回顾
今日目标
Boot Sector 与内存的关系
- 打印任意内存位置上的内容（以 16 进制输出）
- 物理寻址的应用
  - 找到 Boot Sector 在内存中的前两个字节的位置
    - 寄存器
      - 寄存器的种类
        
        通用寄存器
        
        段寄存器
        
        指针寄存器
        
        索引寄存器
        
        控制寄存器
      - 段和段寄存器小结
    - 完成任务
程序拆解及必要汇编指令
- org 指令
- jmp 指令
- times 指令
- pusha popa 指令
- 条件控制指令
- 其他必要的汇编指令
总结
参考链接

回顾

上一篇，我们讲到了以下内容：

16-bit Real Mode 是 x86 系列 CPU 的一种工作模式，所有 x86 系列 CPU 启动时，都处于 16-bit Real Mode
16 bit 系统中，只有 64 KB 内存可以被识别，CPU 一次只能处理 16 bit 的数据
8086 架构，因为有 20 bit 的地址总线，所以寻址总量有 1 MB
8086 架构的内存管理采用内存分段机制，内存分段将程序不同的部分加载到不同的不连续的内存中
16-bit Real Mode 真实物理地址的计算公式为：物理地址 = 段地址左移 4 位 + 偏移地址
中断可以让 CPU 暂时停止当前任务，执行我们指定的任务，然后回去执行原先的任务
中断在 interrupt vector 中由一个数值做索引，interrupt vector 包含 interrupt service routines 的内存地址
第一个 Hello World 程序使用中断，在屏幕上显示 HelloWorld 字符串

代码仓库。

今日目标

本篇，我们将结束 16-bit Real Mode 的内容，储备更多的知识，为下一篇开启 32-bit Protected Mode 做准备。

本篇内容主要以汇编代码为主，讲解一些必要的指令。我们会从一个打印 16 进制字符串的程序开始，将

boot sector 与内存的关系
字符串定义
堆栈的使用
方法调用
条件跳转
文件包含
物理内存寻址

这些内容一一覆盖到。

需要大家注意的是，我们现在的编程环境和编程的内容都有很大的局限性，所以不要将现在所讲的东西不加推敲直接应用到其他环境中，会造成不正确的结果。

比如现在的环境只是 8086 16-bit，那么不能认为通用寄存器就只是 AX，而不去考虑是否因为环境不同，寄存器会发生变化。32-bit 环境下，通用寄存器为 EAX，64-bit 环境下，为 RAX。

又比如目前的 boot sector 程序没有分段，同样不能认为其他所有的汇编程序都不用分段。

当前讨论的，是如何在 8086 架构下，从头写一个简易操作系统，一切都围绕这个目标来展开。

Boot Sector 与内存的关系

我们从研究 boot sector 程序与内存的关系开始。

回想之前，计算器启动，BIOS 做自检（专业术语叫 POST - Power-On Self-Test，详见这篇文章），然后读取存储介质上的前 512 个字节，如果 0x55 和 0xaa 出现在第 510 和 511 个字节上，BIOS 就认为这是一个正规的 boot sector，开始执行其代码，然后加载操作系统。

一切程序的执行，第一步要将程序加载到内存。那么 boot sector 被 BIOS 加载到内存的那一部分呢？

首先，肯定不是整个内存的起始位置（0x0）。因为之前说过，远在 BIOS 寻找 boot sector 之前，就已经做开始检测硬件等的操作。想必有一些必要的指令，已经被加载到内存最初的位置上。另外，还记得 interrupt vector table 以及 interrupt service routines （ISRs），这些都必须首先存在于内存，我们在 boot sector 中才有能力去调用中断，做相应的操作。

书中说，boot sector，会被 BIOS 固定加载到 0x7c00 这个位置上。

直接引用书上的内存示意图（来源：https://www.cs.bham.ac.uk/~exr/lectures/opsys/10_11/lectures/os-dev.pdf）。

