第三章 MBR -- loader

news/2025/2/28 20:10:19/文章来源:https://www.cnblogs.com/fdxsec/p/18651761

第三章 MBR --> loader

本文是对《操作系统真象还原》第三章学习的笔记，欢迎大家一起交流。

a

知识介绍

在上一章的代码部分，我们通过 BIOS 中断进行字符输出，但是离开实模式之后，BIOS 中断就没法用了，因为 BIOS 中断向量表只在实模式下存在，因此我们肯定还会有别的方法来输出字符串，这就是通过显存输出。

能这样的原理是因为显卡的内存已经编排到了 cpu 能够寻址的范围之内，当 cpu 操作这部分“内存”时，实际上是直接在和显卡打交道。显卡拿到了数据处理之后，显示器最终会按照要求显示这些数据。内存中的显存映射的地址范围如下：

image​

从起始地址 0xB8000 到 0xBFFFF，这片 32KB 大小的内存区域是用于文本显示。我们往 0xB8000 处输出的字符直接会落到显存中，显存中有了数据，自然显卡就将其搬到显示器屏幕上了，这后续的事情咱们是不需要处理的，咱们只要保证写进显存的数据是正确的就可以。

显示器上每个字符占两字节，低字节是字符 ASCII 码，高字节是用来控制颜色的。高字节低 4 位是字符前景色，也就是字符的颜色（RGB 是红蓝绿三种颜色的调和，I 位表示是否高亮），高字节高 4 位是字符的背景色（RGB 是红蓝绿三种颜色的调和，K 位控制是否闪烁）。所以我们向显卡的对应内存操作时，也应按照如下格式：

image​

高八位的颜色组合如下：

image​

在写代码之前再补充一个高端内存的小知识，内存只有 0--0xffff,但是可以表示到 0x10ffef，这是因为 0xFFFF*16+0xFFFF=0xFFFF0+0xFFFF​

image​

代码部分

;主引导程序 
;
;LOADER_BASE_ADDR equ 0xA000 
;LOADER_START_SECTOR equ 0x2
;------------------------------------------------------------
SECTION MBR vstart=0x7c00     mov ax,cs  mov ds,axmov es,axmov ss,axmov fs,axmov sp,0x7c00mov ax,0xb800mov gs,ax; 清屏
;利用0x06号功能，上卷全部行，则可清屏。
; -----------------------------------------------------------
;INT 0x10   功能号:0x06	   功能描述:上卷窗口
;------------------------------------------------------
;输入：
;AH 功能号= 0x06
;AL = 上卷的行数(如果为0,表示全部)
;BH = 上卷行属性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置
;无返回值：mov     ax, 0600hmov     bx, 0700hmov     cx, 0               ; 左上角: (0, 0)mov     dx, 184fh	       ; 右下角: (80,25),; 因为VGA文本模式中，一行只能容纳80个字符,共25行。; 下标从0开始，所以0x18=24,0x4f=79int     10h                 ; int 10h; 输出背景色绿色，前景色红色，并且跳动的字符串"1 MBR"mov byte [gs:0x00],'1'mov byte [gs:0x01],0xA4     ; A表示绿色背景闪烁，4表示前景色为红色mov byte [gs:0x02],' 'mov byte [gs:0x03],0xA4mov byte [gs:0x04],'M'mov byte [gs:0x05],0xA4   mov byte [gs:0x06],'B'mov byte [gs:0x07],0xA4mov byte [gs:0x08],'R'mov byte [gs:0x09],0xA4jmp $		       ; 通过死循环使程序悬停在此times 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa

初始化以及清屏的工作和第二章一样的，这里不再赘述，我们直接看操作显存部分。

13-14 行将 gs 寄存器初始化为 0xb800，方便后面直接向显存写字符

17-50 行就是向显存写字符的过程，以两个字节为一个单位，第八位是字符，高八位是控制颜色和背景色，我们这里统一写入 0xA4​，即 1010,0100​，结合上面颜色组合的表格（注意小端格式）可知，前景色为红色，绿色背景闪烁。

效果如下，我这里把字符串改了一下：

image​

b

知识介绍

好了，接下来我们要用 MBR 做点实事了，MBR 只有 510B，能做的事情非常少，所以不能指望它做完所有事情。所以，我们用它把操作系统的 loader 加载到指定位置，然后跳转到 loader 执行，loader 由于大小可以比 MBR 大得多，所以能做的就很多了。

