从头开始编写操作系统（6） 第5章：引导加载器3

译自：http://www.brokenthorn.com/Resources/OSDev5.html

第5 章：引导加载器3
by Mike, 2009

本系列文章旨在向您展示并说明如何从头开发一个操作系统。

请注意：本章计划在近期更新以修正错误并提供更多相关信息。

介绍

欢迎！

在前一章里，我们了解了处理器的不同模式，以及一些BIOS 中断。我们也了解了在实模式中段：偏移的寻址方式，并深入解释了实模式。我们也扩展了我们的引导加载器，我们增加了谜一样的OEM 参数块，并增加了打印字符串的功能。

在本章里，我们会看看不同的“环”，它表明了应用程序和系统程序的不同。

我们也会看到一段引导和多段引导，以及他们的优缺点。

最后，我们了解一下BIOS INT 0x13 , OEM 参数块， 及读、加载、执行一个程序。 这个程序将是我们的第二段引导加载器 。我们的第二段引导加载器 将设置32 位环境，并为C 内核 的加载做好准备。

准备好了吗？

汇编语言的环

在汇编语言中，你可能听说过“环0 程序”，“这是一个环3 程序”的说法。在操作系统开发中理解不同的环（是什么）是有用的。

环——理论

什么是环呢？在汇编语言中，环是系统中保护与控制的层次。有4 个环：环0 ，环1 ，环2 ，环3 。

环0 对系统所有部分有绝对控制权，而环3 只有很少的控制权。软件的环值越小，控制权越大（保护越少）。

环不只只是一个概念——它是处理器的体系结构。

当计算机启动，当引导加载器运行时，处理器工作在环0 ，大多数的应用程序，比如DOS 应用程序，运行在环3 。而操作系统工作在环0 ，比一般的应用程序有更大的控制权。

切换环

因为环是处理器体系结构的一部分，当处理器状态改变时就可能发生环的切换，在以下情况下，它可能改变

• 在不同环级的重定向指令，如 far jump, far call, far return 等
• 陷阱（trap ） 指令，如INT, SYSCALL , SYSENTER
• 异常Exceptions

我们在后面会讨论异常处理及 SYSCALL 和 SYSENTER 指令。

多段引导加载器

单段引导加载器

引导加载器、引导扇，只能有512 字节。如果引导加载器比512 字节少，它直接执行内核的话，它就是一个单段引导加载器

问题是它的大小。512 字节太小了，很难在一个16 位的引导加载器中设置、加载并执行一个32 位的内核。这还不包含错误控制代码。这些代码要包括： GDT, IDT, A20, PMode, 查找并加载 32 位 kernel, 执行 kernel, 和错误控制 。在512 字节中放下全部的这些东西，不大可能。所以单段引导加载器必须加载并执行一个16 位的内核。

因此大多数的引导加载器都是多段引导加载器。

多段引导加载器

一个多段引导加载器包括一个512 字节的引导加载器（单段引导加载器），这个加载器仅仅加载并执行另一个引导加载器——第二段引导加载器。第二段引导加载器往往是16 位的，但包含更多的代码。它能够加载并执行一个32 位的内核。

这是因为引导加载器的512 字节限制。当引导加载器加载了第二段引导加载器所需的全部扇区后，第二段引导加载器就没有了大小的限制。这样他更容易完成加载内核的工作。

我们将使用二段（2 Stage ）引导加载器。

从磁盘加载扇区

因为引导加载器被限制到512 字节，不可能做太多的工作。正如前一节中所说，我们使用二段引导加载器，也就是说，引导加载器加载并执行我们的第二段程序——内核加载器。

如果你想，可以在第二段加载器中放置一个“选择操作系统”和“高级选项”的菜单 J ，做吧，我知道你想法要一个

BIOS INT 0x13 的 0 号功能 – 复位软盘驱动器

BIOS 0x13 中的用于磁盘访问。你可以使用INT 0x13 的0 号功能复位软盘驱动器。什么意思？无论软盘控制器在读什么位置，它会立即返回磁盘的第一个扇区。

INT 0x13/AH=0x0 – 磁盘：复位软盘驱动器
AH = 0x0
DL = 待复位驱动器

返回值:
AH = 状态码
CF ( 进位标志) 成功为0 ，失败为1

这是一个完整的例子。它重设软盘驱动器，如果出错会再试一次：

.Reset:

        mov            ah, 0                                 ; 复位磁盘

        mov            dl, 0                                 ; drive 0 是软驱

        int            0x13                                  ; BIOS 调用

        jc             .Reset                                ; 如果进位标志 (CF) 为1 ，表示有错误发生，再试一次。