原书中作者写着写着打了一个问号在这里。本着怀疑一切的态度，我们要证实一下，boot secotr 是不是被加载到了 0x7c00 这个位置。

打印任意内存位置上的内容（以 16 进制输出）

我们有能力打印字符（上一个 HelloWorld 程序），那么要证实 boot sector 被加载到 0x7c00，只需要打印出该内存地址开始的连续一些字节，和 od 命令的输出做比对，就能知道书中是否正确。记住 16-bit Real Mode 下内存没有保护机制，所以，是可以访问或者写入到任意内存，目前也没有什么后果，大家可以自行尝试。

这里的关注点不要放在代码上，后面会对代码做深入讨论。

打印 16 进制的代码在 @cfenollosa 的 Github 上能找到。这里需要两个文件，一个是 print 方法，负责打印字符串，另一个，是 print_hex 方法，负责转换 16 进制数为字符串，然后调用 print 来打印。

print.asm:

print:pusha; keep this in mind:
; while (string[i] != 0) { print string[i]; i++ }; the comparison for string end (null byte)
start:mov al, [bx] ; 'bx' is the base address for the stringcmp al, 0 je done; the part where we print with the BIOS helpmov ah, 0x0eint 0x10 ; 'al' already contains the char; increment pointer and do next loopadd bx, 1jmp startdone:poparetprint_nl:pushamov ah, 0x0emov al, 0x0a ; newline charint 0x10mov al, 0x0d ; carriage returnint 0x10poparet

print_hex.asm:

; receiving the data in 'dx'
; For the examples we'll assume that we're called with dx=0x1234
print_hex:pushamov cx, 0 ; our index variable; Strategy: get the last char of 'dx', then convert to ASCII
; Numeric ASCII values: '0' (ASCII 0x30) to '9' (0x39), so just add 0x30 to byte N.
; For alphabetic characters A-F: 'A' (ASCII 0x41) to 'F' (0x46) we'll add 0x40
; Then, move the ASCII byte to the correct position on the resulting string
hex_loop:cmp cx, 4 ; loop 4 timesje end; 1. convert last char of 'dx' to asciimov ax, dx ; we will use 'ax' as our working registerand ax, 0x000f ; 0x1234 -> 0x0004 by masking first three to zerosadd al, 0x30 ; add 0x30 to N to convert it to ASCII "N"cmp al, 0x39 ; if > 9, add extra 8 to represent 'A' to 'F'jle step2add al, 7 ; 'A' is ASCII 65 instead of 58, so 65-58=7step2:; 2. get the correct position of the string to place our ASCII char; bx <- base address + string length - index of charmov bx, HEX_OUT + 5 ; base + lengthsub bx, cx  ; our index variablemov [bx], al ; copy the ASCII char on 'al' to the position pointed by 'bx'ror dx, 4 ; 0x1234 -> 0x4123 -> 0x3412 -> 0x2341 -> 0x1234; increment index and loopadd cx, 1jmp hex_loopend:; prepare the parameter and call the function; remember that print receives parameters in 'bx'mov bx, HEX_OUTcall printpoparetHEX_OUT:db '0x0000',0 ; reserve memory for our new string

利用 cfenollosa 代码，我们写一个简单的测试代码：

boot_sect_mem_chk.asm

org 0x7c00
mov dx, [0x7c00] ; 将内存地址 0x7c00 位置上的数据，写入到 dx 寄存器
call print_hex ; 调用 print_hex 方法输出 dx 中的内容jmp $  ; 跳转到当前地址（无限循环）%include "print.asm"
%include "print_hex.asm"times 510 - ($ - $$) db 0 ; 512 个字节中剩余字节全部填充 0
dw 0xaa55 ; 最后一个字节，是 0xaa55，让 BIOS 知道这是 boot sector

