[系列]OS学习-自己写操作系统（5）-loader的产生

终于从保护模式走出来了。太艰难了。

现在我们将正式从引导扇区开始，编写Loader和内核。

由于引导扇区只有512字节，不够完成初始化和载入内核的工作，所以我们要写一个Loader，从引导扇区跳到Loader，由loader完成一切准备工作，然后进入内核。

用bximage创建软盘，在freedos中使用format B格式化B盘，用ultraISO向软盘中加入文件。

在centos中安装bochs，很艰难，递归解决了将近一百个包依赖。x11等

一、FAT12格式

可是引导扇区怎么找到loader？说的轻巧，loader将是一个文件，这就涉及到在软盘中寻找目标文件的工作。

FAT12详解 这位前辈的文章写的清楚明了,值得一看。为了在软盘中找到对应文件，

FAT12文件系统使用情况: 引导扇区(1)->FAT1(9)->FAT2(9)->根目录区(any)->数据区(other)

根目录区的第一个字节地址是0x2600H = 19*512D，如图：


那么根目录区占了多少簇？

根目录中一个条目占32字节，最多0xE0个条目，所以根目录占0xE0*32个字节，除以512 = 14，所以根目录占14个簇。（在这里一个簇只包含一个扇区）

所以数据区开始于19+14=33号扇区，即第34个扇区(扇区号从0开始)，即地址为33*512 = 0x4200H，为数据区的开始。



这张图可以证明。我们在软盘中成功找到了文件。

别忘了还有FAT1/2表，这两个表里面存储的是什么呢？在FAT表中，每12位称为一个FAT项，代表一个簇。

第0个和第1个FAT项从不使用，从第二个FAT项开始表示数据区的每一个簇。这也对应着数据区的第一个簇的簇号是2。

每一个FAT项的值代表文件下一个簇号；

如果文件在这个簇结束，则值>=0xFF8；

如果这个簇坏了，值==0xFF7。

二、如何在磁盘中找到LOADER

在回答这个问题之前，有一个问题更加重要：为什么需要Loader？

众所周知，操作系统是从引导扇区开始启动的，那我们直接在引导扇区中加载内核不就可以了吗？问题并不如此简单。事实上，引导扇区只是一个扇区，只有512字节大小；而内核装载之前要完成的任务有很多：例如初始化GDT/LDT，坚持硬件，跳入保护模式等等，512字节不够。因此我们需要一个容量更大的"loader"，即先从引导扇区跳到Loader，等Loader完成任务之后，就可以装载内核了。

那么，如何在已经格式化为FAT12的软盘中找到LOADER？

把Loader放入硬盘根目录->在根目录区(0x2600H)下找到Loader文件对应的条目->由此条目得知其开始的簇号->在FAT1表中寻找该簇号的值，并根据上面说过的原则递归找到该文件的其它簇->由这些簇在数据区中，找到对应的扇区，将文件读入内存。

这样，loader就可以被装入内存。

代码：

;%define _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
SectorNoOfFAT1 equ 1 ; FAT1 的第一个扇区号 = BPB_RsvdSecCnt
DeltaSectorNo equ 17 ; DeltaSectorNo = BPB_RsvdSecCnt + (BPB_NumFATs * FATSz) - 2
; 文件的开始Sector号 = DirEntry中的开始Sector号 + 根目录占用Sector数目 + DeltaSectorNo
;================================================================================================

jmp short LABEL_START ; Start to boot.
nop ; 这个 nop 不可少

; 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 'OrangeS0.02'; 卷标, 必须 11 个字节
BS_FileSysType DB 'FAT12 ' ; 文件系统类型, 必须 8个字节

