全面剖析《自己动手写操作系统》第四章---加载Loader.bin

全面剖析《自己动手写操作系统》第四章--FAT12文件系统 http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7284834

1、突破512字节的限制

2、加载Loader进入内存

一、突破512字节的限制

一个操作系统从开机到开始运行，大致经历"引导—》加载内核入内存—》跳入保护模式—》开始执行内核"这样一个过程。也就是说，在内核开始执行之前不但要加载内核，还要准备保护模式等一系列工作，如果全部交给引导扇区来做，512字节很可能不够用，所以，不放把这个过程交给另外的模块来完成，我们把这个模块叫做Loader。引导扇区负责把Loader加载如内存并且把控制权交它，其他的工作放心地交给 Loader来做，因为它没有512字节的限制，将会灵活很多。

二、加载Loader进入内存

上一节我们已经详细介绍了FAT12文件系统的数据结构，下面我们需要思考的是两个问题：1、引导扇区通过怎样的步骤才能找到文件；2、如何能够把文件内容全都读出来并加载进入内存。

下面我们先解决第一个问题：

1、如何读取软盘？

(1) 我们需要使用BIOS中断int 13h来读取软盘。它的用法如下表所示：

在这里我们只介绍了2种工作方式，中断int 13h还有其他的工作方式，如果需要可以自行查看内容。

(2) 由上表我们可以知道：当读取某些扇区时，需要柱面（磁道）号(ch)，起始扇区号(cl)，磁头号(dh)。我们如何通过计算得到这些数据呢？

(3) 现在万事俱备只欠东风了，下面我们就书写读取软盘扇区的函数ReadSector。

首先我们要知道该函数需要什么参数，这些参数存储在什么位置？

参数1：扇区号，存储在ax中

参数2：要读取扇区的个数，存储在cl中

参数3：数据缓冲区，即读取扇区数据后，将其存储在什么位置，用es:bx指向该缓冲区。

即函数的作用：从第ax个Sector开始，将cl个Sector读入es:bx中。

;-----------------------------------------------------------------------
;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;辟出两个字节的堆栈区间保存要读取的扇区数：byte[bp-2]push bpmov bp, spsub esp, 2         mov byte[bp-2], cl      ;将参数cl，存储在byte[bp-2]，将要读取扇区的个数。push bx                ;保存bx，因为下面要使用bx进行计算。mov bl, [BPB_SecPerTrk]      ;bl:除数=18;ax存储的是扇区号，bl是每磁道扇区数，执行ax/bl=al----ah，;即商y在al中，商z在ah中。div bl             inc ah              ;ah(z)++，即起始扇区号=z+1,mov cl, ah           ;将ah值赋值给cl,中断int 13h中，cl保存的恰好是起始扇区号mov dh, al            ;将al(y)，赋值给dhshr al, 1           ;对al(y)进行右移一位，即得到柱面号=y>>1，mov ch, al           ;然后将al赋值给ch，在中断int 13h中，ch保存着柱面(磁道)号and dh, 1         ;将dl(y)进行&1运算，即得到磁头号=y&1，在中断int 13h中，dh保存着;磁头号pop bx              ;恢复bx值;到此为止，“柱面(磁道)号(ch)，起始扇区号(cl)，磁头号(dh)，缓冲地址(es:bx)”全部准备就绪mov dl, [BS_DrvNum]        ;在中断int 13中，dl保存着驱动器号。此时dl=[BS_DrvNum]=0
.GoOnReading:;下面对ah,al进行赋值，ah=2,al=要读取的扇区数，前面将参数cl存储在byte[bp-2]，现在从这里重新获取;并赋值给al。mov ah, 2mov al, byte[bp-2];中断int 13一切准备就绪，然后执行int 13int 13hjc   .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          ;恢复堆栈pop bpret

2、如何在软盘中寻找Loader.bin文件

(1) 结合上一节所介绍的FAT12数据结构，从中我们可以知道，要寻找一个文件，首先需要在根目录区中寻找该文件的根目录条目；然后根据根目录条目获取文件开始簇数（也就是在数据区中存储的扇区）；最后读取文件内容到内存。

(2) 嗯，是的，下面就让我们来完成第一步-----在根目录区中寻找该文件的根目录条目。

让我们开始思考这个问题，

首先要知道根目录区的开始扇区号是19，也就是说从第19扇区开始，根目录区占用扇区总数为14，也就是说，如果不能发现Loader.bin，需要将14个扇区都进行查找，于是需要一个大的循环在外围，控制着扇区的读取。

紧接着，我们每读取一个扇区，一个扇区是512个字节，一个根目录条目占32个字节，故一个扇区中存在512/32=16个根目录条目，所以需要添加一个循环，控制根目录条目的变化，从0—16进行循环。

最后，针对每一个根目录条目，我们只是要比较文件名，一个根目录条目的文件名占用11个字节，所以需要对每一个字节与"LOADER BIN"中的每一个字节进行比较，所以还是要添加一个循环，来控制字符的变化，即从0—11.