编译：

nasm -f bin boot_sect_mem_chk.asm -o boot_sect_mem_chk.bin

运行：

与 od 命令的输出做对比：

od -t x1 -A n boot_sect_mem_chk.bin

证实了 boot sector 被加载到 0x7c00 内存的说法。也可以写一个循环，输出前 N 个字符，对比输出与 od 命令是完全一致的。

不要忘了，x86 架构是小字节序，QEMU 中打印出来的每个字节，与 od 命令显示的是相反的。

物理寻址的应用

前一篇文章铺垫了很多关于 8086 架构物理地址计算的信息，现在，该尝试一下在代码中做应用，加深理解。

找到 Boot Sector 在内存中的前两个字节的位置

我们还是拿 boot_sect_mem_chk.asm 举例，顺便开始讲解一些必须知道的汇编指令。

我们的目标是，用前文所说的寄存器，换一种方式，使用段寄存器来找到 Boot Sector 的前两个字节的内容，打印出来。

org 0x7c00
mov dx, [0x7c00] ; 将内存地址 0x7c00 位置上的数据，写入到 dx 寄存器
call print_hex ; 调用 print_hex 方法输出 dx 中的内容jmp $  ; 跳转到当前地址（无限循环）%include "print.asm"
%include "print_hex.asm"times 510 - ($ - $$) db 0 ; 512 个字节中剩余字节全部填充 0
dw 0xaa55 ; 最后一个字节，是 0xaa55，让 BIOS 知道这是 boot sector

我们先讲一些完成这个任务的必要知识，然后完成这个任务，再然后，我们来拆解这个程序，进入汇编指令的讲解。

寄存器

如果有人问说计算机有哪些寄存器？你的回答只是计算机有 AX，BX，CX，DX 等浙西寄存器，然后就没有然后了。那么，在继续阅读下面的内容之前，请再次全面来了解一下寄存器。

最基本的寄存器描述如下：

由于 CPU 访问内存的操作会大大降低计算机运行效率，所以 CPU 内部内置了一些记忆单元用于临时储存要处理的小量数据，这些记忆单元，就被称之为寄存器。

下面展开讨论寄存器。

寄存器的分类

x86 架构下，按照寄存器的作用，可以把寄存器分为 5 大类，分别是：

通用寄存器 General Registers
段寄存器 Segment Registers
指针寄存器 Pointer Registers
索引寄存器 Index Registers
控制寄存器 Control Registers

再一一展开。

- 通用寄存器 -

x86 架构的 CPU 包含 4 个通用寄存器，32 位架构下，这 4 个寄存器分别是：

EAX，EBX，ECX，EDX。

相应的，我们现在讨论的 80806 16 位架构下，这 4 个寄存器分别是：

AX：‘A’ 代表 Accumulator，该寄存器也称为累积寄存器，通常用于做数学运算
BX：‘B’ 代表 Base，该寄存器也称为基址寄存器，可以用于存放临时值，也可以用于做内存寻址
CX：‘C’ 代表 Count，该寄存器也称为计数寄存器，通常用于做循环计数
DX：‘D’ 代表 Data，该寄存器也称为数据寄存器，通常用于输入输出的操作，同时也可以和 AX 配合用于大数值乘除的运算

- 段寄存器 -

对于段寄存器的讲解比较重要，粗体字加深理解。

8086 CPU 有 3 个常用段寄存器，3 个附加段寄存器。

常用段寄存器分别是：

代码段寄存器 Code Segment Register：代码段包含所有的可以被执行的指令；代码段寄存器存放代码段的起始内存地址（逻辑地址）
数据段寄存器 Data Segment Register：数据段包含程序需要的所有数据，常量，字符串等；数据段寄存器存放数据段的起始内存地址（逻辑地址）
栈段寄存器 Stack Segement Register：栈段包含方法调用所需的参数，方法的返回地址等数据；栈段寄存器存放栈段的起始内存地址（逻辑地址）

逻辑地址指的是 16-bit 地址，也是后面段和段寄存器小结中提到的段选择符。

例如，DS 的值是 0x6F70，那么 mov ax, [0x1000] 中的物理内存地址是

0x6F70 * 10H + 0x1000 = 0x6F700 + 0x1000 = 0x70700

附加段寄存器分别是：

ES，FS，GS。这些寄存器提供了额外储存数据的空间。通常，MOVS，CMPS 等字符串操作的会用 ES。程序员也可以在代码中手动指定这些寄存器的使用。

- 指针寄存器 -

3 个指针寄存器分别是：

指令指针寄存器 Instruction Pointer（IP）：存放下一条指令的内存地址偏移量，与 CS 一起，[CS:IP] 提供下一条指令的真实物理地址
栈指针寄存器 Stack Pointer（SP）：存放栈中的当前数据的内存地址偏移量，与 SS 一起，[SS:SP] 提供当前数据的真实物理地址，获得当前位置上的数据
基址指针寄存器 Base Pointer（BP）：存放栈底的内存地址偏移量，与 SS 一起，[SS:BP] 提供当前方法参数的真实物理地址；同时，BP 还可以跟 DI，SI 这两个索引寄存器一起使用，用于物理地址计算，如 [BP + SI + 0x10]

