bios x86保护模式下的软盘操作floppy

Cpu启动时，如果在bios中设置了从软盘启动，则bios会自动把软盘的第一个扇区（512字节）搬移到0x7c00，然后会从0x7c00开始运行，我们需要在这512字节的程序中实现把boot从软盘中搬移到内存中的功能。

此时x86系列的cpu还处在实模式中，可以利用bios提供的中断完成软盘读写，也就是著名的int 13。

1   软盘操作
1.1      软盘结构

以1.44M软盘为例，软盘有上、下两个盘面，每个盘面被划分为80个track，每个track被划分为18个Sector，每个Sector大小为512
BYTES。

2×80×18×512＝1440×1024＝1.44MB

如果是单纯的进行软盘读写操作，知道软盘的这些知识就够了。

1.2      软盘读写

中断号	寄存器	作用
13h	ah=00h      al=驱动器号（0表示A盘）	复位软驱
ah=02h      al=要读扇区数 ch=磁道号   cl=起始扇区号 dh=磁头号   dl=驱动器号 es:bx=数据缓冲区	从cl/ch/dh/dl指向的扇区开始读取al个扇区的数据到es:bx指向的缓冲区
ah=03h      al=要写扇区数 ch=磁道号   cl=起始扇区号 dh=磁头号   dl=驱动器号 es:bx=数据缓冲区	从es:bx指向的缓冲区读取al个扇区的数据写入cl/ch/dh/dl指向的al个扇区

对于软盘来说， DL=0（0表示A盘）

CL的取值范围是：1—18

CH的取值范围是：0—79

DH 的取值范围是：0—1

如果软盘的CL，CH，DH取值超过了范围，中断调用出错。





使用int13时对应扇区数的计算方法如下：



 

1.3      软盘编程
用软盘存放操作系统时，bios只会把前512个字节（即第一个扇区，引导区）读入内存的0x7c00处执行。程序的长度也被限制在了512字节大小，一个出入保护模式的程序就会超出。

为了突破512字节的限制，需要在这个扇区内放置一段引导程序，用于把后面的程序加载到内存中。这也是第一个扇区被称为引导区的原因。

下面的就是一段简单的加载程序，reset软驱后从LABEL_SECTOR2开始读入17个扇区。加上0号扇区（引导区），一共是18个扇区，也就是第一个磁道。这是因为13号中断不能跨磁道读取，所以这里只读入第一个磁道剩下的17个扇区。

; reset floppy     xor ah, ah     xor dl,  dl     int 13h         ; read sector 2 to memory     mov ah, 03h     mov al, 11h     mov ch, 00h     mov cl, 03h     mov dh, 00h     mov dl, 00h     mov bx, 0100h     int 13h

下面的程序用于保证除引导程序外的所有程序都在引导区之外，完成把磁盘内容拷贝入memory的操作后，就会跳入LABEL_SECTOR2。

jmp LABEL_SECTOR2   ; fill boot sector     times 510 - ($ - $$) db 1     dw 0xaa55   ; Sector 2 LABEL_SECTOR2:

下面是完整的程序代码

org 07c00h     jmp LABEL_BEGIN   LABEL_BEGIN:     mov ax, cs     mov ds, ax     mov ss, ax     mov es, ax         ; reset floppy     xor ah, ah     xor dl,  dl     int 13h         ; read sector 2     mov ah, 02h     mov al, 01h     mov ch, 00h     mov cl, 02h     mov dh, 00h     mov dl, 00h     mov bx, LABEL_SECTOR2     int 13h          jmp LABEL_SECTOR2   ; fill boot sector     uutimes 510 - ($ - $$) db 0     dw 0xaa55   ; Sector 2 jmp into loader ;      org 0100h LABEL_SECTOR2:        mov ax, cs        mov ds, ax        mov es, ax        call  DispStr                 ; 调用显示字符串例程        jmp  $                   ; 无限循环 DispStr:        mov ax, BootMessage        mov bp, ax                   ; ES:BP = 串地址        mov cx, 16                   ; CX = 串长度        mov ax, 01301h            ; AH = 13,  AL = 01h        mov bx, 000ch              ; 页号为0(BH = 0) 黑底红字(BL = 0Ch,高亮)        mov dl, 0        int   10h                ; 10h 号中断        ret BootMessage:         db    "Hello, OS world!"   ; fill floppy     times (2 * 18 * 80 * 512 - ($ - $$)) db 0

 

 

软盘,INT 13H和IMG文件

1:软盘

 软盘是以扇区为基本单位来进行操作的，每扇区512字节，共2880个扇区，空间大小为1.44M.

