:
    Descriptor  0,0fffffh,DA_DRW + DA_32 + DA_LIMIT_4K      ;读写4G平坦段
LABEL_DESC_FLAT_C:
    Descriptor  0,0fffffh,DA_CR + DA_32 + DA_LIMIT_4K       ;4G可执行段
LABEL_DESC_VIDEO:
    Descriptor  0b8000h,0ffffh,DA_DRW   + DA_DPL3           ;指向显存首址段,DPL为3
                                                            ;为之后的进程准备

;选择子
    Selector_Flat_RW    equ LABEL_DESC_FLAT_RW - LABEL_GDT
    Selector_Flat_C     equ LABEL_DESC_FLAT_C  - LABEL_GDT
    Selector_Video      equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT + SA_RPL3
    ;RPL为3，为之后的进程准备

GDT_Len equ $ - LABEL_GDT           ;GDT长度宏

GDT_Ptr:                            ;准备加载进GDTR的6字节数据结构
    dw  GDT_Len - 1
    dd  Base_Of_Loader_Phy_Addr + LABEL_GDT

;------------------------------------------------------------lib_in_protect_mode
[section .lib_in_protect_mode]
[bits 32]
    %include "lib_in_protect_mode.inc"

;---------------------------------------------------------------lib_in_real_mode
[section .lib_in_real_mode]
[bits 16]
    %include "lib_in_real_mode.inc"