第二课 一个简单的“引导程序”

Posted 2020-11-19 天道酬勤

　　上一节中说到Bios会将MBR中的主引导程序(512字节)加载到内存的0x7c00处，其中这512字节的主引导程序是软件程序，是操作系统的一部分，因此也是由操作系统开发者来编写的，BIOS将其加载到内存后，会自动跳到0x7c00处去执行。接下来我们自己实现一个“主引导程序”，功能很简单，就是让它打印一串字符串到屏幕上（真正的主引导程序是加载操作系统内核用的），注意，这段程序现在是独立运行在裸机上的，我们用汇编语言来实现它。

　　这个过程我们需要调用中断向量表中的“打印函数”，调用的动作是通过int 0x10来实现的。

　　编写程序之前，我们先来介绍几个要用到的指令：

　　mov ：赋值操作，将右操作数赋值给左操作数

　　例：mov ax, 0  ;将0赋值给ax寄存器

　　int ：触发中断

　　例：int 0x10 ; 触发0x10中断，对屏幕进行操作

　　hlt ：停止，CPU进入暂停状态，不进行任何操作

　　例：hlt ;使程序进入睡眠状态

　　汇编中的地址访问形式：段地址：段内偏移地址

　　例：mov byte[0xb800:0x01] ; 0xb800:0x01 -> 0xb800 + 0x01

　　标签：

　　用于标识后续指令的地址，（与C语言中的标签等价）

　　$ 与 $$

　　$表示当前指令行地址，$$表示当前汇编段起始地址

　　中断调用与函数调用的对应关系如下所示：

　　

　　实现真正的打印之前，要向bx寄存器中写入0x0f，向ah寄存器中写入0x0e，这些都是打印函数规定好的。而al寄存器中需要存入要打印的字符，寄存器中的内容准备好了之后使用int 0x10来调用打印函数，而后，就可以将字符打印到屏幕上。

　　下面直接给出用汇编语言写的“主引导程序“。

　　

org 0x7c00

start:
    mov ax, cs
	mov ss, ax
	mov ds, ax
	mov es, ax
	
	mov si, msg
	
print:
    mov al, [si]
	add si, 1
	cmp al, 0x00
	je last
	mov ah, 0x0e
	mov bx, 0x0f
	int 0x10
	jmp print
	
last:
    hlt
	jmp last
	
msg:
    db 0x0a, 0x0a
	db "Hello, DTOS!"
	db 0x0a, 0x0a
	times 510-($-$$) db 0x00
	db 0x55, 0xaa

 

　　主引导程序实际待的起始地址是0x7c00，因此第一行的org 0x7c00告诉编译器，这段程序的加载地址是0x7c00，这样编译器就可以对地址进行正确的处理。

　　然后将ss,ds,ed寄存器分别清零，msg标签处在内存中定义了一些数据，这些数据是实实在在在内存中和磁盘文件中占用空间的。msg就代表了这片数据所占用空间的起始地址。mov si, msg就是将这个起始地址送到si寄存器中。

　　接下来print标号处定义了打印相关的功能，mov al, [si]就是取si所代表的内存地址处的一个字节数据，并放到al寄存器中，然后使si加1，指向下一个数据，此时先判断al中的数据是否是0x00，也就是ASCII码‘\\0’，这个字符代表字符串的结束，如果确实为0x00，则跳转到last处，让cpu停机。如果不为0x00，则开始准备打印，正如我们上面说到的将0x0e存到ah寄存器中，将0x0f存到bx寄存器中，相当于格式化参数（%c），然后通过int 10来调用中断向量表里面的打印函数，打印完一个字符后继续跳转到print处进行下一次循环，直到到达字符串的末尾。

　　下面我们讲一讲msg标号处的数据的定义，db伪指令定义一个字节，其后可以是数据，也可以是字符串。db 0x0a即定义一个字节，其中的数据初始化为0x0a，也就是换行符的ASCII码，db "Hello, DTOS!"相当于定义了11个字节。

　　根据前面内容知道，主引导扇区为512字节大小，而BIOS判断存储介质是否包含主引导扇区的标准就是看看它的前512个字节的最后两个字节是不是0x55和0xaa，如果是，那么BIOS就认为这个存储介质有主引导扇区，接下来就读取主引导扇区到内存中了。

　　前面写的程序不足以占满512字节，而我们的需求是要将最后两个字节写入0x55和0xaa，怎么办呢？我们让编译器去判断前面程序和数据占用空间的大小，并用适当数量的数据填满前面不足510字节的部分，然后在最后两个字节我们写入0x55和0xaa。

　　times  510 - ($ - $$) db 0x00这条命令的意思就是填写510 - ($ - $$)个0x00到内存中，$代表times这条伪指令的地址，$$代表当前汇编程序的起始地址（即start处，0x7c00），相减后即为以上所写程序和数据占用的空间大小，再用510减去这个值即为所需要填充的空间的大小。最后，第511字节填入0x55，第512字节填入0xaa。

　　用到的工具：汇编语言编译器nasm，创建虚拟盘的工具bximage，二进制写入工具dd。由于我们不会将程序真正的刻录到软盘上，因为那样太麻烦了，而且还需要一个真正的物理机器。所以我们使用虚拟盘创建工具bximage，它可以创建一个文件，这个文件存储数据时的格式和软盘是一样的。

　　下面，我们实际做实验看现象，首先打开ubuntu虚拟机，到工作目录下建立boot.asm文件，敲入上述程序，使用编译器nasm进行编译，生成boot.bin文件，如下所示：

　　下面创建虚拟盘，执行过程如下图：

 

 这样，虚拟盘就创建好了，名为a.img，这个文件就相当于一个容量1.44M大小的全盘，见下图：

下面我们将boot.bin的内容刻录到这张软盘中，执行命令dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc，结果如下：

 

至此，这张软盘的前512字节就写入了主引导记录，因此，它就成为了一张启动盘了。

下面使用VmWare创建一个物理机器，详细过程不在贴出，创建好的机器如下，这是一个未安装任何操作系统的空的机器。

 

我们直接启动这个机器看看效果，如下所示：

 

从启动界面可以看到，BIOS扫描存储介质时，根本没有发现启动盘，也就是没有找到主引导扇区，因此给出Operating System not found的提示。

接下来，我们将软盘插入这台电脑中，首先将带有主引导扇区的软盘(a.img文件)拷贝到windows系统下，然后将其插入刚才创建的机器中，如下所示：

 

接下来，给这台机器加电，效果如下：

 

　　可见，主引导程序成功被加载并运行了。

 

小插曲：

主引导程序部分是16位操作，因此，我们需要一个16位的汇编器，现存的汇编器大概有gas汇编器和nasm汇编器，nasm是16位的，用来编译英特尔格式汇编代码，gas是32位的用来编译AT&T格式汇编的，也是唯一支持AT&T格式的汇编器，因此，我们不能选择AT&T格式进行实验。linux的boot程序使用的是as86汇编器进行编译的，这个汇编器是16位的，但是资料比较少。as86是编写Minix操作系统的那个教授编写 的，这个汇编器支持的格式既不是标准的AT&T格式也不是Intel格式，只是和Intel格式比较接近。因此，我们选择了nasm汇编器。

本文参考狄泰软件学院操作系统教程。