- 索引寄存器 -

2 个指针寄存器分别是：

源索引寄存器 Source Index（SI）：常用于字符串操作的源索引
目标索引寄存器 Destination Index（DI）：常用于字符串操作的目标索引

不过实际中，这两个寄存器也常与段寄存器配合，进行物理地址寻址，如 [DS:SI]，[ES:DI]。

- 控制寄存器 -

控制寄存器属于高级话题，不在讨论范围。有兴趣的同学参考这篇文章。

段和段寄存器小结

8086 架构中，内存段十分重要，所以我们把段和段寄存器拿出来做一个小总结。

关于每一个段的特征以及每个段与内存寻址的关系，总结如下：

8086 架构下，每个段容量最大 64 KB（2¹⁶ Bits）
汇编中，任何段中的任一内存地址的寻址，都是相对于段的起始内存地址
一个段，总是开始于一个能被 16 整除（10 进制，或者 16 进制被 10H 整除）的内存地址上
任一段寄存器存放的，都是相应段的起始内存地址。段寄存器中的地址，被称为段选择符（Segment Selector 这里有详解），段选择符 * 16 （16 进制乘以 10H，二进制左移 4 位）之后的，才是段地址（所以，前文勘误，直接说段寄存器中储存的是段地址是错误的表述）
物理地址，或者线性地址，是通过 段地址 + 偏移量 计算得到

来自 Wiki 的图片，解释物理地址的计算（二进制形式）。

完成任务

好了，有了上面的铺垫，我们来使用段寄存器找到 boot sector 的前两个字节。

首先，我们讲 org 指令注释掉。汇编的注释，使用分号 ;。

我们看一下注释掉之后是个什么情况，还能打印出我们需要的前两个字节吗？

答案是否定的。

为什么会出现这样的情况？

先看一下这条指令

mov dx, [0x7c00]

在 [] 操作符中的地址，都是一个相对于段起始位置的内存偏移量。

当我们使用

mov dx, [0x7c00]

的时候，事实上，assembler 内部是这样处理这个内存寻址的

mov dx, [DS:0x7c00]

DS 是段寄存器，我们会使用段寄存器中的段选择符，乘以 16 再加上 0x7c00 这个偏移量来计算最后的物理地址。

那我们来看一下没有 org 指令的情况下，DS 寄存器的值是多少？

我们尝试讲 DS 的值打印出来，结果发现没有输出，意味着 DS 中没有存放任何值（没有值不代表是 0）。

因此，无法找到 boot sector 前两个字节是理所当然的。

解决方案就很简单了，存放一个段选择符到 DS 中即可。

前文说过，汇编中所有寻址，都是相对于段的起始地址而言。我们已经知道并证实 boot sector 代码会被加载到 0x7c00 这个位置，我们的目标是打印物理地址位 0x7c00 这个位置上的数据。

根据

物理地址 = 段选择符 * 10H + 偏移量

的公式，DS 的值应该是 0x7c0，偏移量应该是 0x0。

0x7c0 * 10H + 0x0 = 0x7c00

因此，修改代码如下，即可得到 boot sector 前两个字节。

这里有一个点要说明一下，所有的段寄存器和索引寄存器都是不能直接写入的，mov ds, 0x7c0 无法编译通过，必须有一个中间过渡，所以用 ax 作为过渡，将值写入到 ds 中。

拓展部分
另外，再抛出一个问题，为什么不能设置 DS 寄存器的值为其他值，如 0x0，或者 0x100，然后设置偏移量到相应的值去获取前两个字符。

首先我目前的解释是，因为我们编译出来的是原始文件，意味着所有字节都是数据，那么将被加载到 1 个段中（一个段 64 KB，我们的数据只有 512 Bytes），段的起始逻辑地址，就应该被写入到 DS 中，所有的对于段中字节的寻址，都以 DS 为相对地址。
为了证实这一点，我们可以获取一下最后两个字节 0xaa55。按照公式，DS 为 0x7c0，偏移量为 0x1fe（第 510 和 511 个字节）。