为什么这个中断很重要？在读扇区之前，我们要保证从0 扇区开始。我们不知道软盘控制从哪读，这不好，这使得每次启动都不一样。复位磁盘到0 扇区会使我们每次从同一个扇区开始。

BIOS INT 0x13 的0x02 号功能 – 读扇区

INT 0x13/AH=0x02 – 磁盘 : 往内存中读扇区
AH = 0x02
AL = 要读入的扇区数
CH = 柱面号的低8 位
CL = 扇区号(Bits 0-5). Bits 6-7 只对硬盘有效
DH = 磁头号
DL = 驱动器号 ( 对于硬盘第7 位为1)
ES:BX = 保存读到扇区的缓冲区

返回值:
AH = 状态码
AL = 读到的扇区数
CF = 失败为1 ，成功为0

有不少要考虑的，一些很简单，另一些要详加说明。

CH = 柱面号的低8 位

什么是柱面（Cylinder ） ? 柱面是（具有相同半径的）一组磁道，为了理解它，看下图：

看看上面的图：

• 每个磁道被分为512 字节的扇区。在软盘上，每磁道有18 个扇区
• 一个柱面是一组有相同半径的磁道（图中红线）
• 软盘有两个磁头
• 共有2880 个扇区。

这对我们有什么用？柱面数表示单个磁盘的磁道数，对于软盘，它表示要读的磁道 。

每磁道18 个扇区，在软盘上有63 个磁道。

如果柱面号比63 大，软盘控制器会发送一个异常，因为扇区不存在。因为不存在错误控制代码，CPU 会产生另一个异常，最终导致一个三重错误。

CL = 扇区号(Bits 0-5). Bits 6-7 只对硬盘有效
读取的第一个扇区号。要记住：每磁道只有18 个是扇区，该值只能在0 到17 之间，否则就增大当前磁道的值，以确保扇区号设置为你需要读取的那个扇区。

如果该值大于18 ，软盘控制器会因为扇区不存在而产生一个异常。由于没有错误控制，CUP 会产生另外一个错误异常，这最终导致一个三重错误。

DH = 磁头号

记住对于某些软盘有两个磁头，或面。对于他们磁头0 是正面，磁头1 是反面。所以我们从磁头0 开始读 。

如果该值大于2 ，软盘控制器会因为扇区不存在而产生一个异常。由于没有错误控制，CUP 会产生另外一个错误异常，这最终导致一个三重错误。

DL = 驱动器号 ( 对于硬盘第7 位为1)

ES:BX = 保存读到扇区的缓冲区

什么是驱动器号呢？它是一个代表驱动器是数字。驱动器号0 总用于软驱 。驱动器号1 常由于 5-1/4" 软盘驱动器。

因为我们的代码在软盘上，我们要从软驱读数据，所以要读的驱动器号为0 。

ES:BX 存储读取目标地址的段: 偏移，注意，基地址表示起始地址。

都知道了，我们来读一个扇区。

读取并执行一个扇区

从磁盘读一个扇区，首先复位驱动器，就像刚刚见到的那样：

.Reset:

        mov            ah, 0                                 ; reset floppy disk function

        mov            dl, 0                                 ; drive 0 is floppy drive

        int            0x13                                  ; call BIOS

        jc             .Reset                                ; If Carry Flag (CF) is set, there was an error. Try resetting again

 

        mov            ax, 0x1000                            ; we are going to read sector to into address 0x1000:0

        mov            es, ax

        xor            bx, bx

 

.Read:

        mov            ah, 0x02                              ; function 2

        mov            al, 1                                 ; read 1 sector

        mov            ch, 1                                 ; we are reading the second sector past us, so its still on track 1

        mov            cl, 2                                 ; sector to read (The second sector)

        mov            dh, 0                                 ; head number

        mov            dl, 0                                 ; drive number. Remember Drive 0 is floppy drive.

        int            0x13                                  ; call BIOS - Read the sector

        jc             .Read                                 ; Error, so try again

 

        jmp            0x1000:0x0                            ; jump to execute the sector!