 这2880个扇区又可以用（磁头、磁道、扇区）这三个参数来描述。我们简单记（磁头、磁道、扇区）为（x,y,z），那么

  X的取值范围是：0—1

  Y的取值范围是：0--79

  Z的取值范围是：1—18

也就是说软盘有2磁头、每磁头有80磁道、每磁道有18扇区,共2880个扇区（2880=2*80*18）。

如果把2880个扇区从0开始编号，一直到2879结束，那么

编号为i的扇区和（X,Y,Z）的换算公式为：i=80*18*x+18*y+z-1

2:INT 13H

  INT13H是磁盘的BOIS中断,对于读写扇区操作，中断的完整调用参数如下:

  AL=扇区数    

  AH=中断子功能号     ;2=读扇区，3=写扇区

  CL的6，7位,CH = 磁道号  ;每磁头最多可以有2^10=1024个磁道

  CL的低6位   =  扇区号  ;每磁道最多可以有2^6=64个扇区

  DH = 磁头号     ;最多可以有256个磁头

  DL = 驱动器号     ;0=软盘，80H=硬盘

  ES:BX=数据缓冲区的地址

其他：

1).

  对于软盘来说，实际的INT 13H中DL=0，而CL，CH，DH的取值范围也不可能取到上面的数值，根据1:中的数据，有

CL的取值范围是：1--18

CH的取值范围是：0-79

DH 的取值范围是：0—1

如果软盘的CL，CH，DH取值超过了范围，中断调用出错。

AL的取值也不是任意的，一次调用INT13H进行读写扇区的只可以在一个磁道内的扇区进行。如果超出了一个磁道，必须要更新INT13H的中寄存器，重复调用INT13H。

对于软盘来说 AL必须要小于19-CL。

下面是一个从软盘的(x,y,z)扇区中连续读出n个扇区的内容到缓冲区BUFFER中的代码片段( 代码使用了一些80386的指令和MASM6.0才支持的伪指令)：

 MOV  AX,DS

 MOV  ES,AX

MOV  BX,OFFSET

MOV   BP,  n 

MOV CL，z

MOV CH，y

MOV DL，0 

MOV DH，x

.WHILE  BP  ;bp记录的是还没有进行读操作的扇区数量

;WHILE伪指令，和高级语言的WHILE一样理解就可以了，下面的。IF也一样

 ;对AL的取值进行计算

 MOV AL,19

    SUB AL,CL ;最多可以读19-CL个扇区

    XOR AH,AH

 .IF AX>BP  

      MOV AX,BP

   XOR BP,BP 

    .ELSE  

  SUB BP,AX ；更新BP

       .ENDIF    

  MOV AH,2

INT 13H   ;读扇区

 ;更新CL，CH，DH

MOV CL,1  

.IF  CH==79 

   INC DH

   XOR CH,CH

  .ELSE

      INC CH

  .ENDIF

  XOR AH,AH

  SHL AL,9 ;AX=AL*512，等于已经处理的字节数

     ;SHL AL,9和SHL AX，4都是80386+才支持的指令

        SHR AX,4   ;AX=AX/16

  ADD ES,AX  ;更新ES：BX，这里是更新了ES，也可以更新BX。

 .endw

2).

  INT13H只理论上最多处理 2^24个扇区*512字节/扇区=8G的磁盘空间，这对现在的硬盘来说，是远远不够的，于是后来对INT13H进行了扩展，用AH=42H、AH=43H分别对大硬盘进行操作，这里就不详细讨论了。

3:IMG文件

 IMG文件是软盘的镜像文件，文件大小也是1.44M，它和软盘是一种线性的对应关系。

软盘上一个编号为(x,y,z)的512字节的扇区，对应IMG文件中的以2400H*x+4800H*y+(z-1)*512为基址的512个字节（注意,2400H,4800H是16进制数）。

IMG文件的字节和软盘的扇区对应关系也可以如下图所示(注意那些是十进制，那些是16进制)。

 

对于扩展INT 13中断，参数如下：

中断号 功能                       调用寄存器 返回寄存器       备注

INT 13

AH=41H 检测扩展中断功能是否安装 AH = 41h

                 BX=55AAh

                DL = 驱动器号(80h到FFH)

