操作系统开发：BIOS/MBR 编写开机引导

Posted 2022-05-30 lyshark

该系列文章是在学习​​《操作系统真相还原》​​​时通过阅读后简化并适当描述整理的学习笔记，首先，致敬作者​​郑刚博士​​，在读本书时能深刻的感觉到作者写书时一丝不苟的态度，书很厚写的，讲解细致幽默，很能让人愿意继续读下去，同时也不得不佩服作者计算机底层功力的深厚。

本文章只是学习笔记，并非原创作品，你可以任意转载，请保留原作者（郑刚）版权信息。

这里在实验之前需要下载 Bochs-win32-2.6.11 作者使用的是Linux版本的，在Linux写代码不太舒服，所以最好在Windows上做实验，下载好虚拟机以后还需要下载Nasm汇编器，以及GCC编译器，为了能够使用DD命令实现磁盘拷贝，这里你可以安装windows 10 下面的子系统Ubuntu，需要使用命令时可以直接切换。

Bios 软件接力第一棒

BIOS 基本输入输出系统,BIOS代码所做的工作是一成不变的,所以他是被固化到ROM中的一块只读区域中,在开机时此ROM会被映射到低端1MB内存的顶部,原因是系统在开启时默认是实地址模式(该模式最大寻址范围0-fffff),所以其寻址范围也就被限制在了​​0xF0000-x0xFFFFF​​区域中,这64KB的内存就是BIOS的执行代码.

在开机的一瞬间,CPU的CS:IP寄存器会被强制初始化为​​0xF000:0xFFF0​​​,在实地址模式下该地址需要乘以16也就是左移四位加上偏移地址得到,于是​​0xF000:0xFFF0​​​就等效于​​0xFFFF0​​​此处的地址距离​​0xFFFFF​​​只有16个字节的空间,里面存放着一条​​jmp far f000:e05b = fe05b​​的汇编指令,该指令将跳转到真正的BIOS开始的位置.

接着BIOS将会通过自身的代码对硬件进行自检测,在初始化硬件后,则开始向内存​​0x000-0x3ff​​​中初始化数据结构以及拷贝中断向量表,紧接着BIOS将会通过调用​​int 19h​​​中断,此中断用以检测计算机中的硬盘,如果检测到0盘0道1扇区末尾的两个字节是​​0x55,0xaa​​​则认为此扇区确实存在,于是就会将此区域中的内容,加载到内存7c00的位置,并通过一条​​jmp far 0:0x7c00h​​的指令跳转到该位置执行,这样BIOS就将CPU控制权交给了MBR了,而BIOS将会再次睡去.

MBR 收到跳转来源，继续执行。

此处的7c000就是MBR代码的开始位置,之所以是7C00是因为,DOS中要求最小内存是32KB,而MBR大小必须是512字节(1KB),所以选择32kB中的最后1KB的位置最为合适,​​32KB(0x8000)-1KB(0x400)=>0x7c00​​​,这就是7C00的由来,同时还需要保证第510-511字节必须为​​0x55,0xaa​​才可以.

保存以下汇编代码,并使用 ​​nasm -o mbr.bin mbr.asm​​编译简易版MBR文件.

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
  mov ax,cs
  mov ds,ax
  mov es,ax
  mov ss,ax
  mov fs,ax
  mov sp,0x7c00

  mov ax,Message
  mov bp,ax         ; 保存字符串地址
  mov cx,15         ; 保存字符串长度
  mov ax,01301h     ; 子功能号13是显示字符及属性
  mov bx,000ch      ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色
  mov dl,0
  int 10h           ; 10h中断,用来显示字符
  ret

Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0  ; 填充510字节为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

进入Bochs目录下执行​​bximage.exe​​生成一个映像文件,默认是a.img,你可以改名为其他的，这里我定义为linux.img

并将编译好的mbr.bin写入到镜像中

dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc

在Bochs目录下新建并编辑bosh.src保存,然后执行​​bochs.exe -f bosh.src​​模拟执行MBR代码.

megs:32
romimage:file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
floppya:1_44=linux.img,status=inserted
boot:floppy
log:bochsout.txt
mouse:enabled=0
keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-de.map

上方屏幕会比较混乱，这里我们先来进行清屏操作，清屏中断调用也是int10

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
        mov ax,cs
        mov ds,ax
        mov es,ax
        mov ss,ax
        mov fs,ax
        mov sp,0x7c00

        mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
        mov bx,0x0
        mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
        mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
        int 0x10
        mov ax,Message
        mov bp,ax         ; 保存字符串地址
        mov cx,15         ; 保存字符串长度
        mov ax,01301h     ; 子功能号13是显示字符及属性
        mov bx,000ch      ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色
        mov dl,0
        int 10h           ; 调用10h号中断,用来显示字符
        ret

Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0  ; 填充510字节为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

执行结果，如下，但是，打印字符串，在底部，因为光标在底部。

设置光标到顶部，这里百度一下光标中断，发现了。

接着改进代码

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
        mov ax,cs
        mov ds,ax
        mov es,ax
        mov ss,ax
        mov fs,ax
        mov sp,0x7c00

        mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
        mov bx,0x0
        mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
        mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
        int 0x10
        mov dh,0x0        ; 设置光标列号
        mov dl,0x0        ; 设置光标行号
        mov bh,0x0        ; 页码
        int 0x10
        mov ax,Message
        mov bp,ax         ; 保存字符串地址
        mov cx,15         ; 保存字符串长度
        mov ax,01301h     ; 子功能号13是显示字符及属性
        mov bx,000ch      ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色
        mov dl,0
        int 10h           ; 调用10h号中断,用来显示字符
        ret

Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

完美结果。

mbr.asm

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
        mov ax,cs
        mov ds,ax
        mov es,ax
        mov ss,ax
        mov fs,ax
        mov sp,0x7c00

        mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
        mov bx,0x0
        mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
        mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
        int 0x10
        mov dh,0x0        ; 设置光标列号
        mov dl,0x0        ; 设置光标行号
        mov bh,0x0        ; 页码
        int 0x10
        mov ax,Message
        mov bp,ax         ; 保存字符串地址
        mov cx,15         ; 保存字符串长度
        mov ax,01301h     ; 子功能号13是显示字符及属性
        mov bx,000ch      ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色
        mov dl,0
        int 10h           ; 调用10h号中断,用来显示字符
    hlt
        ret

Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

mbr.src

megs:32
romimage:file=./BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=./VGABIOS-lgpl-latest
boot:disk
mouse:enabled=0
ata0-master: type=disk, path="linux.img", mode=flat, status=inserted
keyboard: keymap=./x11-pc-de.map

填充数据

dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc
dd if=/dev/zero of=linux.img seek=1 bs=512 count=2879

运行

bochsdbg -q -f mbr.src
vb sp:0x7c00
c

让我们对显卡说点什么？

上面我们通过调用BIOS提供的​​int 0x10​​中断来实现打印字符操作，但我们在后期必须要借助显卡来输出图像，而显卡是外部设备，必须通过总线来操作。

由于CPU使用的信号是TTL电平，而外部设备都是机械设备，故他们不会使用该电平驱动，这就导致CPU与硬件设备没有办法实现沟通，硬件工程师们提供的方法是，在这两者之间架起一座桥，也就是在CPU和外设之间加上一层IO接口，该接口的作用就是实现CPU和外设之间相互做协调转换。

其次外部设备的种类也是多种多样的，其输出的信号可能是数字信号，也可能是模拟信号，而我们的CPU只能处理数字信号，数字信号需要经过​​数模转换器<D/A>​​​成模拟量才能送到外设来驱动硬件工作，模拟量也同样需要经过​​模数转换器<A/D>​​转换成数字量才能被CPU直接处理，所以接口电路中需要包括A/D转换器和D/A转换器。

转换后的数字信号，会经过总线进行传递，总线的别名是BUS，之所以叫做BUS是因为其是公共线路，所有硬件设备都会走此线路，但同一时刻，CPU只能和一个IO接口(寄存器/端口)通信，当有多个IO接口同时想和CPU通信时，那么IO仲裁模块会对其进行竞争与选优，仲裁模块固化到，输入输出控制中心(ICH)也就是南桥芯片上的。

多数情况下，南桥和北桥是成对出现的，南桥主要负责连接​​PCI,PCI-Express,AGP​​等低速设备，而北桥则用于链接高速设备，如内存等。

IO接口都是串行口，其在设计之初就是负责与CPU进行通信的，我们想要与CPU通信，其实是向这些接口中写入数据，同时为了区别CPU中的寄存器，所以把IO接口叫做端口，某些外设可以通过内存映射来访问，即把某些端口映射到指定内存中，访问某个内存区域就相当于访问了指定的端口。

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
        mov ax,cs
        mov sp,0x7c00
        mov ax,0xb800
        mov gs,ax

        mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
        mov bx,0x0
        mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
        mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
        int 0x10

        mov dh,0x0        ; 设置光标列号
        mov dl,0x0        ; 设置光标行号
        mov bh,0x0        ; 页码
        int 0x10

        mov byte [gs:0x00],M
        mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 显示A=绿色闪烁 4=红色

        mov byte [gs:0x02],B
        mov byte [gs:0x03],0xa5

        mov byte [gs:0x04],R
        mov byte [gs:0x05],0xa6
        ret

times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

BOchs调试命令常用的有以下几种.