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

mov dh, 0 ; "Booting "
call DispStr ; 显示字符串

xor ah, ah ; ┓
xor dl, dl ; ┣ 软驱复位
int 13h ; ┛

; 下面在 A 盘的根目录寻找 LOADER.BIN
mov word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
cmp word [wRootDirSizeForLoop], 0 ; ┓
jz LABEL_NO_LOADERBIN ; ┣ 判断根目录区是不是已经读完
dec word [wRootDirSizeForLoop] ; ┛ 如果读完表示没有找到 LOADER.BIN
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax ; es <- BaseOfLoader
mov bx, OffsetOfLoader ; bx <- OffsetOfLoader 于是, es:bx = BaseOfLoader:OffsetOfLoader
mov ax, [wSectorNo] ; ax <- Root Directory 中的某 Sector 号
mov cl, 1
call ReadSector

mov si, LoaderFileName ; ds:si -> "LOADER BIN"
mov di, OffsetOfLoader ; es:di -> BaseOfLoader:0100 = BaseOfLoader*10h+100
cld
mov dx, 10h
LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN:
cmp dx, 0 ; ┓循环次数控制,
jz LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR ; ┣如果已经读完了一个 Sector,
dec dx ; ┛就跳到下一个 Sector
mov cx, 11
LABEL_CMP_FILENAME:
cmp cx, 0
jz LABEL_FILENAME_FOUND ; 如果比较了 11 个字符都相等, 表示找到
dec cx
lodsb ; ds:si -> al
cmp al, byte [es:di]
jz LABEL_GO_ON
jmp LABEL_DIFFERENT ; 只要发现不一样的字符就表明本 DirectoryEntry 不是
; 我们要找的 LOADER.BIN
LABEL_GO_ON:
inc di
jmp LABEL_CMP_FILENAME ; 继续循环

LABEL_DIFFERENT:
and di, 0FFE0h ; else ┓ di &= E0 为了让它指向本条目开头
add di, 20h ; ┃
mov si, LoaderFileName ; ┣ di += 20h 下一个目录条目
jmp LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN; ┛

LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
add word [wSectorNo], 1
jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN

LABEL_NO_LOADERBIN:
mov dh, 2 ; "No LOADER."
call DispStr ; 显示字符串
%ifdef _BOOT_DEBUG_
mov ax, 4c00h ; ┓
int 21h ; ┛没有找到 LOADER.BIN, 回到 DOS
%else
jmp $ ; 没有找到 LOADER.BIN, 死循环在这里
%endif

LABEL_FILENAME_FOUND: ; 找到 LOADER.BIN 后便来到这里继续
mov ax, RootDirSectors
and di, 0FFE0h ; di -> 当前条目的开始
add di, 01Ah ; di -> 首 Sector
mov cx, word [es:di]
push cx ; 保存此 Sector 在 FAT 中的序号
add cx, ax
add cx, DeltaSectorNo ; cl <- LOADER.BIN的起始扇区号(0-based)
mov ax, BaseOfLoader
mov es, ax ; es <- BaseOfLoader
mov bx, OffsetOfLoader ; bx <- OffsetOfLoader
mov ax, cx ; ax <- Sector 号

LABEL_GOON_LOADING_FILE:
push ax ; `.
push bx ; |
mov ah, 0Eh ; | 每读一个扇区就在 "Booting " 后面
mov al, '.' ; | 打一个点, 形成这样的效果:
mov bl, 0Fh ; | Booting ......
int 10h ; |
pop bx ; |
pop ax ; /

mov cl, 1
call ReadSector
pop ax ; 取出此 Sector 在 FAT 中的序号
call GetFATEntry
cmp ax, 0FFFh
jz LABEL_FILE_LOADED
push ax ; 保存 Sector 在 FAT 中的序号
mov dx, RootDirSectors
add ax, dx
add ax, DeltaSectorNo
add bx, [BPB_BytsPerSec]
jmp LABEL_GOON_LOADING_FILE
LABEL_FILE_LOADED:

mov dh, 1 ; "Ready."
call DispStr ; 显示字符串

; *****************************************************************************************************
jmp BaseOfLoader:OffsetOfLoader ; 这一句正式跳转到已加载到内
; 存中的 LOADER.BIN 的开始处，
; 开始执行 LOADER.BIN 的代码。
; Boot Sector 的使命到此结束
; *****************************************************************************************************

;============================================================================
;变量
;----------------------------------------------------------------------------
wRootDirSizeForLoop dw RootDirSectors ; Root Directory 占用的扇区数, 在循环中会递减至零.
wSectorNo dw 0 ; 要读取的扇区号
bOdd db 0 ; 奇数还是偶数