所以，MBR 要加载 loader，就必须要和磁盘打交道。打交道的方式很简单，就是通过 in 与 out 指令与磁盘暴露在外的寄存器交互。下图是 in 与 out 指令的用法：

image​

磁盘端口寄存器对应的用途（详细请见书 p127）：

image​

其中 Status 与 Device 寄存器比较复杂，它们的结构的含义如下：

image​

在写硬盘时 Status 就变成了 command 寄存器，这和 408 学的东西也一致，这里主要用到三个命令：

（1）identify：0xEC，即硬盘识别。

（2）read sector：0x20，即读扇区。

（3）write sector：0x30，即写扇区。

接下来我们来实现代码，实现 mbr 从硬盘读取 loader，然后跳转执行 loader。

首先约定一下读取硬盘的过程，好让我们做到心中有数：

（1）先选择通道，往该通道的 sector count 寄存器中写入待操作的扇区数。

（2）往该通道上的三个 LBA 寄存器写入扇区起始地址的低 24 位。

（3）往 device 寄存器中写入 LBA 地址的 24～27 位，并置第 6 位为 1，使其为 LBA 模式，设置第 4 位，选择操作的硬盘（master 硬盘或 slave 硬盘）。

（4）往该通道上的 command 寄存器写入操作命令。

（5）读取该通道上的 status 寄存器，判断硬盘工作是否完成。

（6）如果以上步骤是读硬盘，进入下一个步骤。否则，完工。

（7）将硬盘数据读出。

读出之后写入内存，然后跳转执行即可，但是在此之前我们还需要解决两个问题，loader 写到硬盘的哪里，loader 写入内存的哪里。

loader 写到硬盘的哪里

由于 MBR 是占据了硬盘的第 0 扇区（以逻辑 LBA 方式，扇区从 0 开始编号，若是以物理 CHS 方式，扇区则从 1 开始编号），第 1 扇区是空闲的，可以用，但离得太近总感觉不如隔开一点心里踏实，所以把 loader 放到第 2 扇区。MBR 从第 2 扇区中把它读出来。

loader 写入内存的哪里

读出来放到哪里呢？原则上是找个空闲地方就行了，在实模式下的内存布局表格中查看下，只要在“用途”列中注明“可用区域”的地方都可以用。0x500～0x7BFF 和 0x7E00～9FBFF 这两段内存区域都可以。

image​

首先，loader 中要定义一些数据结构（如 GDT 全局描述符表，不懂没关系，以后会说），这些数据结构将来的内核还是要用的，所以 loader 加载到内存后不能被覆盖。

其次，随着咱们不断添加功能，内核必然越来越大，其所在的内存地址也会向越来越高的地方发展，难免会超过可用区域的上限，咱们尽量把 loader 放在低处，多留出一些空间给内核。

所以，作者将 loader 的加载地址选为 0x900。为什么不是 0x500，这个多省空间？还是预留出一定空间吧，彼此隔开远一点心里才踏实，不差这点空间了，哈哈，完全是作者的偏好，大家随意啦。

代码部分

ok，下面上代码

MBR

;主引导程序 
;------------------------------------------------------------
%include "boot.inc"
SECTION MBR vstart=0x7c00     mov ax,cs  mov ds,axmov es,axmov ss,axmov fs,axmov sp,0x7c00mov ax,0xb800mov gs,ax; 清屏
;利用0x06号功能，上卷全部行，则可清屏。
; -----------------------------------------------------------
;INT 0x10   功能号:0x06	   功能描述:上卷窗口
;------------------------------------------------------
;输入：
;AH 功能号= 0x06
;AL = 上卷的行数(如果为0,表示全部)
;BH = 上卷行属性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置
;无返回值：mov     ax, 0600hmov     bx, 0700hmov     cx, 0                   ; 左上角: (0, 0)mov     dx, 184fh		   ; 右下角: (80,25),; 因为VGA文本模式中，一行只能容纳80个字符,共25行。; 下标从0开始，所以0x18=24,0x4f=79int     10h                     ; int 10h; 输出字符串:MBRmov byte [gs:0x00],'1'mov byte [gs:0x01],0xA4mov byte [gs:0x02],' 'mov byte [gs:0x03],0xA4mov byte [gs:0x04],'M'mov byte [gs:0x05],0xA4	   ;A表示绿色背景闪烁，4表示前景色为红色mov byte [gs:0x06],'B'mov byte [gs:0x07],0xA4mov byte [gs:0x08],'R'mov byte [gs:0x09],0xA4mov eax,LOADER_START_SECTOR	 ; 起始扇区lba地址mov bx,LOADER_BASE_ADDR       ; 写入的地址mov cx,1			 ; 待读入的扇区数call rd_disk_m_16		 ; 以下读取程序的起始部分（一个扇区）jmp LOADER_BASE_ADDR;-------------------------------------------------------------------------------
;功能:读取硬盘n个扇区
rd_disk_m_16:	   
;-------------------------------------------------------------------------------; eax=LBA扇区号; ebx=将数据写入的内存地址; ecx=读入的扇区数mov esi,eax	  ;备份eaxmov di,cx		  ;备份cx
;读写硬盘:
;第1步：设置要读取的扇区数mov dx,0x1f2mov al,clout dx,al            ;读取的扇区数mov eax,esi	   ;恢复ax;第2步：将LBA地址存入0x1f3 ~ 0x1f6;LBA地址7~0位写入端口0x1f3mov dx,0x1f3                   out dx,al                      ;LBA地址15~8位写入端口0x1f4mov cl,8shr eax,clmov dx,0x1f4out dx,al;LBA地址23~16位写入端口0x1f5shr eax,clmov dx,0x1f5out dx,alshr eax,cland al,0x0f	   ;lba第24~27位or al,0xe0	   ; 设置7～4位为1110,表示lba模式mov dx,0x1f6out dx,al;第3步：向0x1f7端口写入读命令，0x20 mov dx,0x1f7mov al,0x20                    out dx,al;第4步：检测硬盘状态.not_ready:;同一端口，写时表示写入命令字，读时表示读入硬盘状态nopin al,dxand al,0x88	   ;第4位为1表示硬盘控制器已准备好数据传输，第7位为1表示硬盘忙cmp al,0x08jnz .not_ready	   ;若未准备好，继续等。;第5步：从0x1f0端口读数据mov ax, dimov dx, 256mul dxmov cx, ax	   ; di为要读取的扇区数，一个扇区有512字节，每次读入一个字，; 共需di*512/2次，所以di*256mov dx, 0x1f0.go_on_read:in ax,dxmov [bx],axadd bx,2		  loop .go_on_readrettimes 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa

第一行 %include "boot.inc"​，我们在 include/boot.inc ​定义了起始扇区 lba 地址以及写入内存的地址

;-------------	 loader和kernel   ----------
LOADER_BASE_ADDR equ 0x900 ;写入内存的地址
LOADER_START_SECTOR equ 0x2 ;起始扇区lba地址

4--52 行和之前实验一样的部分我们先跳过不看，重点看读硬盘的过程，在 call 读取硬盘之前，先准备参数

image​

然后再函数的开始，再次对这些重要的参数备份

image​

然后就是按照我们上面的约定，一步一步从磁盘中读出数据，首先是先选择通道，往该通道的 sector count 寄存器中写入待操作的扇区数。

image​

第二步，写 LBA 地址以及 device 寄存器，这里按照上面说的写即可，其中我们获取 LBA 各个部分的地址是通过右移 eax 获得的

image​

第三步，往该通道上的 command 寄存器写入操作命令。

image​

;第 4 步：检测硬盘状态，直到磁盘准备好了再继续，这里的 nop 相当于一个时间很短的 sleep

image​

第五步：读取该通道上的 status 寄存器，判断硬盘工作是否完成。每次只能读两个字节，所以一个扇区要读 256 次，256*读取的扇区数即读取的总次数，读取之后写到内存中，不断循环即可，读完直接返回。

image​

调用完函数之后直接 jmp 到 loader 即可

image​

Loader

我们这里先写一个简单的 loader 验证跳转即可，在屏幕上显示 2 Loader​，代码很简单，没什么要说的

%include "boot.inc"
section loader vstart=LOADER_BASE_ADDR; 输出背景色绿色，前景色红色，并且跳动的字符串"1 MBR"
mov byte [gs:0x00],'2'
mov byte [gs:0x01],0xA4     ; A表示绿色背景闪烁，4表示前景色为红色mov byte [gs:0x02],' '
mov byte [gs:0x03],0xA4mov byte [gs:0x04],'L'
mov byte [gs:0x05],0xA4   mov byte [gs:0x06],'O'
mov byte [gs:0x07],0xA4mov byte [gs:0x08],'A'
mov byte [gs:0x09],0xA4mov byte [gs:0x0a],'D'
mov byte [gs:0x0b],0xA4mov byte [gs:0x0c],'E'
mov byte [gs:0x0d],0xA4mov byte [gs:0x0e],'R'
mov byte [gs:0x0f],0xA4jmp $		       ; 通过死循环使程序悬停在此

但是我们这里的编译命令有变化，要加一个 -I ​参数用于指定头文件位置，在用 dd 命令写入硬盘时也要加上 seek 命令用来写到 2 号扇区（0开始计算的情况下）

nasm -I include/ -o mbr.bin mbr.s
dd if=./mbr.bin of=../../../hd60M.img bs=512 count=1 conv=notruncnasm -I include/ -o loader.bin loader.s
dd if=./loader.bin of=../../../hd60M.img bs=512 count=1 seek=2 conv=notrunc

最后效果如下：

image​

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