哈工大操作系统——引导启动程序
写在前面：
亲爱的小伙伴你们好，不知道你有没有在学习操作系统的过程中遇到过这样那样的困难，很多次想要放弃，很多次怀疑自己的能力，但是请你相信“未来的路就在脚下，不要悲伤，不要害怕”，一定要“充满信心，期盼着明天！”。请你一定要相信Tandy12356_，他是未来的你派过来拯救你的救星，他一定会将你带入一段美妙的操作系统学习之旅！
起初我以为自己是玫瑰花，不会表达爱，不会表达自己的感情，所以小王子离开了这座星球，留下我自己。
Tandy12356_小课堂
现在让我们坐上哆啦A梦的时光机，一起穿越回到1991年，那时候Linus还在公司里忙忙碌碌地给资本家打工，我们来尝试一下能不能赶在Linus之前把bootsect.s写出来，说不定现在Linux就应该改名叫Tandy12356_OS呢！
由于在此之前从来没有人成功设计出来如此复杂的操作系统，所以我们必须有一颗清醒的头脑，同时要有大局观和整体观。
同时我们应当清楚地意识到当前的形势，即从计算机上电开始到现在我们都做了哪些工作？
答：目前为止好像什么都没做哎。
好像事实确实如此(；д；)，不过在上集当中，我们已经把引导扇区的内容加载到了内存的0x7C00处，并且将PC指针指向了这段内存的位置，此时此刻这一段程序完全可以正常运行了。所以说呢，在此之前我们需要做的工作就是要好好编写这份引导启动程序即可。
可是到目前为止还存在一个严重的问题，就是虽然我们的引导扇区的内容被加载到了内存当中，而且是实实在在地可以被计算机执行了，但是呢！包括操作系统核心模块在内的我们的一堆模块现在都还在哪里呀？
答：现在包括核心模块在内的操作系统的一堆模块都还让我们撂在磁盘上面，在那里孤零零地呆着呢。所以身先士卒渗透到内存中去打探风声的引导启动程序——bootsect.s需要做的最重要的事情就是要把自家老帅——System模块从磁盘上读入到内存当中。
听到这，同学们便一个个摩拳擦掌，撸起袖子准备大干一场了！可是您先别着急哈，把老帅请到内存当中可不是一件小事，万一出了差错可是掉脑袋的事。因此我们需要做出一些比较具体的规划，比如应该把老帅放到内存的什么位置？
答：这个问题暂时不重要。因为不论将来System模块被放置在内存的哪个位置，我们都需要将bootsect.s移动到高地址处，毕竟到时候内核部分的代码大军压境，规模十分浩大，很有可能在之后把我们的bootsect.s给覆盖掉。所以为了防止灾难发生，聪明的bootsect.s首先需要做的第一件事情就应当是将自己的512个字节腾挪到内存的0x90000处。
Linux0.11/boot/bootsect.s 源码：
BOOTSEG=0x07c0
INITSEG=0x9000
entry start ;关键字entry告诉链接器"程序入口"
start:mov ax,#BOOTSEG ;mov ds,ax ;ds=0x07c0mov ax,#INITSEG ;mov es,ax ;es=0x9000mov cx,#256 ;移动的字数存放在cx当中，此处移动了256个字sub si,si ;清零sub di,di ;清零rep movw ;用于把内容从ds:si 复制es:di 以字位单位 jmpi go,INITSEG ;间接跳转 即程序跳到9000:0 去继续执行 CS=INITSEG，IP=go(偏移地址)
这段代码的功能其实很简单，就是将内存中开始地址为DS:SI的256个字移动到开始地址为ES:DI的地方，这个移动就是解释执行rep movw指定的结果，其中w就是要移动一个字，对应两个字节，所以总共要移动512个字节，这正好是一个扇区的大小。因此这段程序就是将内存0X7C00处的512个字节(正好就是bootsect.s的全部程序)移动到内存0x90000开始的一段内存中，这样移动的作用就是为读入系统核心代码腾出空间，同时避免了自身被覆盖的情况发生。
由于到目前为止bootsect.s在前线孤军作战太久无法立即等来system大军，于是机智的它决定向友军setup.s进行求助，以便将来把系统启动这项宏伟的使命交给下一任年轻的程序来做。可是现在的问题是我们的友军setup.s也仍驻留在磁盘当中，因此bootsect需要做的第二件事毫无疑问就是将setup.s从磁盘读入到内存当中。
Linux0.11/boot/bootsect.s 源码：
SETUPLEN=4
go: mov ax,csmov ds,axmov es,ax
! put stack at 0x9ff00.mov ss,axmov sp,#0xFF00 ! arbitrary value >>512! load the setup-sectors directly after the bootblock.