 vbreak 0x0000:0x7c000      7c000设置断点
 pb 0x7c000                 设置物理断点
 vb sp:0x7c00               设置虚拟断点(保护模式)
 info break                 显示所有断点状态
 delete num                 删除一个断点

 c              运行遇到断点停下
 n              执行下一指令
 r              显示寄存器
 u/10           向下反汇编10条
 print-stack    打印堆栈

x /nuf addr 查看一个线性地址的内存
xp /nuf addr 查看一个物理地址的内存
     n 显示多少个字节的内存
     u 单位长度; one o单位f
     b 字节
     h 半字(2 字节)
     w 字 (4 字节)
     g 双字 (8 字节)

     F 打印格式：
     x 打印十六进制
     d 打印十进制
     u 打印无符号十进制
     o 打印八进制
     t 打印二进制

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
        mov ax,cs
        mov sp,0x7c00
        mov ax,0xb800
        mov gs,ax

        mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
        mov bx,0x0
        mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
        mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
        int 0x10

        mov dh,0x0        ; 设置光标列号
        mov dl,0x0        ; 设置光标行号
        mov bh,0x0        ; 页码
        int 0x10

        mov byte [gs:0x00],L
        mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 显示A=绿色闪烁 4=红色

        mov byte [gs:0x02],y
        mov byte [gs:0x03],0xa5

        mov byte [gs:0x04],S
        mov byte [gs:0x05],0xa6
    
    mov byte [gs:0x6],h
    mov byte [gs:0x7],0xa7
    
    mov byte[gs:0x8],a
    mov byte [gs:0x9],0xa6
    
    mov byte[gs:0xa],r
    mov byte [gs:0xb],0xa5
    
    mov byte[gs:0xc],k
    mov byte [gs:0xd],0xa4
    hlt
        ret

times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

循环显存

_start:
  ; 清屏和设置光标位置
  mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
  mov bx,0x0
  mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
  mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
  int 0x10

  mov dh,0x0        ; 设置光标列号
  mov dl,0x0        ; 设置光标行号
  mov bh,0x0        ; 页码
  int 0x10

  ;初始化数据段，使其指向段基址0X7C0处，即Boot代码被加载的地方
  mov   ax, 0x07c0      ; 设置加载基址
  mov   ds, ax

  ;将文本显示内存段基址 放在ES中，供后面显示字符使用
  mov   ax, 0xb800      ; 设置显存地址
  mov   es, ax

  mov   cx, msglen        ; 获取字符串长度
  mov   si, message       ; 设置字符串基址
  xor   di, di

loop_str:
  mov al, [si]            ; 每次取出一个字符
  mov [es:di], al         ; 将字符逐一赋值到显存中
  inc si
  inc di
  
  mov byte [es:di], 0x07     ; 设置字体颜色
  inc di
  loop loop_str


  hlt      ; 程序在此处终止

  message   db "Loading MBR..."
  msglen    db $ - message

times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

Bochs 调试命令

CPU加电后，会跳转到 0xffff0 处，我们可以反汇编这段内存地址，向下反汇编10条。

分别显示，CPU模式，中断，call调用源。

设置vb虚拟地址断点，pb设置物理地址断点。blist显示所有断点。

bpd禁用断点，bpe启用断点。del删除断点。

info idt = 显示中断向量表 ， gdt 全局描述符表，ldt 局部描述符表，tss 任务状态段，ivt 中断向量表

SECTION MBR vstart=0x7c00     ; 告诉编译器加载到7c00内存处
  ; 清屏和设置光标位置
  mov ax,0x600      ; 清屏范围,也就是宽度
  mov bx,0x0
  mov cx,0x0        ; 清屏 左上角(0,0)
  mov dx,0x184f     ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
  int 0x10

  mov dh,0x0        ; 设置光标列号 左上角(0,0)
  mov dl,0x0        ; 设置光标行号 右下角(0,0)
  mov bh,0x0        ; 页码
  int 0x10

  ; 初始化,使SP寄存器指向段基址0X7C0处,GS指向显存基地址
  mov ax,cs
  mov sp,0x7c00
  mov ax,0xb800
  mov gs,ax              ; 设置显存地址

  ; 设置字符串长度与字符串基地址
  mov cx, msglen        ; 获取字符串长度
  mov si, message       ; 设置字符串基址
  xor di, di            ; 每次清空di寄存器

loop_str:
  mov al, [si]            ; 每次取出一个字符
  mov [gs:di], al         ; 将字符逐一赋值到显存中
  inc si
  inc di
  
  mov byte [gs:di], 000ch ; 设置字体颜色
  inc di
  loop loop_str

  hlt      ; 程序在此处终止

;message db "Hello LyShark...",0ah,0dh
message db "Hello LyShark..."
msglen  equ $ - message

times 510-($-$$) db 0  ; 填充剩余的510字节的空间为0
db 0x55,0xaa           ; mbr的结束标志

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