自己动手写操作系统系列之----------引导扇区编写
本帖最后由 冰琥珀 于 2015-10-19 13:38 编辑上一个帖子：http://www.ihonker.org/thread-6625-1-1.html
上个帖子我们讲述了如何搭建开发环境，同时也写了个简单的"Hello, OS"，这次我们来学学引导扇区的编写，确切的说应该是MBR(主引导记录)的编写，它是磁盘的第一个扇区，当我们按下电源键，BIOS完成一些初始化之后，就将MBR读取到0x7c00处，并将控制权转交给MBR来执行，由MBR来完成内核的加载。由于MBR最多只有512个字节(1个扇区)，所以加载内核的工作不可能在MBR中完成，那么MBR又是干啥的呢。
其实MBR只是在磁盘中找到Loader并将其读入内存，然后把控制权转交给Loader，让它来完成接下来的工作。所以MBR的工作就只是在磁盘中找到Loader。
因为我们现在还没有文件系统，所以一切都只是用的软盘，后期我们有自己的文件系统了，我们会把软盘改为硬盘。在我们接下来的实验中，软盘都格式化为FAT12，所以我们要对FAT12文件系统有所了解。先来看看FAT12文件系统格式
从上图可以看到，引导扇区之后就是FAT1和FAT2(FAT2是FAT1的备份)，每个FAT表占9个扇区，FAT后紧跟着的是根目录区，大小在引导扇区的BPB中有设定，根目录区之后是数据区。我们这次要找到Loader，就要从根目录入手，先在根目录中找到Loader的文件名，然后在根据根目录结构中的簇号到FAT表中去找到相应的项，再根据FAT来读取Loader的数据，并将其加载到内存中。说了这么多，我们先看引导扇区的结构，如下图
从上图可以看出，在引导扇区开始的3个字节是一个跳转指令，然后是OEM字符串，它必须是一个8字节长的字符串标，标识了格式化此磁盘的操作系统的名称和版本号
接下来是每扇区字节数，一般情况下，这个值是512
接着是每簇扇区数，在这里我们填1
接着是保留扇区数，这里默认也为1
接着是FAT表个数，这里有两个，分别是FAT1和FAT2，所以这个值为2
然后是最大根目录数，用来记录根目录区有多少条目录项
再下来是逻辑扇区总数，用来记录整个磁盘的扇区数
接着是磁盘类型标识符，使用0f0h表示3.5寸高密码软盘，用0f8h来表示硬盘
然后是每FAT扇区数，记录每个FAT表中有多少个扇区
接着是每磁道扇区数，记录每个磁道中有多少个扇区
然后是双字节长的磁头数，磁头数指的是磁盘面数，每面都有一个磁头，软盘都是2面的，所以在FAT12格式下此字段固定为2
接下来是的位于偏移28处类型为双字(4B)长的隐藏扇区数，指的在引导扇区之前的隐藏扇区，在FAT12格式上此字段默认为0，即不隐藏任何扇区
偏移32处的是类型为双字(4B)长的逻辑扇区总数，如果此分区或磁盘的逻辑扇区总数大于65536则用这个字段来表示逻辑扇区总数，否则设置此字段为0
偏移36处的是物理驱动器号，类型是字节长，它与BIOS物理驱动器相关，在磁盘中断Int13h相关的操作中使用，第一个软盘驱动器设置为0，第一个硬盘驱动器设置为80h，第二个硬盘驱动器设置为81h，以此类推
位于偏移37处的字节没有使用，保留并设置为0
位于偏移38处的是扩展引导标识，类型是字节，操作系统用它来识别引导信息，值可以是28h或29h
接下来的是位于偏移39处的卷标号，类型是双字(4B)长，在格式化磁盘时所产生的一个随机序号，有助于区分磁盘，可以为0
然后是位于偏移43处的卷标，长度必须是11字节长(不足以空格20h填充)
最后是位于偏移54处的是长度为8字节的文件系统类型标识符，不足8字节则以空格20h来填充
接下来就是引导代码了，最后的两个字节要填入0xaa55，表示引导扇区结束
引导记录结构介绍了之后，我们来看FAT表，相比之下，FAT表的结构就简单的多了，一句话描述就是每个FAT项（FATEntry）长度位12Bit，即一个半字节，FAT表中每3个字节存放了2个FATEntry，这里也不再贴出它的结构图了，下面看根目录的结构，如下图
可以看到，在根目录中，每个目录项占32个字节，其中，前11个字节是文件名(文件名占8字节，拓展名占3字节)，接下来是文件属性(占1个字节)，然后是保留位(占10个字节)，然后是写入时间和日期(各占2个字节，总共占4个字节)，接下来是文件在FAT表中的簇号(占2字节)，然后是文件大小(占4字节)，总共32个字节。在上面的这些项中，我们不需要关心那么多，只要关注文件名和文件在FAT表中的簇号即可。首先通过文件名的对比来找到相应的目录项，其次再从目录项中读取处文件在FAT表中的簇号，然后根据这个簇号在FAT表中找出相应的项，再根据其来读取文件数据，现在我们就先写代码实现在根目录区中找到Loader，代码如下
org 0x7c00
jmp LABEL_START ;跳转
nop
BS_OEMName db 'FreeDos ' ;OEM string，8个字节
BPB_BytePerSec dw 512 ;每扇区字节数
BPB_SecPerClus db 1 ;每簇扇区数
BPB_RsvdSecCnt dw 1 ;保留扇区数
BPB_NumFATs db 2 ;FAT表数
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
BPB_HideSec dd 0 ;隐藏扇区数
BPB_TotSec32 dd 0 ;如果BPB_TotSec16为0，这里记录扇区总数
BS_DrvNum db 0 ;中断13的驱动器号
BS_Reserved1 db 0 ;未使用
BS_BootSig db 0x29 ;扩展引导标记
BS_VolID dd 0 ;卷序列号
BS_VolLab db 'Orange OS' ;卷标，11个字节
BS_FileSysType db 'FAT12 ' ;文件系统类型
