操作系统实践之引导程序

  引导程序在引导扇区中，只有512字节的大小，引导程序难以完成许多工作，比如进入保护模式，加载内核，因此引导程序需要将这个工作交给一个拥有更大空间的程序，那就是Loader，引导程序只需将Loader加载入内存就好了，剩下的事情就由Loader来完成了。在《Linux内核完全剖析中》中可以看到，bootsect.S就是引导程序，而Setup.S则充当了Loader的功能。无论是加载Loader还是内核，都需要在实模式下调用BIOS中断来完成。源代码如下：

;�fine    _BOOT_DEBUG_    ; 做 Boot Sector 时一定将此行注释掉!将此行打开后用 nasm Boot.asm -o Boot.com 做成一个.COM文件易于调试

%ifdef    _BOOT_DEBUG_
    org  0100h            ; 调试状态, 做成 .COM 文件, 可调试
%else
    org  07c00h            ; Boot 状态, Bios 将把 Boot Sector 加载到 0:7C00 处并开始执行
%endif

%ifdef    _BOOT_DEBUG_
BaseOfStack        equ    0100h    ; 调试状态下堆栈基地址(栈底, 从这个位置向低地址生长)
%else
BaseOfStack        equ    07c00h    ; Boot状态下堆栈基地址(栈底, 从这个位置向低地址生长)
%endif

BaseOfLoader        equ    09000h    ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ----  段地址
OffsetOfLoader        equ    0100h    ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 偏移地址
RootDirSectors        equ    14    ; 根目录占用空间
SectorNoOfRootDirectory    equ    19    ; Root Directory 的第一个扇区号
DeltaSectorNo        equ    17    ; DeltaSectorNo = BPB_RsvdSecCnt + (BPB_NumFATs * FATSz) - 2

jmp short LABEL_START
nop
; 下面是 FAT12 磁盘的头
BS_OEMName    DB 'ForrestY'    ; OEM String, 必须 8 个字节
BPB_BytsPerSec    DW 512        ; 每扇区字节数
BPB_SecPerClus    DB 1        ; 每簇多少扇区
BPB_RsvdSecCnt    DW 1        ; Boot 记录占用多少扇区
BPB_NumFATs    DB 2        ; 共有多少 FAT 表
BPB_RootEntCnt    DW 224        ; 根目录文件数最大值
BPB_TotSec16    DW 2880        ; 逻辑扇区总数
BPB_Media    DB 0xF0        ; 媒体描述符
BPB_FATSz16    DW 9        ; 每FAT扇区数
BPB_SecPerTrk    DW 18        ; 每磁道扇区数
BPB_NumHeads    DW 2        ; 磁头数(面数)
BPB_HiddSec    DD 0        ; 隐藏扇区数
BPB_TotSec32    DD 0        ; 如果 wTotalSectorCount 是 0 由这个值记录扇区数
BS_DrvNum    DB 0        ; 中断 13 的驱动器号
BS_Reserved1    DB 0        ; 未使用
BS_BootSig    DB 29h        ; 扩展引导标记 (29h)
BS_VolID    DD 0        ; 卷序列号
BS_VolLab    DB 'Tinix0.01  '; 卷标, 必须 11 个字节
BS_FileSysType    DB 'FAT12   '    ; 文件系统类型, 必须 8个字节
;引导代码
LABEL_START:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, BaseOfStack

;清屏
mov ax, 0600h
mov bx, 0700h
mov cx, 0
mov dx, 0184fh
int 10h

mov dh, 0
call DispStr 

;软驱复位
xor ah, ah 
xor dl, dl
int 13h

;现在在根目录中寻找Loader.bin
mov word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
cmp word [wRootDirSizeForLoop], 0 ;判断是否遍历完了整个根目录
jz LABEL_NO_LOADERBIN
dec dword [wRootDirSizeForLoop] 
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax
mov bx, OffsetOfLoader
mov ax, [wSectorNo]
mov cl, 1;读取一个扇区
call ReadSector
mov si, LoaderFileName
mov di, OffsetOfLoader
cld
mov dx, 10h ;需要遍历每个扇区的16个条目
;在目录的一个扇区中寻找Loader.bin
;这个扇区已经被加载到内存的BaseOfLoader:OffsetOfLoader处
LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN:
  cmp dx, 0 ;读完一个扇区，则读下一个扇区
  jz LABEL_GOTO_NEXT_SECTOT_IN_ROOT_DIR
  dec dx
  mov cx, 11 ;文件名称+后缀一共11个字符
LABEL_CMP_FILENAME:
  cmp cx, 0
  jz LABEL_FILENAME_FOUND
  dec cx
  lodsb 
  cmp al,byte [es:di]
  jz LABEL_GO_ON
  jmp LABEL_DIFFERENT
LABEL_GO_ON:
  inc di
  jmp LABEL_CMP_FILENAME
LABEL_DIFFERENT:
  and di, 0FFF0h
  add di, 20h
  mov si, LoaderFileName
  jmp LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN ;在下一个目录中查找
LABEL_GOTO_NEXT_SECTOT_IN_ROOT_DIR:
  inc word [wSectorNo]
  jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN
;没有找到Loader.bin
LABEL_NO_LOADERBIN:
  mov dh, 2
  call DispStr
%ifdef _BOOT_DEBUG_
  mov ax, 4c00h
  int 21h
%else
  jmp $
%endif