可以成功获取到最后两个字节的内容。

当然，我试过将 DS 设置为 0x0，偏移为 0x7c00 会有很奇怪的现象出现，大家自行尝试。

程序拆解及必要汇编指令

拆解一下前文的程序，代码如下：

org 0x7c00
mov dx, [0x7c00] ; 将内存地址 0x7c00 位置上的数据，写入到 dx 寄存器
call print_hex ; 调用 print_hex 方法输出 dx 中的内容jmp $  ; 跳转到当前地址（无限循环）%include "print.asm"
%include "print_hex.asm"times 510 - ($ - $$) db 0 ; 512 个字节中剩余字节全部填充 0
dw 0xaa55 ; 最后一个字节，是 0xaa55，让 BIOS 知道这是 boot sector

【1】：org 指令，明确告诉 assembler 我们的 Boot Sector 代码被加载到 0x7c00 的位置
【2】：mov 指令，将相对于 0x0，偏移量为 0x7c00 内存位置上的值写入 dx
【3】：调用 print_hex 方法，打印出 dx 寄存器中的值
【4】：挂起 CPU
【5】【6】：包含两个打印方法的文件
【7】：除去该行指令以上所有指令的长度，除去最后两个字节的长度，其余位置全部填充 0
【8】：最后两个字节固定值，0xaa55

开始展开。

org 指令

这个解释只有英文才能区分了，不知道该怎么翻译才好，中文的翻译都是指令。各种资料对于 org 的解释，指出 org 不是一个 instruction，而是一个 directive。类似 C 语言中的 define。

org 指令，在书中的解释是，明确告诉 assembler 我们的 Boot Sector 代码被加载到指定的位置（0x7c00）。但是范范这么一句话，感觉什么都没有讲明白。根据资料，assembler 内部，有一个 Location Counter（LC），它负责记录当前内存中下一个可以用于存放编译后指令的空位。

org 指令更改 LC 到指定的内存地址。例如这里的 0x7c00。

当前的 LC 的值，可以使用之前看到过的 $ 符号来表示。

我们可以打印出来看一下。

没有使用 org 指令，LC 的值是 0000 (打印出来的乱码至今未理解是为什么)

使用了 org 指令，LC 的值是指定值。

LC 的值，是根据指令递增的，一条指令被编译存放入上一个 LC 的位置之后，LC 会增加这个指令的长度，准备存放下一个指令。

下图展示了 LC 在第一个 call print_hex 指令之后，递增了 3 个字节。

LC 作为概念大家明白就行。我试着找 LC 与内存寻址相关的资料，结果都没有找到。意味着 LC 对于我们理解内存寻址来说没有什么作用。

但是我们可以通过程序来的行为来进一步解释 org 指令到底干了什么。

我们可以打印寄存器中的值，那么，我就把所有寄存器的值全部打印出来，然后对比一下使用 org 指令和没有使用 org 指令前后的区别，看是否是因为 org 指令初始化了 DS 寄存器，让 mov dx, [0x7c00] 可以获取到相应数据。

对比结果如下图。

使用了 org 指令，除了 sp 是一个非 0 值，其他所有寄存器都被设置成了 0x0。因此，根据寻址公式，0x0 * 10H + 0x7c00 = 0x0 + 0x7c00 = 0x7c00，就可以获取到 boot sector 前两个字节的内容。

然后我将 org 指令注释掉，结果是各个寄存器全部是乱码。最后也无法获取到 boot sector 前两个字符的内容。

可以初步得出结论，org 指令除了资料上说的设置 LC 到当前地址，还初始化段寄存器的值为 0x0。

jmp 指令

jmp $ 在这里的作用，是做一个无限循环，让 CPU 停在该指令处，不能再往下执行。

试想一下如果没有这个无限循环，CPU 就会按着 CS:IP 一路往下执行，能执行的则执行，不能执行的就 crash，我们不想让这样的事情发生。

jmp 跳转分 short jump，long jump，还分向前跳转，向后跳转。细看这个 jmp $ 指令，机器码是 eb fe，还有很多可以挖掘的地方，它是一个 short jump，是一个 reverse short jump，意思是向后跳转。具体操作是从 jmp $ 紧接着的下一个指令的地址开始算，往回跳转两个字节，因为 eb fe 就是两个字节，所以跳回指令本身，造成一个无限循环。