注意：如果在读取扇区时发生了错误，并且你还要跳到那里去执行。无论读取是否成功，CPU 都会执行指令。这往往意味着CPU 要么执行一些非法的或是未知的指令，超出内存之外，这些都会导致三重错误。

上面的代码读取并执行一原始扇区，这对我们来说没有意义。首先，现在我们对PartCopy 的配置只能复制512 字节数据， 那么我们在哪里以及怎么创建一个原始扇区呢？

另外，我们也不能通过“文件名”来代表这个扇区，因为它不存在，它只是一个原始扇区。

最后，我们现在的引导加载器设置成了FAT12 文件系统。Windows 会试图从扇区2 和扇区3 读取一张表( 文件分配表File Allocation Tables ) 。但是对于一个原始扇区，这张表是不存在的，这时Windows 会得到一个垃圾值（如果这是那张表的话）。结果呢，当我们使用Windows 读软盘时，会发现文件或文件夹有一个损坏的文件名和巨大的尺寸（你将在1.44MB 的软盘上有一个2.5GB 的文件吗？我见过 J ）。

当然，我们也需要这样读取一个扇区 。在我们读取之前，我们要确定文件在磁盘上起始扇区，扇区数、基地址 等等。这是从磁盘上读取文件的基础。

我们接下来看看这个。

FAT12 文件系统导航

OEM 参数块 – 详细

在前面的文章中我们在代码里重复了一大段难看的表，是什么呢？

bpbBytesPerSector:     DW 512

bpbSectorsPerCluster: DB 1

bpbReservedSectors:    DW 1

bpbNumberOfFATs:            DB 2

bpbRootEntries:             DW 224

bpbTotalSectors:            DW 2880

bpbMedia:                   DB 0xF0

bpbSectorsPerFAT:           DW 9

bpbSectorsPerTrack:    DW 18

bpbHeadsPerCylinder:   DW 2

bpbHiddenSectors:           DD 0

bpbTotalSectorsBig:     DD 0

bsDriveNumber:          DB 0

bsUnused:                   DB 0

bsExtBootSignature:    DB 0x29

bsSerialNumber:         DD 0xa0a1a2a3

bsVolumeLabel:          DB "MOS FLOPPY "

bsFileSystem:          DB "FAT12   "

大多数很简单，让我们详细发现一下：

bpbBytesPerSector:     DW 512

bpbSectorsPerCluster: DB 1

bpbBytesPerSector 指示每扇区的字节数。必须是2 的幂。对于通常的软盘，它是512 字节。

bpbSectorsPerCluster 指示每一簇 有多少个扇，这里我们希望每簇有扇。

bpbReservedSectors:    DW 1

bpbNumberOfFATs:            DB 2

保留扇 是指不包括在FAT12 中是扇区数，比如，某个扇区不包含再根目录 里。这里，保存有引导加载器的引导扇不包括在根目录中，所以bpbReservedSectors 是 1 。

这也表示保留是扇区（我们的引导加载器）不包含在文件分配表中。

bpbNumberOfFATs 表示文件分配表的数目。FAT12 文件系统总有两个FAT 。

通常，你需要创建文件分配表，但是使用VFD ， 我们可使用Windows/VFD 通过格式化来创建这张表。

注意：在创建、删除文件或文件夹时Windows/VFD 也会修改这些表。

bpbRootEntries:             DW 224

bpbTotalSectors:            DW 2880

对于软盘，在根目录中最多有224 个文件夹。同样，记住，一张软盘有2,880 个扇区。

bpbMedia:                   DB 0xF0

bpbSectorsPerFAT:           DW 9

媒体描述字节 (bpbMedia) 包括磁盘的一些信息。这是该字节的位模式：

• Bits 0: Sides/Heads = 0 表示单面，1 表示双面
• Bits 1: Size = 0 表示每FAT 占用9 个扇区，1 表示占用8 个
• Bits 2: Density = 0 表示有80 个磁道，1 表示有40 个磁道。
• Bits 3: Type = 0 表示是固定磁盘（如硬盘），1 表示可移除（如软盘）
• Bits 4 to 7 不使用，总是1.

0xF0 = 11110000 （二进制）。这表示：这是一个单面的，每FAT9 扇区，80 个磁道，可移除的磁盘 。看看bpbSectorsPerFAT 我们会发现它确实是9 。

bpbSectorsPerTrack:    DW 18

bpbHeadsPerCylinder:   DW 2

前一章中说：每磁道18 个扇区。

bpbHeadsPerCylinder 表示每柱面有两个磁头

bpbHiddenSectors:           DD 0

这表示物理磁盘或卷开始之前有多少个扇。

bpbTotalSectorsBig:     DD 0

bsDriveNumber:          DB 0

记得软盘驱动器号是0 吗？

bsUnused:                   DB 0

bsExtBootSignature:    DB 0x29

引导标志表示BIOS 参数块（BIOS Parameter Block (OEM 表) ）的版本，它的值可以是：

• 0x28 和 0x29 表示这是 MS/PC-DOS version 4.0 BIOS 参数块 (BPB)

我们用0x29 ，即我们使用的版本。

bsSerialNumber:         DD 0xa0a1a2a3

bsVolumeLabel:          DB "MOS FLOPPY "

bsFileSystem:          DB "FAT12   "