;找到Loader.bin
LABEL_FILENAME_FOUND:
  mov ax, RootDirSectors; //根目录扇区数
  and di, 0FFF0h
  add di, 01Ah
  mov cx, word [es:di];将Loader.bin对应的开始簇号存入cx
  push cx
  add cx, ax
  add cx, DeltaSectorNo ;此时cx变成了Loader.bin的起始扇区号
  mov ax, BaseOfLoader
  mov es, ax
  mov bx, OffsetOfLoader
  mov ax, cx
LABEL_GOON_LOADING_FILE:
  push ax
  push bx
  mov ah, 0Eh
  mov al, '.'
  mov bl, 0Fh
  int 10h
  pop bx
  pop ax
  mov cl, 1
  call ReadSector ;//将Loader.bin所在的扇区载入内容 
  pop ax;簇号
  call GetFATEntry
  cmp ax, 0FFFh ;看是否有还占用了其它扇区
  jz LABEL_FILE_LOADED
  push ax
  mov dx, RootDirSectors
  add ax, dx
  add ax, DeltaSectorNo
  add bx, [BPB_BytsPerSec] ;bx=bx+512
  jmp LABEL_GOON_LOADING_FILE
LABEL_FILE_LOADED:
  mov dh, 1
  call DispStr
  jmp BaseOfLoader:OffsetOfLoader

;变量
wRootDirSizeForLoop dw RootDirSectors
wSectorNo dw 0 ;正在读取的扇区号
bOdd db 0

LoaderFileName        db    "LOADER  BIN", 0    ; LOADER.BIN 之文件名
MessageLength        equ    9
BootMessage:        db    "Booting  "; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 0
Message1        db    "Ready.   "; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 1
Message2        db    "No LOADER"; 9字节, 不够则用空格补齐. 序号 2

DispStr:
mov ax, MessageLength
mul dh
add ax, BootMessage
mov bp, ax   ;┓
mov ax, ds   ;┣ es:bp=串地址
mov es, ax   ;┛        
mov cx, MessageLength            ; cx = 串长度
mov ax, 01301h        ; ah = 13, al = 01h
mov bx, 000ch        ;页号为0(bh = 0) 黑底红字(bl = 0ch,高亮)
mov dl, 0
int 10h                ; 10h 中断
ret

ReadSector: ;从ax个扇区开始，将cl个扇区读入到es:bx中
push bp
mov bp, sp
sub esp, 2
mov byte [bp-2], cl ;保存cl
push bx
mov bl, [BPB_SecPerTrk] ;每磁道扇区数
div bl
inc ah
mov cl, ah ;起始扇区号（在当前柱面上的）
mov dh, al
shr al, 1
mov ch, al;//柱面号
and dh, 1; //磁头号
pop bx;
mov dl, [BS_DrvNum]
.GoOnReading:
mov ah, 2
mov al, byte [bp-2] ;读取的扇区数
int 13h
jc .GoOnReading ;//读取错误时，CF置为1
add esp, 2
pop bp
ret

GetFATEntry:
  push es
  push bx
  push ax
  mov ax, BaseOfLoader
  sub ax, 0100h
  mov es, ax
  pop ax
  mov byte [bOdd], 0
  mov bx, 3
  mul bx
  mov bx,2
  div bx
  cmp dx, 0;判断余数是否为0
  jz LABEL_EVEN
  mov byte [bOdd], 1
LABEL_EVEN:
  xor dx, dx
  mov bx, [BPB_BytsPerSec]
  div bx
  push dx
  mov bx, 0
  add ax, 1
  mov cl, 2
  call ReadSector
  pop dx
  add bx, dx
  mov ax, [es:bx]
  cmp byte [bOdd], 1
  jnz LABEL_EVEN_2
  shr ax, 4
LABEL_EVEN_2:
  and ax, 0FFFh
  pop bx
  pop es 
  ret
times 510-($-$$) db 0    ;填充剩余的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55            ;结束标志