[操作系统] 操作系统真相还原读书笔记二:编写MBR主引导记录

BIOS

实模式下1MB内存布局

Intel 8086 有 20 条地址线,故其可以访问山西的内存空间,即 2 的 20 次方=1048576=1MB,地址范围若按16进制来表示是0x000000xFFFFF,该1MB内存布局如下图所示:

这里写图片描述

其中内存地址 0x00000~ x9FFFF 的空间范围是 640KB,这片地址对应到了 DRAM,也就是插在主板 上的内存条。顶部的 0xF0000~ 0xFFFFF,这 64KB的地址对应的是 ROM,该 ROM里面存的就是 BIOS 的代码。BIOS 的主要工作是检测、初始化硬件,硬件自己提 供了一些初始化的功能调用, BIOS 直接调用即可。此外BIOS 还建立了中断向量表,这样 就可以通过 int 中断号来实现相关的硬件调用。

BIOS是如何被执行的?

在开机的一瞬间,也就是接电的一瞬间, CPU 的 CS: ip寄存器被强制初始化为 OxFOOO: OxFFFO,由于开机的时候处于实模式,实模式下段基址乘以16(即二进制下左移4位,16进制下”左移”一位)即得到物理地址,也就是在开机的一瞬间,CPU会跳转到物理地址(0xF000*16+0xFFF0=)0xFFFF0处执行,而结合实模式下内存布局我们知道地址0xFFFF0处就是BIOS的入口地址。而地址范围0xFFFF0~0xFFFFF处的内容是一条跳转指令jmp far f000: e05b,该跳转指令强制将CS:ip寄存器的值设为0xF000:0xE05B,即CPU会跳转到地址(0xF000左移四位+0xE05B=)0xFE05B处执行,结合实模式下1MB内存布局图,我们知道地址0xFE05B处是BIOS真正的地址,也就是接下来CPU才是执行真正的BIOS程序,BIOS检测内存、显卡等外设信息,当检测通过,并初始化硬件后,开始在内存0x000~0x3FF建立数据结构、中断向量表IVT并填写中断例程。

BIOS如何加载MBR?

BIOS的最后一项工作是检测硬盘中位于0磁盘0磁道1扇区大小为512字节的最后2个字节是否为0x550xaa,如果是的话便认为该扇区中存在可执行程序,并将该扇区(512字节大小)内容加载到内存物理地址0x7C00处,然后执行jmp 0:0x7c00指令,CPU跳转到地址(0x0左移四位+0x7c00=)0x7c00处执行MBR程序。

编写MBR程序,向屏幕输出内容

如下所示为演示的MBR程序,代码路径为Myos/chapter1/boot/mbr.S:

;Myos/chapter1/boot/mbr.S
;主引导程序
;BIOS刚跳转到MBR时,CS:ip寄存器值为0x0:0x7c00
;
SECTION MBR vstart=0x7c00   ;告诉编译器,把这段程序的起始地址编译为0x7c00,将来BIOS会将这段程序加载到物理地址0x7c00处
    mov ax,cs               ;将ds,es,fs初始化为0
    mov ds,ax
    mov es,ax
    mov fs,ax
    mov sp,0x7c00           ;MBR被加载到0x7c00地址处,0x7c00地址往下的内存空间可以作为MBR运行时所需要的栈空间(栈顶指针往下增长)
    mov ax,0xb800           ;借助ax寄存器设置显存段基址
    mov gs,ax

;清屏
;利用0x06号功能,上卷全部行,即可清屏
;---------------------------------------------------------------
;INT 0x10    功能号:0x06    功能描述:上卷窗口
;---------------------------------------------------------------
;输入:
;AH 功能号= 0x06
;AL = 上卷的行数(如果为0,表示全部)
;BH = 上卷行的属性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)的位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)的位置
;无返回值:
    mov ax, 0600h
    mov bx, 0700h
    mov cx, 0       ; 左上角(0,0)
    mov dx, 184fh   ; 右下角(80,25)
                    ; VGA文本模式中,一行只能容纳80个字符,共25行,
                    ; 下标从0开始,所以0x18=24,0x4f=79
    int 10h     ; 调用0x10中断例程

;输出背景色绿色,前景色红色,并且跳动的字符串"1 MBR"
    mov byte [gs:0x00], '1'     ; 从显存地址 0xb8000 开始,每两个字节为一组,低字节保存数据内容,即字符的ASCII值
    mov byte [gs:0x01], 0xA4    ; 高字节保存显示的属性,低四位控制前景色,高四位控制背景色

    mov byte [gs:0x02], ' '
    mov byte [gs:0x03], 0xA4

    mov byte [gs:0x04], 'M'
    mov byte [gs:0x05], 0xA4

    mov byte [gs:0x06], 'B'
    mov byte [gs:0x07], 0xA4

    mov byte [gs:0x08], 'R'
    mov byte [gs:0x09], 0xA4

    jmp $                   ; 通过死循环使程序停止在这个位置

    times 510-($-$$) db 0   ; 用0填充0磁盘0磁道1扇区512字节剩下的空间,$是当前行的位置,$$是文件起始
    db 0x55, 0xaa           ; 512字节的MBR最后两字节是0x55和0xaa                                   

从实模式下1MB内存布局得知,地址范围0xb8000~0xb8ffff是文本模式下显示适配器的地址,即文本模式下显存的地址空间,往该地址空间写入数据的ASCII值就会向屏幕输出对应的字符串,每两个字节为一组,低字节保存字符的ASCII值,高字节保存显示的属性,这两字节的各位信息如下图所示:

这里写图片描述

编译代码:

nasm -o mbr.bin mbr.S

用dd命令将编译好的mbr.bin写入虚拟硬盘:

dd if=./mbr.bin of=~/MySoft/bochs2.6/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc

到bochs安装目录启动bochs:

bin/bochs -f bochsrc

运行结果如下所示:

这里写图片描述

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