用C语言来表示该问题就是：

for( i = 根目录区的起始扇区号(19); i < 根目录区占有的扇区数(14); i++) {

for( j = 0;j < 一个扇区内存储的根目录条目个数(512/32=16); j++) {

for(k =0; k < 根目录条目中文件名占用的空间(11个字符); k++) {

if(k=10)jmp LABEL_FILENAMEFOUND

if(ds:si= es:di) si++; di++;

else break;

}

(3) 下面让我们来分析代码：

首先需要介绍下面可能需要用到的几个变量值:

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(BPB_RootEntCnt*32+511)/512

SectorNoOfRootDirectory equ 19 ;Root Directory 的第一个扇区号

;变量

wRootDirSizeForLoop dw RootDirSectors ;Root Directory占用的扇区数，在循环中会递减至0

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

  ;调用中断int 13h，实现软驱复位xor ah, ahxor dl, dlint 13h   ;下面在A盘的根目录中寻找LOADER.BIN;wSectorNo表示要读取的扇区号，SectorNoOfRootDirectory;表示根目录区的开始扇区号=19mov word[wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:;wRootDirSizeForLoop=RootDirSectors，表示根目录占用的扇区数，即表示要读取的扇区数；也就是;最外部循环中的控制变量(相当于i)。;判断根目录区所有扇区是不是已经读取完毕，如果读完表示没有找到LOADER.BIN，;跳入到LABEL_NO_LOADERBIN，否则，减1。cmp word[wRootDirSizeForLoop], 0jz LABEL_NO_LOADERBIN          dec word[wRootDirSizeForLoop];为ReadSector函数准备参数，从第ax个Sector开始读，将cl个Sector读入es:bx中mov ax, BaseOfLoadermov es, ax       ;es<-BaseOfLoadermov bx, OffsetOfLoader  ;bx<-OffsetOfLoader,于是es:bx=BaseOfLoader:OffsetOfLoadermov ax, [wSectorNo]  ;ax<-Root Directory中的某Sector号，表示要读取的扇区号mov cl, 1      ;cl表示要读取扇区个数=1call ReadSector;调用ReadSector函数之后，es:bx将存储该扇区数据。mov si, LoaderFileName ;ds:si->"LOADER  BIN"mov di, OffsetOfLoader    ;es:di->BaseOfLoader:OffsetOfLoader=es:bx;即es:di指向存储的该扇区数据cld;一个扇区是512个字节，一个根目录项占32个字节，故512/32=16，因此需要比较16个根目录项的文件名，;故赋值dx=16，由dx来控制循环次数mov dx, 10h
LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN:;判断dx是否为0，0意味着这个扇区内的所有根目录项进行比较完毕，然后跳入到下一个扇区，继续进行比较，;dx=0,则跳入LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR；否则，dx--cmp dx, 0jz LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR  dec dx;一个根目录项的文件名占用11个字节，故必须对其每个字节与"LOADER  BIN"一一对比;故赋值cx=11，由cx来控制循环次数mov cx, 11
LABEL_CMP_FILENAME:cmp cx, 0jz LABEL_FILENAME_FOUND ;如果cx=0,意味着11个字符都相等，表示找到，跳转到LABEL_FILENAME_FOUNDdec cx           ;否则，cx--lodsb            ;ds:si->al,ds:si指向的是字符串"LOADER  BIN"cmp al, byte[es:di]    ;进行一个字符的比较，如果相等，则比较下一个字符，jz LABEL_GO_ON        ;跳入到LABEL_GO_ONjmp LABEL_DIFFERENT  ;只要发现有一个不相等的字符就表明本Directory Entry不是我们要;找的LOADER.BIN，跳转到LABEL_DIFFERENT，进如下一个Directory Entry比较。
LABEL_GO_ON:            inc di          ;将di++，进行一个字符的比较。jmp LABEL_CMP_FILENAME    ;跳转到LABEL_CMP_FILENAME，继续进行文件名比较。LABEL_DIFFERENT:;di&=E0是为了让它指向本条目开头，di初始化为某个条目开头，;在比较过程中，会将它不断增1，当失败之后，必须进行重新初始化;因为一个条目占用32个字节，故and di,0FFE0h   add di, 20h;之后，di就指向了下一个条目and di, 0FFE0h              add di, 20h ;重新初始化si,使其指向"LOADER  BIN"的开始位置mov si, LoaderFileName         jmp LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN  ;跳转到LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBINLABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:   add word[wSectorNo], 1      ;将要读取的扇区号+1，进行下一个扇区的比较jmp LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN    ;跳转到LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN，开始一个扇区的比较;如果最后没有找到"LOADER   BIN"，则显示“NO LOADER”字符串来表示。
LABEL_NO_LOADERBIN:mov dh, 2                ;"NO LOADER"call DispStr              ;显示字符串
%ifdef  _BOOT_DEBUG_mov dh, 2               ;"NO LOADER"call DispStr              ;显示字符串mov ax, 4C00hint 21h                  ;没有找到LOADER.BIN，返回到DOS
%else   jmp $                   ;没有找到LOADER.BIN，死循环在这里
%endif;如果找到"LOADER   BIN"，则跳转到LABEL_FILENAME_FOUNT，然后进行第二步骤，从;Directory Entry中读取文件在数据区的开始簇号。
LABEL_FILENAME_FOUND:

(4) 对上面这段代码画出它的简易流程图如下：

3、如何将Loader.bin文件加载到内存？

现在我们已经有了Loader.bin的起始扇区号，我们需要用这个扇区号来做两件事情：一件是把起始扇区装入内存，另一件则是通过它找到FAT中的项，从而找到Loader占用的其余所有扇区。

此时装入一个扇区对我们来说已经是很轻松的事了，可从FAT中找到一个项还是多少有些麻烦，下面我们就根据扇区号去FAT表中找到相应的项。在这里，将要写一个函数GetFATEntry，函数的输入就是扇区号(ax)，输出则是其对应的FAT项的值(ax)。

我们一起来思考这个函数如何去实现，我们知道了扇区号x，然后我们去FAT1中寻找x所对应的FATEntry，我们已经知道一个FAT项占1.5个字节。所以我们用x*3/2=y………z，y为商（偏移量)（字节），相对于FAT1的初始位置的偏移量；Z为余数（0或者1），是判断FATEntry是奇数还是偶数，0表示偶数，1表示奇数。然后我们让y/512=m………n，m为商，n为余数，此时m为FATEntry所在的相对扇区，n为在此扇区内的偏移量（字节）。因为FAT1表前面还有1个引导扇区，所以FATEntry所在的实际扇区号为m+1。然后读取m+1和m+2两个扇区，然后在偏移n个字节处，取出FATEntry，相当于读取两个字节。此时再利用z，如果z为0的话，此FAT项为前一个字节和后一个字节的后4位，如果z为1的话，此FATEntry取前一个字节的前4位和后一个字节。