详细不展开，关于 jmp $ 指令，好文一篇。

times 指令

重复执行后面的操作 N 次。在 boot sector 程序中，最后两个字节固定，因此，填充 0 的操作应该进行 times 指令当前的地址，减去段起始地址的结果这么多次。

$ 操作符代表当前指令地址，$$ 代表段起始地址。

pusha popa 指令

调用方法的时候，如果方法不小心修改了寄存器的值，可能会造成意想不到的结果。我们不希望寄存器的值被修改，有一种办法是在调用方法之前，将所欲寄存器的值以及方法的返回地址都 push 到栈中，然后调用结束，再全部 pop 回来。

这样的操作很麻烦，所以 pusha 和 popa 指令，会帮助我们完成这一操作。pusha 在方法中调用一次，会将所有寄存器以及方法返回地址都保存到栈，popa 则执行相反的操作。

print_hex:pusha
...poparet

条件控制指令

看完这篇文章，一切都很清楚

跳转跳转跟在 CMP 指令之后使用，如：

cmp ax, 0x4
je jump_pointjump_point:do_something_here

最常用的是下面几个：

JE 如果相等，跳转
JNE 如果不相等，跳转
JG 如果大于目标，跳转
JGE 如果大于等于目标，跳转
JL 如果小于目标，跳转
JLE 如果小于等于目标，跳转

其他必要的汇编指令

最重要的部分已经讲完了，接下来，用示例代码的方式带过剩余简单的部分。

字符串定义

最后的 0，添加一个 null byte 作为字符串结尾

HELLO:db 'Hello, World', 0GOODBYE:db 'Goodbye', 0

文件包含

关于文件包含，有一个问题还没有解决，就是为什么文件包含要写在 jmp $ 指令之后。我试过将他们放在文件其他地方，确实会发生无法预料的结果。有待研究。

%include "boot_sect_print.asm"
%include "boot_sect_print_hex.asm"

堆栈的使用

关于栈，记住几个点即可。

第一，后进先出（LIFO）；第二，BP 寄存器指向栈底，SP 寄存器指向栈顶；第三，栈从内存高位地址向低位地址增长；第四，push 一个值到栈，SP - 2；pop 一个值出栈，SP + 2

可以使用书中的代码进行理解。

mov ah, 0x0e ; int 10/ ah = 0eh -> scrolling teletype BIOS routine
mov bp, 0x8000 ; Set the base of the stack a little above where BIOS
mov sp, bp ; loads our boot sector - so it won ’t overwrite us.
push 'A' ; Push some characters on the stack for later
push 'B' ; retreival. Note , these are pushed on as
push 'C' ; 16 - bit values , so the most significant byte
; will be added by our assembler as 0 x00.
pop bx ; Note , we can only pop 16 - bits , so pop to bx
mov al, bl ; then copy bl ( i.e. 8- bit char ) to al
int 0x10 ; print (al)
pop bx ; Pop the next value
mov al, bl
int 0x10 ; print (al)
mov al , [0x7ffe ] ; To prove our stack grows downwards from bp ,
; fetch the char at 0 x8000 - 0x2 ( i.e. 16 - bits )
int 0x10 ; print (al)
jmp $ ; Jump forever.
; Padding and magic BIOS number.
times 510 - ($ - $$) db 0
dw 0xaa55

总结

Boot Sector 被 BIOS 加载到 0x7c00 的内存位置
用程序证实了 0x7c00 物理内存位置上，确实是我们的 Boot Sector 程序
寄存器的分类，寄存器的作用
用段寄存器来完成寻找 Boot Sector 前两个字节内容的任务
必要的汇编指令

下一篇，我们将讲解如何读取磁盘数据，之后就要开启我们的 32-bit

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