;============================================================================
;字符串
;----------------------------------------------------------------------------
LoaderFileName db "LOADER BIN", 0 ; LOADER.BIN 之文件名
; 为简化代码, 下面每个字符串的长度均为 MessageLength
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
;============================================================================

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: DispStr
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
; 显示一个字符串, 函数开始时 dh 中应该是字符串序号(0-based)
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, 0007h ; 页号为0(BH = 0) 黑底白字(BL = 07h)
mov dl, 0
int 10h ; int 10h
ret

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: ReadSector
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
; 从第 ax 个 Sector 开始, 将 cl 个 Sector 读入 es:bx 中
ReadSector:
; -----------------------------------------------------------------------
; 怎样由扇区号求扇区在磁盘中的位置 (扇区号 -> 柱面号, 起始扇区, 磁头号)
; -----------------------------------------------------------------------
; 设扇区号为 x
; ┌ 柱面号 = y >> 1
; x ┌ 商 y ┤
; -------------- => ┤ └ 磁头号 = y & 1
; 每磁道扇区数 │
; └ 余 z => 起始扇区号 = z + 1
push bp
mov bp, sp
sub esp, 2 ; 辟出两个字节的堆栈区域保存要读的扇区数: byte [bp-2]

mov byte [bp-2], cl
push bx ; 保存 bx
mov bl, [BPB_SecPerTrk] ; bl: 除数
div bl ; y 在 al 中, z 在 ah 中
inc ah ; z ++
mov cl, ah ; cl <- 起始扇区号
mov dh, al ; dh <- y
shr al, 1 ; y >> 1 (其实是 y/BPB_NumHeads, 这里BPB_NumHeads=2)
mov ch, al ; ch <- 柱面号
and dh, 1 ; dh & 1 = 磁头号
pop bx ; 恢复 bx
; 至此, "柱面号, 起始扇区, 磁头号" 全部得到 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
mov dl, [BS_DrvNum] ; 驱动器号 (0 表示 A 盘)
.GoOnReading:
mov ah, 2 ; 读
mov al, byte [bp-2] ; 读 al 个扇区
int 13h
jc .GoOnReading ; 如果读取错误 CF 会被置为 1, 这时就不停地读, 直到正确为止

add esp, 2
pop bp

ret

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: GetFATEntry
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
; 找到序号为 ax 的 Sector 在 FAT 中的条目, 结果放在 ax 中
; 需要注意的是, 中间需要读 FAT 的扇区到 es:bx 处, 所以函数一开始保存了 es 和 bx
GetFATEntry:
push es
push bx
push ax
mov ax, BaseOfLoader; `.
sub ax, 0100h ; | 在 BaseOfLoader 后面留出 4K 空间用于存放 FAT
mov es, ax ; /
pop ax
mov byte [bOdd], 0
mov bx, 3
mul bx ; dx:ax = ax * 3
mov bx, 2
div bx ; dx:ax / 2 ==> ax <- 商, dx <- 余数
cmp dx, 0
jz LABEL_EVEN
mov byte [bOdd], 1
LABEL_EVEN:;偶数
; 现在 ax 中是 FATEntry 在 FAT 中的偏移量,下面来
; 计算 FATEntry 在哪个扇区中(FAT占用不止一个扇区)
xor dx, dx
mov bx, [BPB_BytsPerSec]
div bx ; dx:ax / BPB_BytsPerSec
; ax <- 商 (FATEntry 所在的扇区相对于 FAT 的扇区号)
; dx <- 余数 (FATEntry 在扇区内的偏移)
push dx
mov bx, 0 ; bx <- 0 于是, es:bx = (BaseOfLoader - 100):00
add ax, SectorNoOfFAT1 ; 此句之后的 ax 就是 FATEntry 所在的扇区号
mov cl, 2
call ReadSector ; 读取 FATEntry 所在的扇区, 一次读两个, 避免在边界
; 发生错误, 因为一个 FATEntry 可能跨越两个扇区
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

LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:

pop bx
pop es
ret
;----------------------------------------------------------------------------

times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55 ; 结束标志

三、loader中应该填入什么

加载内核之前，我们需要：初始化GDT/LDT，