                 失败：AH=1

                 CF置位

                 成功：AH=版本号

                 CF=0 BX=AA55H 

INT 13

AH=42H 磁盘扩展读操作              AH = 42H

                    DL = 驱动器号

                    DS:SI=指向LBA地址包的指针 失败：AH=错误号

                    CF置位

                    成功：AH=0

                    CF=0

  地址包定义：

                    偏移 大小 描述

                    00H 字节 地址包大小

                    01H 字节 保留（为0）

                    02H 字     传输包个数

                    04H 双字 指向数据指针

                    08H 4字     起始地址

                    其中LBA=((柱面*磁头/柱面+磁头)*扇区/柱面)+扇区-1

INT 13

AH=43H 磁盘扩展写操作               AH=43H

                         AL=写标志

                      DL = 驱动器号

                      DS:SI=指向LBA地址包的指针 失败：AH=错误号

                                     CF置位

                               成功：AH=0

                                                     CF =0 同上

INT 13

AH=48H 获取磁盘参数 AH=48H

                                     DL=驱动器号

                                      DS:SI=指向保存参数缓冲区的指针

                                      
失败：AH=错误号

                           CF置位

                                      
成功：AH=0

                           CF=0

 参数缓冲区定义：

                    偏移 大小 描述

                    00H 字 缓冲区大小

                    02H 字 信息标志位

                    04H 双字 物理柱面数

                    08H 双字 物理磁头数

                    0CH 双字 物理每柱扇区数

                    10H 4字 扇区总数

                    18H 字 每扇区字节数

1.1      保护模式下实现软盘编程

要发挥x86芯片的功能，必须要进入保护模式。

系统启动时所加载的512字节的MBR区为bootloader区，用于加载真正的boot程序。在bootloader区中，cpu还运行于实模式，因此bootloader通过bios中断加载boot。进入boot区后，一般来说已经完成了切换入保护模式的动作。

在保护模式下，不能使用bios中断，需要通过读写软盘控制器芯片8237来完成。

1.1.1  软盘控制器

I/O address	Read or Write	Register
0x3f2	Write	DOR: Digital Output Register
0x3f4	Read	FDC Status: Floppy Disk Status Register
0x3f5	Read/Write	FDC Data: Floppy Disk Data Register
0x3f7	Read	DIR: Digital Input Register
Write	DCR: Disk Control Register

注：FDC为软盘控制器

1.1.1.1         
DOR数字输出寄存器
DOR是一个8为寄存器，他控制驱动器马达的开启、驱动器选择、启动/复位FDC以及允许/禁止DMA请求

位	Name	Description
7	MOT_EN3	Driver D motor：1-start；0-stop
6	MOT_EN2	Driver C motor：1-start；0-stop
5	MOT_EN1	Driver B motor：1-start；0-stop
4	MOT_EN0	Driver A motor：1-start；0-stop
3	DMA_INT	DMA interrupt； 1 enable; 0-disable
2	RESET	FDC Reset
1	DRV_SEL1	Select driver
0	DRV_SEL0

 

1.1.1.2         
FDC Status：FDC状态寄存器
FDC status用于反映软盘驱动器FDC的基本状态。通常，在CPU想FDC发送命令或从FDC获取结果前，都要读取FDC的状态为，以判断当前的FDC data寄存器是否就需，以及确定数据传输方向。

位	Name	Description
7	RQM	Data ready: FDD ready
6	DIO	Direction: 1 - FDD to CPU; 0 – CPU to FDD
5	NDM	DMA set: 1-not DMA; 0-DMA
4	CB	Controller busy
3	DDB	Driver D busy
2	DCB	Driver C busy
1	DBB	Driver B busy
0	DAB	Driver A busy

 

1.1.1.3         
FDC Data：FDC数据寄存器
FDC Data寄存器用于向FDC发送控制命令或从FDC读取状态，实现数据读写等。FDC的使用比较复杂，可支持多种命令。每个命令都通过一个命令序列实现：命令阶段、执行阶段和结果阶段。

1）  重新校正命令（FD_RECALIBRATE）

软盘启动时调用

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0x07
1	0	0	0	0	0	0	US1	US2	Drive no.
执行			磁头移动到track0
结果		无	无

2）  磁头寻道命令（FD_SEEK）

把磁头定位到制定位置，在读写前执行

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0x0F
1	0	0	0	0	0	HD	US1	US2	磁头号、驱动器号
2	C	磁道号
执行			磁头移动到制定磁道
结果		无	无