! Note that 'es' is already set up.load_setup:mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEGmov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectorsint 0x13 ! read itjnc ok_load_setup ! ok - continuemov dx,#0x0000mov ax,#0x0000 ! reset the disketteint 0x13下面继续由Tandy小熊来带领大家一起分析一下这段代码吧！
首先我们需要明确：这段代码的核心是语句是什么？
答："int0x13"，即调用0x13号中断。这是一个BIOS中断，（BIOS的每项输入输出功能，都·是以中断调用的形式提供给用户的）查阅BIOS手册不难发现，这是一个读写磁盘的中断调用。因此我们不难想到，这段代码就是用来从磁盘上读入操作系统的setup模块。
具体调用0x13号中断时，寄存器AH=0x02表示要读磁盘的内容到内存，寄存器AL=0x04表示要读入4个扇区，寄存器CL=0x02表示要读的磁盘扇区从2号扇区开始,寄存器CH=00表示要读的磁盘扇区所在的柱面号为0，寄存器DH=0x00表示要读的磁盘扇区所在的磁头号为0，寄存器DL=0x00表示要读扇区所在的驱动号为0，寄存器ES：BX合在一起形成的内存地址表示要从磁盘读入的内容要放到的内存起始地址，此处是0x90200正好是移动到bootsect.s的后面。因此这段代码的含义就是将0号驱动器中从0号柱面0号磁头2号扇区开始的4个扇区读入到内存当中，放到bootsect.s后面。这4个扇区的内容又是什么？这也是操作系统要编写的另外一个重要的文件，即setup.s。
OK，下面我们来一起梳理一下，到目前为止的启动过程。
1) BIOS读入操作系统的第1个扇区bootsect.s文件，然后执行bootsect.s文件.
2) bootsect.s继续读入操作系统的setup.s文件，将来交给setup.s来执行，在其中会完成一些操作系统设置的工作。
3) 接下来bootsect.s还要读入操作系统的主体模块system，setup.s执行完后，就开始正式执行我们的系统模块system当中的代码了。
到现在我们对操作系统引导已经有了一个初步认识，概括起来一句话：就是将操作系统对应的程序代码读入到内存的指定位置。
OKOK，到现在我们可以说已经做了许多了不起的事情了，可是到目前为止我们还没有看到自己写的操作系统给自己做出过什么回应，谁知道这孩子是不是亲生的呢？所以我们需要在屏幕上输出一些信息证明这真的是我们自己写的系统，当然了最重要的是给用户一个提示，还记得我们在上集中提到的BIOS自检吗？也就是说如果我们能够在显示器上打印出来我们自己的Logo，就说明这台计算机的硬件设备是完好无损的，只需要对自己的软件系统进行检查就好了！
下面就由Tandy小熊带领大家一起来分析一下如何打印出这个Logo吧!
这将是我们在自己的计算机上做出的第一个伟大创举！
Linux0.11/boot/bootsect.s源码：
ok_load_setup:! Print some inane messagemov ah,#0x03 ! read cursor posxor bh,bhint 0x10mov cx,#24mov bx,#0x0007 ! page 0, attribute 7 (normal)mov bp,#msg1mov ax,#0x1301 ! write string, move cursorint 0x10sectors:.word 0msg1:.byte 13,10.ascii "Loading system ...".byte 13,10,13,10.org 508
root_dev:.word ROOT_DEV
boot_flag:.word 0xAA55首先我们仍然需要明确：这段代码的核心是语句是什么？
答：这段代码主要调用了BIOS的int 0x10号中断。
该中断的作用是在屏幕上输出信息，当用寄存器AH=0x03(AH中的值通常被称为BIOS的调用功能号)来调用BIOS中断0X10时，会取出当前光标的位置，之后再调用BIOS中断int 0x10时就会在屏幕上输出信息，其中ES:BP用来说明输出字符串所在的内存地址，DH,DL给出屏幕输出的光标位置.。
语句"mov bp #msg"告诉BIOS要输出的信息位置放在标号为msg的地方，根据定义就是一段包括"Loading system..."和3对13，10在内的24个字符，当然ES应当设置成合适的段地址，此处的ES应该是0x9000，"mov cx,#24"语句表示要显示24个字符，寄存器BL=0x07用来设置字符的属性，其中7表示显示正常的黑底白字，当然可以通过修改这个值来显示出红底或者闪烁效果等。
现在屏幕上会输出"Loading system..."当然是夹在两个回车换行之间，如果通过精心设计，还可以在屏幕上输出各种漂亮的图案，比如windows的窗口。因此到现在为止，我们就知道了计算机的开机界面是从哪里来的了。
等下，俺狼人杀的身份是不是暴露了？^_^
Loading system...顾名思义，接下来就是要从磁盘上读入操作系统的主体部分，但是在读取之前要获得一些磁盘参数，比如每个磁道上的扇区个数等。因为现在要读的内容通常要比一个磁道的容量大得多，所以需要应用这些参数计算出所需要读取的磁道数量等。下面的代码就是要通过功能号AH=0x08来调用0x13号BIOS中断，从而获取每个磁道的扇区个数。