序列号被格式化它的工具赋值，不同的软盘有不同的序列号，没有哪两序列号是相同的。

Microsoft, PC, 和 DR-DOS 产生的序列号是基于时间和日期的：

Low 16 bits = ((seconds + month) << 8) + (hundredths + day_of_month)

 

High 16 bits = (hours << 8) + minutes + year

因为序列号会被重写，我们可以放置任何我们想要的值，这没有关系。

卷标，是磁盘的标签，有些操作系统在这里显示它的名字。注意：这个字符串必须11 字节，不能长，也不能短 。

文件系统字符串具有相同的目的，没什么特别 。注意：这个字符串必须8 字节，不能长，也不能短 。

演示

Wow, 好多内容, huh? 下面是我为这一章开发的引导加载器，它把所有的东西都放在了一起。

请注意：这个演示不会向它看起来那么工作。 它仅仅用于演示目的，并且在现阶段，它不可构建，我计划在本系列的下一次修订中使其成为一个可构建的程序 。

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

;       Boot1.asm

;              - A Simple Bootloader

;

;       Operating Systems Development Tutorial

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

 

bits    16                                                    ; 我们处在16位模式

 

org            0x7c00                                        ; 我们已被BIOS加载到了0x7C00

 

start:          jmp loader                                   ; 跳过 OEM块

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

;       OEM 参数块 / BIOS 参数块

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

 

TIMES 0Bh-$+start DB 0

 

bpbBytesPerSector:     DW 512

bpbSectorsPerCluster: DB 1

bpbReservedSectors:    DW 1

bpbNumberOfFATs:       DB 2

bpbRootEntries:        DW 224

bpbTotalSectors:       DW 2880

bpbMedia:               DB 0xF0

bpbSectorsPerFAT:      DW 9

bpbSectorsPerTrack:    DW 18

bpbHeadsPerCylinder:   DW 2

bpbHiddenSectors:       DD 0

bpbTotalSectorsBig:     DD 0

bsDriveNumber:          DB 0

bsUnused:               DB 0

bsExtBootSignature:    DB 0x29

bsSerialNumber:         DD 0xa0a1a2a3

bsVolumeLabel:          DB "MOS FLOPPY "

bsFileSystem:          DB "FAT12   "

 

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

;       打印字符串

;       DS=>SI: 0终止的字符串

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

 

Print:

                       lodsb                                 ; 从SI加载下一个字符到AL

                       or                     al, al         ; AL=0?

                       jz                     PrintDone      ; 是，0终止，跳出

                       mov                    ah,     0eh    ; 不是，打印字符

                       int                    10h

                       jmp                    Print          ; 重复，直到到达结尾

PrintDone:

                       ret                                   ; 完成返回

 

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

;       引导加载器入口点

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

 

loader:

 

.Reset:

        mov            ah, 0                 ; 重设软盘驱动器

        mov            dl, 0                 ; drive 0 是软盘驱动器

        int            0x13                  ; BIOS调用

        jc             .Reset                ; 如果进位标志 (CF)为1，则有错误发生，再试一次

 

        mov            ax, 0x1000            ; 我们准备将扇区读入到地址0x1000:0处

        mov            es, ax

        xor            bx, bx

 

        mov            ah, 0x02                              ; 读扇区

        mov            al, 1                                 ; 读1个扇区

        mov            ch, 1                                 ; 我们读第2个扇区，在1磁道

        mov            cl, 2                                 ; 要读的扇区 (第2扇区)

        mov            dh, 0                                 ; 磁头号

        mov            dl, 0                                 ; 驱动器号，0是软驱

        int            0x13                                  ; 调用BIOS -读扇区

       

 

        jmp            0x1000:0x0                            ; 跳转以执行扇区！

 

 

times 510 - ($-$$) db 0                                      ; 我们需要512字节，用0填充

 

dw 0xAA55                                                    ; 引导标志

 

;第1扇区结束，第2扇区开始 ---------------------------------

 

 

org 0x1000                                      ; 这个扇区会被引导加载器加载到0x1000:0

 

cli                                             ; 仅仅使系统停机

hlt

总结

我们很详细的了解了如何读取磁盘，及BIOS 参数块(BPB) 的内容。我们甚至开发了一个将他们组合起来的例子。

我们也了解了汇编语言的不同环，并知道操作系统在环0 ，这不同于大多数程序，这运行我们执行一些应用程序不能执行的特权指令。

现在，我们了解了所有查找和加载我们的第二段加载器的全部知识！我们会在下一章中，学习FAT12 的全部，并加载我们的第二段加载器！我等不及了！ J 下次见。