3）  读扇区数据命令（FD_READ）

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	MT	MF	SK	0	0	1	1	0	0xE6（MT=MF=SK=1）
1	0	0	0	0	0	0	US1	US2	驱动器号
2	C	磁道号track
3	H	磁头号head
4	R	起始扇区号start sector
5	N	扇区字节数
6	EOT	磁道最大扇区号
7	GPL	扇区建间隔长度（3）
8	DTL	N=0时，制定扇区字节书
执行			从软盘读取扇区
结果	1	ST0	状态字节0
2	ST1	状态字节1
3	ST2	状态字节2
4	C	磁道号track
5	H	磁头号head
6	R	起始扇区号
7	N	扇区字节数

注：

MT：多磁道操作。MT=1表示允许多磁道操作

MF：记录方式。MF=1表示选用MFM记录方式，否则是FM记录方式d

SK：是否跳过有删除标志的扇区。SK=1表示跳过。

返回的返回的状态ST0、ST1和ST2的含义如下：

ST0：

位	名称	说明
7	ST0_INTR	中断原因。00-正常结束；01-异常结束；10-命令无效；11-软盘驱动器状态改变
6
5	ST0_SE	寻道操作或重新校正操作结束（seek end）
4	ST0_ECE	设备检查错误（0磁道校正错误）（Equip. Check Error）
3	ST0_NR	软盘未就绪（Not Ready）
2	ST0_HA	磁头地址。中断时磁头地址（Head Address）
1	ST0_DS	驱动器号（Driver Select）
0

 

ST1：

位	名称	说明
7	ST1_EOC	范文超过磁道最大扇区号（End of Cylinder）
6		Reserve
5	ST1_CRC	CRC校验出错
4	ST1_OR	数据传输超时（Over Run）
3		Reserve
2	ST1_ND	未找到制定扇区（No Data）
1	ST1_WP	写保护（Write Protect）
0	ST1_MAM	未找到扇区地址标志ID（Miss Address Mask）

 

ST2：

位	名称	说明
7		Reserve
6	ST2_CM	SK=0时，读数据遇到删除标志（Control Mark）
5	ST2_CRC	CRC校验出错
4	ST2_WC	扇区ID信息的磁道号C不不符（Wrong Cylinder）
3	ST2_SEH	检索条件满足（Scan Equal Hit）
2	ST2_SNS	检索条件不满足（Scan Not Satisfied）
1	ST2_BC	磁道坏（Bad Cylinder）
0	ST2_MAM	未找到扇区地址标志ID（Miss Address Mask）

 

4）  写扇区数据命令（FD_WRITE）

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	MT	MF	0	0	0	1	0	1	0xC5（MT=MF=1）
1	0	0	0	0	0	0	US1	US2	磁头号、驱动器号
2	C	磁道号track
3	H	磁头号head
4	R	起始扇区号start sector
5	N	扇区字节数
6	EOT	磁道最大扇区号
7	GPL	扇区建间隔长度（3）
8	DTL	N=0时，制定扇区字节书
执行			向软盘写入扇区
结果	1	ST0	状态字节0
2	ST1	状态字节1
3	ST2	状态字节2

5）  检测中断状态命令（FD_SENSEI）

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0x08
执行
结果	1	ST0	状态字节0
2		磁头所在磁道号

6）  设定驱动器参数命令（FD_SPECIFY）

阶段	序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	说明
cmd	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0x03
1	SRT（单位2ms）	HUT（单位32ms）	马达速度、磁头卸载时间
2	HLT（单位4ms）	ND	磁头加载时间，非DMA模式
执行			设置控制器
结果		无	无

 

1.1.1.4         
DIR：数字输入寄存器
DIR寄存器只有D7位有效，用于表示软盘更换状态，其余用于硬盘控制器。

1.1.1.5         
DCR：磁盘控制寄存器
DCR仅是用户D0与D1位，用于表示数据传输率。

00-500kpbs, 01-300kpbs, 10-250kpbs。

1.1.2  保护模式下代码实现
1.1.2.1         
初始化
1）  Reset

 

outb(FLOPPY_REG_DOR, 0x08);
// 重启

for (i=0
; i<100
; i++)

__asm__("nop");
// 延时，保证重启完成

outb(FLOPPY_REG_DOR, 0xc);
// 选择DMA模式，选择软驱A

1）  设置磁盘数据传输速度

outb(FD_DCR, 0); // 500kpbs

2）  Output_byte函数

用于FDC命令的输出，FDC的每条命令需要确保上条命令已经完成

 

static void output_byte(char byte)