！获取磁道容量mov dl,#0x00mov ah,#0x08int 0x13mov ch,#0x00and cl,#0x3Fmov sectors,cxsectors: .word 0接下来的工作是设置ES:BX，这个内存地址是用来存放从磁盘中读出的内容，因此下面的代码段设置了操作系统的主体代码在内存当中的开始位置。此处设置为0x10000，实际上bootsect.s从0x7C00处移动到0x90000处，就是为这里读入系统主体部分代码腾出空间的！
SYSSEG=0x1000mov ax,#SYSSEGmov es,axxor bx,bx一切准备就绪以后，现在开始要真正读入系统模块的代码了，虽然看起来很长，但是实际上它的核心功能却很简单，就是利用一个循环实现一个磁道一个磁道地读入，同时磁道的读入地址ES：BX跟着不断地往前移动，直到系统模块被全部读入。因此循环条件就是要判断AX是否大于ENDSEG=SYSSEG+SYSSIZE，由于AX初始化为SYSSIZE，所以如果AX增加了SYSSIZE即系统模块尺寸以后，磁盘读取工作就结束了，而SYSSIZE是在编写操作系统的时候候写在bootsect.s里面的。
Linux0.11/boot/bootsect.s源码：
read_it:mov ax,estest ax,#0x0fff
die: jne die ! es must be at 64kB boundaryxor bx,bx ! bx is starting address within segment
rp_read:mov ax,escmp ax,#ENDSEG ! have we loaded all yet?jb ok1_readret
ok1_read:seg csmov ax,sectorssub ax,sreadmov cx,axshl cx,#9add cx,bxjnc ok2_readje ok2_readxor ax,axsub ax,bxshr ax,#9
ok2_read:call read_track
sread: .word 1+SETUPLEN ! sectors read of current track
head: .word 0 ! current head
track: .word 0 ! current track至此，bootsect.s的核心功能我们基本上已经实现了！
下面让Tandy小熊带领大家来回顾一下bootsect.s都做了哪些事吧^_^
1） 首先将自身移动到内存的绝对地址0X90000处并继续执行
2）然后利用BIOS int 0x13号中断，将磁盘上第2个扇区开始的4个扇区的即setup模块加载到内存紧挨着bootsect.s后面
3）紧接着在屏幕上打出"Loading system..."字符串，用来提示用户硬件检测通过
4）最后在磁盘上再把setup模块后面的System的一堆模块加载到内存0x10000处
下面我们的操作系统应该执行什么操作，相信大家应该都能推测出来了吧。
没错！到目前为止bootsect.s已经将系统启动的接力棒传递给了setup模块，毫无疑问下面很快就要跳转到setup.s进行执行操作，至此bootsect.s全面退出了历史的舞台。
OK，今天的学习就要告一段落了，以后Tandy小熊可能也要忙于自己的学业啦，文章更新速度可能会有所减慢^_^，不过如果大家喜欢小熊的文章，也可以私信小熊来催更呢！！！
写在后面：
不知道大家有没有喜欢Tandy12356_的文章呢？ ( ･´ω`･ )，如果喜欢的话希望大家能点个关注或者收藏的啦！
在这里给大家预告下期内容啦：随着bootsect.s退出历史舞台，一段年轻的程序setup.s已经跃跃欲试地要去干一番事业了。在下一回当中Tandy小熊会带大家一起追踪setup.s的足迹，以第一人称视角感受下setup.s到底为我们的OS加载做出了什么重大的贡献并为大家揭露这段年轻程序的一些不为人知的秘密！
如果大家喜欢的话，可不可以给个支持呢，您的点赞收藏就是Tandy小熊创作下去的动力捏！！
( • ̀ω•́ )✧( • ̀ω•́ )✧( • ̀ω•́ )✧
后记：
以下是Linux0.11/boot/bootsect.s的全部源码：
!
! SYS_SIZE is the number of clicks (16 bytes) to be loaded.
! 0x3000 is 0x30000 bytes = 196kB, more than enough for current
! versions of linux
!
SYSSIZE = 0x3000
!
! bootsect.s (C) 1991 Linus Torvalds
!
! bootsect.s is loaded at 0x7c00 by the bios-startup routines, and moves
! iself out of the way to address 0x90000, and jumps there.
!
! It then loads 'setup' directly after itself (0x90200), and the system
! at 0x10000, using BIOS interrupts.
!
! NOTE! currently system is at most 8*65536 bytes long. This should be no
! problem, even in the future. I want to keep it simple. This 512 kB
! kernel size should be enough, especially as this doesn't contain the
! buffer cache as in minix
!
