chap1.4_主引导扇区

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工具

首先，需要的工具软件列表：

所需工具

汇编编译器：nasm: https://www.nasm.us/

文本编辑器：vscode: https://code.visualstudio.com/

vscode插件：x86 and x86_64 Assembly

vscode插件：hexdump

1.安装WSL和ubuntu

在windows下安装并启用WSL，在WSL中安装ubuntu22版本

2. 安装nasm编译器

ubuntu下使用命令安装

sudo apt-get install nasm

计算机启动过程

1 计算机启动过程

1.1 加电自检

计算器通电后，首先加载执行BIOS代码，由BIOS对系统硬件执行自检查。

通常完整的POST自检将包括对CPU，640K基本内存，1M以上的扩展内存，ROM，主板，CMOS存储器，串并口，显示卡，软硬盘子系统及键盘进行测试，一旦在自检中发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。

BIOS检测硬件是否正常，然后开始初始化一些硬件设备。

1.2 加载引导扇区

  1. 首先BIOS查找启动盘顺序。BIOS检查到硬件正常并与CMOS中的设置相符后，按照CMOS中对启动设备的设置顺序检测可用的启动设备。

  2. BIOS将相应MBR扇区（也就是启动设备的第一个扇区，为硬盘的0面0磁道1扇区，扇区大小为512字节）读入内存地址为0000:7C00H处。

  3. BIOS检查扇区格式，判断扇区是否以0xAA55结束，BIOS认为这个扇区是一个可用的引导扇区。否则去尝试其他的启动设备。如果没有启动设备满足要求则显示”NO ROM BASIC”然后死机。

1.3 执行指令

加载完成后，BIOS将控制权交给CPU，CPU开始执行0x0000:7c00处，也就是被加载了引导扇区的地方的代码。

cpu加载内核文件，启动相关操作系统。

2 BIOS

2.1 BIOS的作用

BIOS的英文全称为Basic Input Output System，是位于计算机主板上只读ROM芯片上的程序。

BIOS映射的地址为ROM的0xF0000~0xFFFFF位置。

其中0x00000~0x9FFFF位置是属于内存条的地址，0xF0000~0xFFFF是属于BIOS的ROM地址。

主引导扇区

主引导扇区又称为MBR，是操作系统的起点，当计算机启动后，会加载并执行位于硬盘上的第一个扇区做为引导扇区。

1. 主引导扇区格式

  • 主引导扇区必须位于硬盘开始位置的512字节。

    例如在1.44M软盘上，位于(柱面=0,磁头=0,扇区1)的位置

  • 主引导扇区大小必须是512字节。

  • 主引导扇区必须是以 0x55, 0xAA 为结尾的。

2. 主引导扇区执行过程

主引导扇区由BIOS进行加载并执行。

BIOS系统首先会读取 0 柱面 0 磁道 1 扇区，将其内容加载到内存地址的 0x0000:0x7c00处。然后BIOS跳转到内存的0x7c00处开始执行指令。

至于为什么必须加载到 0x7c00 的地方，当时就这么规定的吧，没啥特殊的地方，计算机读取指令开始时，会从 0x7c00处读取。（其实还是有点特殊的地方，参见http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/09/0x7c00.html）

编写一个主引导扇区

下面我们编写一个最简单的主引导扇区，并且在虚拟机中加载运行。

示例代码

创建boot目录，并新建文件boot/mbr.asm

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; RAST BOOT
[bits 16]

    org     0x7c00      ; 指明程序的偏移的基地址

    ; 引导扇区代码
    jmp     Entry
    db      0x90
    db      "RASTABOOT"

; 程序核心内容
Entry:
    jmp $               ; 让CPU挂起，等待指令。

                        ; 扇区格式
Fill0:
    resb    510-($-$$)   ; 当前行$至结束(1FE) 之间的内容填充0
    db      0x55, 0xaa

简单解释下上面的汇编代码：

[bits 16] 表示运行在16位模式下（实模式下是16位模式）

org 0x7c00: 指定一个基地址，用来声明计算程序的偏移地址，后面的地址跳转都会以此为基础（编译器会把所有程序用到的 段内偏移地址自动加上org后跟的数值）

jmp Entry：这句是正式开始执行的代码，表示跳转到后面 Entry标记的位置执行指令。

db 0x90, db "GLOXBOOT": 填充内容，并无实际作用。不是系统指令，也不会被执行。

jmp $: $ 代表当前行首的地址，所以会一直循环执行此指令。

resb 510-($-$$) ： 当前行$至结束(1FE) 之间的内容填充0

db 0x55, 0xaa：填充 0x55, 0xaa作为主引导扇区结束标识。

编译代码

使用 nasm 编译器编译 boot.asm 文件

nasm -f bin -o build/mbr.bin boot/boot.asm

然后，使用 linux 命令创建一个1.44M大小，字节都为0的 rast.img 镜像文件

dd if=/dev/zero of=build/rastos.img bs=512 count=2880

将引导扇区文件，添加到rastos.img 镜像中

dd if=build/boot.bin  of=build/rastos.img bs=512 count=1 conv=notrunc

创建完成，至于dd命令的用法，自己查找学习，在此不做详述了。

总结，完整的 build.sh 执行脚本如下

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#!/bin/bash

NASM=nasm

mkdir build

$NASM -f bin -o build/boot.bin boot/boot.asm

dd if=/dev/zero of=build/rastos.img bs=512 count=2880

dd if=build/boot.bin of=build/rastos.img bs=512 count=1 conv=notrunc

在虚拟机中执行

  1. 使用vitualbox虚拟机

    创建一个虚拟电脑，rastos

  2. 加载并运行镜像

    使用vitualbox创建一个系统，添加一个软盘驱动器。

    添加一个软盘驱动器。

    使用软盘驱动器加载镜像文件rastos.img。

    images/1_4_1.png

  3. 启动系统

    点击显示运行系统

    images/1_4_2.png

    顺利启动，可以发现进入一个黑屏界面。并且光标一直闪烁。

二进制编码表

英文字符的二进制码（16进制表示）：

英文 十六进制 英文 十六进制 英文 十六进制 英文 十六进制
A=65 41 H 48 O 4F V 56
B 42 I 49 P 50 W 57
C 43 J 4A Q 51 X 58
D 44 K 4B R 52 Y 59
E 45 L 4C S 53 Z 60
F 46 M 4D T 54
G 47 N 4E U 55

查看二进制文件

以二进制的方式查看rastos.img文件内容

使用xxd命令分析二进制文件（以16进制方式输出文件的前512字节）

xxd -l 512 build/rastos.img

如图：

images/1_3_3.png