{

     int counter;

     unsigned char status;

     for(counter
= 0 ; counter
< 10000 ; counter++)
{

            status = inb(FD_STATUS)
& (STATUS_READY
| STATUS_DIR);

            if
(status == STATUS_READY)
{

                   outb(FD_DATA, byte);

                   return;

            }

     }

     printf("Unable to send byte to FDC\r");

}

3）  设置驱动器参数

 

output_byte(FD_SPECIFY);

output_byte(0xCF);
/* 马达步进速度、磁头卸载时间=32ms
*/

output_byte(6);
/* Head load
time =6ms, DMA
*/

 

1.1.2.2         
读扇区
 

typedef struct {

       unsigned int size, sect, head, track, stretch;

       unsigned char gap,rate,spec1;

}floppy_struct;

static floppy_struct floppy_type =

    {2880,18,2,80,0,0x1B,0x00,0xCF
};
/* 1.44MB diskette
*/

static u32 current_dev = 0;

/*
(2 * 18 * 80
* 512)
*/

void FloppyReadSector(u32 sectNo, u8
*buf)

{

    u32 head, track, block, sector, seek_track;

    if (NULL
== buf)

    {

        printf("FloppyReadSector para error.\r");

        return;

    }

    if (sectNo
>=
(floppy_type.head
* floppy_type.track
* floppy_type.sect))

    {

        printf("FloppyReadSector sectNo error: %x.\r", sectNo);

        return;

    }

    /* 计算参数
*/

    sector = sectNo
% floppy_type.sect
+ 1;

    block = sectNo
/ floppy_type.sect;

    track = block
/ floppy_type.head;

    head = block
% floppy_type.head;

    seek_track = track
<< floppy_type.stretch;

    

    /* 软盘重新校正
*/

    output_byte(FD_RECALIBRATE);

    output_byte(current_dev);

    

    /* 寻找磁道
*/

    output_byte(FD_SEEK);

    output_byte(current_dev);

    output_byte(seek_track);

    

    /* 设置DMA，准备传送数据
*/

    SetDMA(buf, FD_READ);

    /* 发送读扇区命令
*/

    output_byte(FD_READ);
/* command
*/

    output_byte(current_dev);
/* driver no.
*/

    output_byte(track);
/* track no.
*/

    output_byte(head);
/* head
*/

    output_byte(sector);
/* start sector
*/

    output_byte(2);
/* sector size
= 512 */

    output_byte(floppy_type.sect);
/* Max sector
*/

    output_byte(floppy_type.gap);
/* sector gap
*/

    output_byte(0xFF);
/* sector size
(0xff when n!=0 ?)
*/

}

 

程序很清楚，不再多说，写命令于此类似。

唯一不清楚的是SetDMA函数。

我们在设置DOR时设置的DMA工作方式为enable，也就是说数据会通过DMA方式传送，因此必须设置DMA控制器。

 

1.1.2.3         
DMA传输

/* DMA commands
*/

#define DMA_READ 0x46

#define DMA_WRITE 0x4A

#define immoutb_p(val,port)
\

__asm__("outb %0,%1\n\tjmp 1f\n1:\tjmp 1f\n1:"::"a"
((char)
(val)),"i"
(port))

void SetDMA(u8
*buf, u8 cmd)

{

    long addr =
(long)buf;

    Cli();

    /* mask DMA 2
*/

    immoutb_p(4|2,10);

    /* output command byte. I don't know why, but everyone
(minix,
*/

    /* sanches
& canton) output this twice, first
to 12 then
to 11 */

    __asm__("outb %%al,$12\n\tjmp 1f\n1:\tjmp 1f\n1:\t"

    "outb %%al,$11\n\tjmp 1f\n1:\tjmp 1f\n1:"::

    "a" ((char)
((cmd
== FD_READ)?DMA_READ:DMA_WRITE)));

    /* 8 low bits of addr
*/

    immoutb_p(addr,4);

    addr >>= 8;

    /* bits 8-15 of addr
*/

    immoutb_p(addr,4);

    addr >>= 8;

    /* bits 16-19 of addr
*/

    immoutb_p(addr,0x81);

    /* low 8 bits of count-1
(1024-1=0x3ff)
*/

    immoutb_p(0xff,5);

    /* high 8 bits of count-1
*/

    immoutb_p(3,5);

    /* activate DMA 2
*/

    immoutb_p(0|2,10);

    Sti();

}

该函数由linux0.11移植而来，可参照DMA控制器手册进行设置。不看也可以，注释写得很清楚，拿过来用就是了