! The loader has been made as simple as possible, and continuos
! read errors will result in a unbreakable loop. Reboot by hand. It
! loads pretty fast by getting whole sectors at a time whenever possible..globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss
.text
begtext:
.data
begdata:
.bss
begbss:
.textSETUPLEN = 4 ! nr of setup-sectors
BOOTSEG = 0x07c0 ! original address of boot-sector
INITSEG = 0x9000 ! we move boot here - out of the way
SETUPSEG = 0x9020 ! setup starts here
SYSSEG = 0x1000 ! system loaded at 0x10000 (65536).
ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE ! where to stop loading! ROOT_DEV: 0x000 - same type of floppy as boot.
! 0x301 - first partition on first drive etc
ROOT_DEV = 0x306entry _start
_start:mov ax,#BOOTSEGmov ds,axmov ax,#INITSEGmov es,axmov cx,#256sub si,sisub di,direpmovwjmpi go,INITSEG
go: mov ax,csmov ds,axmov es,ax
! put stack at 0x9ff00.mov ss,axmov sp,#0xFF00 ! arbitrary value >>512! load the setup-sectors directly after the bootblock.
! Note that 'es' is already set up.load_setup:mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEGmov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectorsint 0x13 ! read itjnc ok_load_setup ! ok - continuemov dx,#0x0000mov ax,#0x0000 ! reset the disketteint 0x13j load_setupok_load_setup:! Get disk drive parameters, specifically nr of sectors/trackmov dl,#0x00mov ax,#0x0800 ! AH=8 is get drive parametersint 0x13mov ch,#0x00seg csmov sectors,cxmov ax,#INITSEGmov es,ax! Print some inane messagemov ah,#0x03 ! read cursor posxor bh,bhint 0x10mov cx,#24mov bx,#0x0007 ! page 0, attribute 7 (normal)mov bp,#msg1mov ax,#0x1301 ! write string, move cursorint 0x10! ok, we've written the message, now
! we want to load the system (at 0x10000)mov ax,#SYSSEGmov es,ax ! segment of 0x010000call read_itcall kill_motor! After that we check which root-device to use. If the device is
! defined (!= 0), nothing is done and the given device is used.
! Otherwise, either /dev/PS0 (2,28) or /dev/at0 (2,8), depending
! on the number of sectors that the BIOS reports currently.seg csmov ax,root_devcmp ax,#0jne root_definedseg csmov bx,sectorsmov ax,#0x0208 ! /dev/ps0 - 1.2Mbcmp bx,#15je root_definedmov ax,#0x021c ! /dev/PS0 - 1.44Mbcmp bx,#18je root_defined
undef_root:jmp undef_root
root_defined:seg csmov root_dev,ax! after that (everyting loaded), we jump to
! the setup-routine loaded directly after
! the bootblock:jmpi 0,SETUPSEG! This routine loads the system at address 0x10000, making sure
! no 64kB boundaries are crossed. We try to load it as fast as
! possible, loading whole tracks whenever we can.
!
! in: es - starting address segment (normally 0x1000)
!
sread: .word 1+SETUPLEN ! sectors read of current track
head: .word 0 ! current head
track: .word 0 ! current trackread_it:mov ax,estest ax,#0x0fff
die: jne die ! es must be at 64kB boundaryxor bx,bx ! bx is starting address within segment
rp_read:mov ax,escmp ax,#ENDSEG ! have we loaded all yet?jb ok1_readret
ok1_read:seg csmov ax,sectorssub ax,sreadmov cx,axshl cx,#9add cx,bxjnc ok2_readje ok2_readxor ax,axsub ax,bxshr ax,#9
ok2_read:call read_trackmov cx,axadd ax,sreadseg cscmp ax,sectorsjne ok3_readmov ax,#1sub ax,headjne ok4_readinc track
ok4_read:mov head,axxor ax,ax
ok3_read:mov sread,axshl cx,#9add bx,cxjnc rp_readmov ax,esadd ax,#0x1000mov es,axxor bx,bxjmp rp_readread_track:push axpush bxpush cxpush dxmov dx,trackmov cx,sreadinc cxmov ch,dlmov dx,headmov dh,dlmov dl,#0and dx,#0x0100mov ah,#2int 0x13jc bad_rtpop dxpop cxpop bxpop axret
bad_rt: mov ax,#0mov dx,#0int 0x13pop dxpop cxpop bxpop axjmp read_track!/*
! * This procedure turns off the floppy drive motor, so
! * that we enter the kernel in a known state, and
! * don't have to worry about it later.
! */
kill_motor:push dxmov dx,#0x3f2mov al,#0outbpop dxretsectors:.word 0msg1:.byte 13,10.ascii "Loading system ...".byte 13,10,13,10.org 508
root_dev:.word ROOT_DEV
boot_flag:.word 0xAA55.text
endtext:
.data
enddata:
.bss
endbss:
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