二. 编写mbr，让机器启动起来

发表于 | 更新于 | 分类于

mbr简介

大家都知道，在我们按下电脑电源的时候，首先启动的BIOS(基本输入输出系统)，那么BIOS又是如何被启动的呢，谁来唤醒他呢，它又在何处运行呢。要了解这些的话，首先得介绍一下我们实模式的内存布局

实模式的内存布局

mark

图中的内容我们现在只需要关注红色框出来的地方，可以看到BIOS的入口地址处只有16BYTE的空间，很显然，这一小块空间肯定存放的不是数据，只能是指令了，图中也写的很明显了

1
jmp f000:e05b

也就是跳转到了(f000 << 4) + e05b = fe05b处，这里的段基址左移四位的原因是，在实模式下段基址寄存器只有16位，想一下，16位的寄存器最多访问2^16=64KB的空间，我们想访问实模式下1MB的空间的话就需要将段基址左移4位，自然就可以访问到1MB的空间了，这么做的原因也是出于兼容性而采取的曲线救国方式，虽然我们现在的OS都已经到了64位，它也还得向下兼容不是吗

当我们的电脑加电的一瞬间cs：ip就会被强制置位f000:e05b了，接下来就对内存，显卡等外设进行检查，做好它的初始化工作之后就完成它的任务了，在最后的时候，BIOS会通过绝对远跳

1
jmp 0:0x7c00

将接力棒交由MBR来加载我们的内核，我们初步的工作就是编写MBR。在进行内核加载之前，我们先通过MBR打印一些字符，来验证我们之前所说是否正确

编写MBR验证程序

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
;主引导程序
;---------------------

SECTION MBR vstart=0x7c00 ;程序开始的地址
    mov ax, cs            ;使用cs初始化其他的寄存器
    mov ds, ax            ;因为是通过jmp 0:0x7c00到的MBR开始地址
    mov es, ax            ;所以此时的cs为0,也就是用0初始化其他寄存器
    mov ss, ax            ;此类的寄存器不同通过立即数赋值，采用ax中转
    mov fs, ax
    mov sp, 0x7c00  ;初始化栈指针

;清屏利用0x10中断的0x6号功能
;------------------------
    mov ax, 0x600
    mov bx, 0x700
    mov cx, 0
    mov dx, 0x184f

    int 0x10
    ;获取光标位置
;---------------------
    mov ah, 3   ; 3号子功能获取光标位置
    mov bh, 1   ; bh寄存器存储带获取光标位置的页号,从0开始，此处填1可以看成将光标移动到最开始
    int 0x10

;打印字符串
;------------------
    mov ax, message
    mov bp, ax

    mov cx, 6    ;字符串长度，不包括'\0'
    mov ax, 0x1301
    mov bx, 0x2

    int 0x10

    jmp $

    message db "My MBR"
    times 510-($-$$) db 0 
    db 0x55, 0xaa

这段代码通过0x10号中断直接操控显卡，达到打印字符串的目的

编写好后通过

1
2
nasm -o mbr.bin mbr.S
dd if=mbr.bin of=/home/ba/bochs/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc

对我们的汇编代码进行编译并写入之前创建的磁盘中，接下来运行bochs，应该可以看到如下结果

mark

现在我们通过bochs的调试看一下程序到底是怎么执行的，和我们之前所说的是否一致

mark

这幅图是在我们开启bochs时显示的结果，很明显可以看到他的cs：ip寄存器的值和我们之前所说的结果一致，在这里进行跳转之后接下来肯定就是一系列的初始化工作了，我们跳过这些初始化的工作，直接进入到MBR执行的开始位置，也就是地址0x7c00处

mark

可以看到，左边是bochs初始化完成之后的输出，这是已经运行到了0x7c00后的结果，看红框标记的地方，有没有感觉很熟悉，这就是我们mbr的第一行代码啦，接下来就会按照我们所写的那样，清屏，打印了。

读取硬盘

前面通过打印字符串对开机启动过程做了个小小的验证，接下来需要让我们的MBR读取硬盘啦，因为加载kernel的话肯定需要从硬盘中读入数据

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
; 主引导程序
;---------------------

%include "boot.inc"

SECTION MBR vstart=0x7c00 ;程序开始的地址
    mov ax, cs            ;使用cs初始化其他的寄存器
    mov ds, ax            ;因为是通过jmp 0:0x7c00到的MBR开始地址
    mov es, ax            ;所以此时的cs为0,也就是用0初始化其他寄存器
    mov ss, ax            ;此类的寄存器不同通过立即数赋值，采用ax中转
    mov fs, ax
    mov sp, 0x7c00  ;初始化栈指针，sp也就是32位下的esp

;清屏利用0x10中断的0x6号功能
;------------------------
    mov ax, 0x600
    mov bx, 0x700
    mov cx, 0
    mov dx, 0x184f

    int 0x10

;获取光标位置
;---------------------
    mov ah, 3   ; 3号子功能获取光标位置
    mov bh, 1   ; bh寄存器存储带获取光标位置的页号,从0开始，此处填1可以看成将光标移动到最开始
    int 0x10

;打印字符串`
;------------------
    mov ax, message
    mov bp, ax

    mov cx, 6
    mov ax, 0x1301
    mov bx, 0x2

    int 0x10
    
    message db "My MBR"

    mov eax, LOADER_START_SECTOR    ;起始扇区的lba地址
    mov bx, LOADER_BASE_ADDR        ;写入的地址
    mov cx, 1                       ;读入的扇区数
    call rd_disk_m_16

    jmp LOADER_BASE_ADDR

;读取n个扇区
;---------------------
rd_disk_m_16:       ;eax=扇区号，cx=读入的扇区数，bx=将数据写入的内存地址
    mov esi, eax    ;备份eax和cx
    mov di, cx

;设置要读取的扇区数
    mov dx, 0x1f2
    mov al, al
    out dx, al
    mov eax, esi

;将lba地址存入0x1f3-0x1f6

    ;lba地址0-7位写入端口0x1f3
    mov dx, 0x1f3
    out dx, al

    ;lba地址8-15位写入端口0x1f4
    mov cl, 8
    shr eax, cl
    mov dx, 0x1f4
    out dx, al

    ;lba地址16-23位写入端口0x1f5
    shr eax, cl
    mov dx, 0x1f5
    out dx, al

    
    shr eax, cl
    and al, 0x0f
    or al, 0xe0
    mov dx, 0x1f6
    out dx, al

;向0x1f7端口写入读命令
    mov dx, 0x1f7
    mov al, 0x20
    out dx, al
.not_ready:
    nop
    in al, dx
    and al, 0x88 ;第4位为1表示硬盘控制器已经准备号数据传输，第7位为1表示硬盘忙
    cmp al, 0x08
    jnz .not_ready

;从0x1f0端口读数据
    mov ax, di
    mov dx, 256
    mul dx
    mov cx, ax
    mov dx, 0x1f0
.go_on_read:
    in ax, dx
    mov [bx], ax
    add bx, 2
    loop .go_on_read
    ret

    times 510-($-$$) db 0 
    db 0x55, 0xaa

这是boot.inc中的内容

1
2
LOADER_BASE_ADDR equ 0x900
LOADER_START_SECTOR equ 0x2

先看看程序的执行流程

  1. 从0x7c00入口处进入mbr
  2. 打印My MBR
  3. 为读取磁盘操作传递参数，包括读入的扇区数，读取的数据写入的内存地址
  4. 将读取到的数据写入0x900，并跳到此处去执行

MBR中的内容差不多就多了，接下来的工作就是逐步完善内核。