下面我们实现GetFATEntry函数，函数的输入就是扇区号，输出则是其对应的FATEntry的值。

;-----------------------------------------------------
;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es:bx处，
;   所以函数一开始保存了es和bx
GetFATEntry:push espush bxpush ax;在BaseOfLoader后面留出4K空间用于存放FATmov ax, BaseOfLoadersub ax,0100hmov es, ax    ;此时es-> (BaseOfLoader - 100h)pop ax      ;ax存储的是要读取的扇区号mov byte[bOdd], 0;ax是要读取的扇区号，如何获得该扇区号在FAT1中的FATEntry;因为每个FATEntry占有1个半字节，所以计算ax*3/2，找到该FATEntry所在FAT1中的偏移量mov bx, 3mul bxmov bx, 2div bx     ;ax*3/2=ax...dx,商为ax表示该FATEntry在FAT1中的偏移量，dx的值为(0或者1)，;0表示该FATEntry为偶数，1表示该FATEntry为奇数，cmp dx, 0jz LABEL_EVEN;我们使用byte[bOdd]来保存dx的值，也就是该FATEntry是奇数项还是偶数项。mov byte[bOdd], 1
LABEL_EVEN:xor dx, dx   ;此时ax中保存着FATEntry在FAT1中的偏移量，下面来计算FATEntry;在哪个个扇区中(FAT1占用9个扇区)。;ax/BPB_BytsPerSec=ax/512=ax...dx，商ax存储着该FATEntry所在FAT1表的第几个扇区，;余数dx保存着该FATEntry在该扇区内的偏移量。mov bx, [BPB_BytsPerSec]div bx       push dx     ;将dx存储在堆栈中.mov bx, 0    ;es:bx=(BaseOfLoader-100):00=(BaseOfLoader-100h)*10h;我们知道ax是FATEntry所在FAT1中的相对扇区，而FATEntry所在的实际扇区，需要加上;FAT1表的开始扇区号，即加1，之后ax就是FATEntry所在的实际扇区add ax, SectorNoOfFAT1            mov cl, 2;读取FATEntry所在的扇区，一次读2个，避免在边界发生错误，;因为一个FATEntry可能跨越两个扇区call ReadSector     ;从堆栈中弹出dx，FATEntry所在扇区的偏移量，将其与bx相加，此时es:bx指向的是该FATEntry所占用;的两个字节空间pop dxadd bx, dx;读取该FATEntrymov ax, [es:bx];下面是对bOdd进行判断，如果其为0，则表示FATEntry为偶数，此时需要取byte1和byte2的后4位，;由于在80x86下，从内存中读取数据之后，byte2在前，byte1在后。;所以当FATEntry为偶数时，需要将ax&0FFF，将byte2的前4位置0.;反之，如果bOdd为1，则表示FATEntry为奇数，此时需要取得byte1中的前4位和byte2.;所以，需要将ax右移4位，将byte1的后四位移除。cmp byte[bOdd], 1jnz   LABEL_EVEN_2shr ax, 4
LABEL_EVEN_2:and ax, 0FFFh;此时ax存储的是FATEntry的值
LABEL_GET_FAT_ENTRY_OK:pop bxpop esret
;--------------------------------------------------------------------

下面我们开始加载Loader.bin进入内存。

首先我们从根目录区中的Loader.bin的条目，获取文件的起始扇区号，然后加上BPB_RsrvSecCnt+BPB_FATSz16*2-2+RootDirSectors=1+（9*2）+14-2=31,，其中DeltaSectorNo=BPB_RsrvSecCnt+BPB_FATSz16*2-2=17。得到的结果才是文件的实际的起始扇区。获得起始扇区后，我们就可以调用ReadSector来读取扇区了。然后从FAT1表中获取FATEntry的值，判断是否为0FFFh，如果是，结束加载；如果不为0FFFh，意味着该文件没有读取完成，需要读取下一个扇区，此时的FATEntry的值，就是下一个扇区号，再将其转换为实际扇区号，再进行读取。

下面是函数的实现和注释

LABEL_FILENAME_FOUND:         ;找到了LOADER.BIN后便来到这里继续mov ax, RootDirSectors        ;根目录区所占用扇区数=14and di, 0FFE0h           ;di->当前Directory Entry的开始位置add di, 01Ah          ;di->此条目对应的开始簇号，DIR_FstClusmov cx, word[es:di]        ;将开始簇号存储在寄存器cx中push cx              ;将cx入栈;实现cx+RootDirSectors+DeltaSectorNo之后，此时cx保存着文件的实际开始扇区号，;即数据区内的扇区add cx, ax            add cx, DeltaSectorNo           mov ax, BaseOfLoadermov es, axmov bx, OffsetOfLoader        ;es:bx=BaseOfLoader:OffsetOfLoadermov ax, cx           ;ax表示要读取的扇区号LABEL_GOON_LOADING_FILE:push axpush bxmov ah, 0Ehmov al, '.'mov bl, 0Fhint 10h                pop bxpop ax;每读一个扇区就在”Booting   “后面打一个点，形成这样的效果:Booting......;继续为ReadSector函数的参数做准备，cl=1，表示要读取一个扇区mov cl, 1       call ReadSectorpop ax       ;读完一个扇区之后，然后重新读取此Sector在FAT中的序号call GetFATEntry  cmp ax, 0FFFhjz LABEL_FILE_LOADED   ;如果读取的FAT值为FFF，表示该扇区为该文件的最后一个扇区，;因此结束加载，也就是加载成功;如果读取的FAT表中的值不是FFF，则表示还有扇区，故保存下一个扇区序号push ax      mov dx, RootDirSectorsadd ax, dxadd ax, DeltaSectorNoadd bx, [BPB_BytsPerSec];为call ReadSector的参数做准备，es:bx表示要缓存的地址，;ax表示要读取的扇区号=DirEntry中的开始Sector号+根目录占用Sector数目+DeltaSectorNo;进入下一次循环。jmp LABEL_GOON_LOADING_FILELABEL_FILE_LOADED:mov dh, 1             ;"Ready."call DispStr             ;显示字符串

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