LABEL_START:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, BaseOfStack
; 清屏
mov ax, 0600h ; AH = 6,AL = 0h
mov bx, 0700h ; 黑底白字(BL = 07h)
mov cx, 0 ; 左上角: (0, 0)
mov dx, 0184fh ; 右下角: (80, 50)
int 10h ; int 10h
;显示Booting
mov dh, 0
call DispStr
;软驱复位
xor ah, ah
xor dl, dl
int 0x13
mov word , RootDirSecNum
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
cmp word , 0
jz LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_END ;这里跳转表示整个根目录都搜索完毕，没有找到Loader.bin
dec word
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax
mov bx, OffsetOfLoader
mov ax, word
mov cl, 1
call ReadSector ;读取扇区数据
mov di, OffsetOfLoader
cld
mov dl, 0x10 ;每个扇区中目录个数为16
LABEL_CMP_NEXT_FILE_NAME:
mov si, LoaderFileName
mov cl, 0x0b ;文件名长度为11个字节
LABEL_CMP_FILE_NAME:
test cl, cl
jz LABEL_FOUND_LOADER
dec cl
lodsb
test al, al
jz LABEL_CMP_NAME_END ;文件名比较完毕
cmp al,
jz LABEL_GO_ON ;从根目录中读取到的文件名字符和目标文件名字符相等，则继续比较下一个字符
jmp LABEL_CMP_NAME_END
LABEL_GO_ON:
inc di
jmp LABEL_CMP_FILE_NAME
LABEL_CMP_NAME_END:
dec dl
jz LABEL_GO_TO_NEXT_SECTOR ;16组目录都比较完毕，则读取下一个扇区
and di, 0xffe0 ;这里把di指针重置到当前目录的起始处
add di, 0x20 ;指针指向下一组目录(每组目录长度为32个字节)
jmp LABEL_CMP_NEXT_FILE_NAME ;比较下一组文件名
LABEL_GO_TO_NEXT_SECTOR:
inc word
jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_END: ;没找到LOADER.BIN
mov dh, 2
call DispStr
jmp $
LABEL_FOUND_LOADER: ;找到LOADER.BIN文件
jmp $
ReadSector:
push bp
mov bp, sp
sub sp, 2
mov byte , cl
push bx
mov bl,
div bl ;计算出当前扇区所处的磁道
inc ah ;除得的商放在al,余数放在ah(al中放的是磁道号，ah中放的是扇区号)
mov cl, ah
mov dh, al
shr al, 1 ;磁道号除以2得到磁头号
mov ch, al
and ch, 1
pop bx
mov dl,
.GoOnReading:
mov ah, 2 ;读扇区
mov al, byte ;要读的扇区数
int 0x13
jc .GoOnReading ;读扇区失败则继续读
add sp, 2
pop bp,
ret
DispStr:
mov ax, MessageLength
mul dh
add ax, BootMessage
mov bp, ax
mov ax, ds
mov es, ax
mov cx, MessageLength
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x0007
mov dl, 0
int 0x10
ret
BaseOfStack equ 0x7c00
BaseOfLoader equ 0x9000
OffsetOfLoader equ 0x100
RootDirSecNum equ 19 ;根目录起始扇区号=FAT扇区数(2个) + 引导扇区数
wRootSecCnt dw 14 ;根目录所占的扇区数
wRootCurSecNum dw 0
wFileNameCnt db 0
LoaderFileName db 'LOADERBIN', 0 ;LOADER.BIN (文件名)
MessageLength equ 9
BootMessage: db "Booting"
Message1: db "Ready. "
Message2: db "No LOADER"
times 510-($-$$) db 0
dw 0xaa55
代码看着有点长，我们一点一点来分析。这段代码因为是写在引导扇区的，所以要按照引导扇区的格式来写。在上面我们已经看到了引导扇区最开始的3个字节是一个跳转指令，所以在程序的开头我们写入
jmp LABEL_START
这里只占两个字节，剩余的一个字节用nop填充，接下来就是一堆的数据，具体的上面有介绍，我们直接看跳转到的代码
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, BaseOfStack
; 清屏
mov ax, 0600h ; AH = 6,AL = 0h
mov bx, 0700h ; 黑底白字(BL = 07h)
mov cx, 0 ; 左上角: (0, 0)
mov dx, 0184fh ; 右下角: (80, 50)
int 10h ; int 10h
;显示Booting
mov dh, 0
call DispStr
;软驱复位
xor ah, ah
xor dl, dl
int 0x13
这里就是一些初始化的工作，设置段寄存器，设置栈，清屏，显示字符串，复位软盘等，真正的算法在下面。我们先来整理思路，要在根目录中找到Loader，那个我们就先要确定根目录的起始偏移，前面我们有介绍过，根目录位于FAT表之后，每个FAT表占9个扇区，两个FAT表就占18个扇区，再加上一个引导扇区，所以根目录的起始扇区是19，既然要在根目录中查找，那就要有个范围，我们已经得到了起始值为19，根目录总的扇区数=根目录文件数最大值 * 32 / 512，这里得出的结果是14，所以我们就从19号扇区开始找，最大找满14个扇区，代码如下
mov word , RootDirSecNum ;RootDirSecNum存放的是根目录的起始扇区号
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
cmp word , 0 ;wRootSecCnt里存放的是根目录总的扇区数，为0表示根目录所有的扇区都已经查找了
jz LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_END ;这里跳转表示整个根目录都搜索完毕，没有找到Loader.bin
上面的代码只是检测根目录是否已经查找完毕，如果查找完毕就跳转到后面显示没找到，没找到后的代码如下
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_END: ;没找到LOADER.BIN
mov dh, 2 ;2表示显示第三组字符串(BootMessage开始的3组字符串)，即No LOADER
call DispStr
jmp $ ：程序停在这
如果没找到，我们就让程序先停在这，下面我们看根目录查找没有结束的情况，如果没有结束，我们就要读取数据，一次读取一个扇区，代码如下
dec word
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax
mov bx, OffsetOfLoader
mov ax, word
mov cl, 1
call ReadSector ;读取扇区数据
上面先是进行一些设置，比如要读取哪个扇区，读取的扇区数，读取到哪个位置等。数据读取出来了之后，我们就要查找Loader的文件名了，这里我们要找的文件名是"LOADERBIN"，查找的方法就是取出一个目录项，然后一个字节一个字节的比较文件名，在上面我们介绍过目录项的结构，开始的11个字节就是文件名，所以我们只比较11个字节，如果全部相等，表示找到，否则取出下一个目录项进行比较，代码如下
mov di, OffsetOfLoader
cld
mov dl, 0x10 ;每个扇区中目录个数为16
LABEL_CMP_NEXT_FILE_NAME:
mov si, LoaderFileName
mov cl, 0x0b ;文件名长度为11个字节
LABEL_CMP_FILE_NAME:
test cl, cl
jz LABEL_FOUND_LOADER
dec cl
lodsb
test al, al
jz LABEL_CMP_NAME_END ;文件名比较完毕
cmp al,
jz LABEL_GO_ON ;从根目录中读取到的文件名字符和目标文件名字符相等，则继续比较下一个字符
jmp LABEL_CMP_NAME_END
LABEL_GO_ON:
inc di
jmp LABEL_CMP_FILE_NAME
中存放的是从根目录中读取到的数据，si中存放的是目标文件名，这里用lodsb从si中取出一个字节代al中，然后用个字节和中的进行比较，如果相等就比较下一个(jz LABEL_GO_ON)，否则就表示这个目录项比较结束，程序跳转到LABEL_CMP_NAME_END，如果全部比较完成后，发现都相等则跳转到LABEL_FOUND_LOADER，找到后我们先让程序停在那，我们现在看如果当前目录项不是我们要找的，又怎么处理，代码如下
LABEL_CMP_NAME_END:
dec dl ;目录项数减1
jz LABEL_GO_TO_NEXT_SECTOR ;16组目录都比较完毕，则读取下一个扇区
and di, 0xffe0 ;这里把di指针重置到当前目录的起始处
add di, 0x20 ;指针指向下一组目录(每组目录长度为32个字节)
jmp LABEL_CMP_NEXT_FILE_NAME ;比较下一组文件名
LABEL_GO_TO_NEXT_SECTOR:
inc word
jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN
如果当前目录项不是我们要找的，那么我们就跳转到下一个，这时dl中记录的当前扇区目录项的总数要减1，如果dl为0，表示当前扇区的所有目录项都查找完毕，那么我们就要去读取下一个扇区(jz LABEL_GO_TO_NEXT_SECTOR)，否则就跳到下一个目录项进行比较，依次循环。
到了这里，我们这个帖子的目标也达到了，就是在根目录中查找Loader的文件名，至于找到之后该咋办，或者没找到又该怎么处理，我们下个帖子再作处理。 支持中国红客联盟(ihonker.org) 感谢楼主的分享~ 流弊流弊O(∩_∩)O~ 还是不错的哦，顶了 支持中国红客联盟(ihonker.org) 还是不错的哦，顶了 学习学习技术，加油！
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