硬盘和显卡的访问与控制（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记01

本文是《x86汇编语言：从实模式到保护模式》（电子工业出版社）的读书实验笔记。

这篇文章我们先不分析代码，而是说一下在Bochs环境下如何看到实验结果。

1. 需要的源码文件
   第一个文件是加载程序

         ;代码清单8-1
         ;文件名：c08_mbr.asm
         ;文件说明：硬盘主引导扇区代码（加载程序） 
         ;创建日期：2011-5-5 18:17

         app_lba_start equ 100           ;声明常数（用户程序起始逻辑扇区号）
                                         ;常数的声明不会占用汇编地址

SECTION mbr align=16 vstart=0x7c00                                     

         ;设置堆栈段和栈指针 
         mov ax,0      
         mov ss,ax
         mov sp,ax

         mov ax,[cs:phy_base]            ;计算用于加载用户程序的逻辑段地址 
         mov dx,[cs:phy_base+0x02]
         mov bx,16        
         div bx            
         mov ds,ax                       ;令DS和ES指向该段以进行操作
         mov es,ax                        

         ;以下读取程序的起始部分 
         xor di,di
         mov si,app_lba_start            ;程序在硬盘上的起始逻辑扇区号 （扇区号为28位，存放在di:si）
         xor bx,bx                       ;加载到DS:0x0000处 
         call read_hard_disk_0

         ;以下判断整个程序有多大
         mov dx,[2]                      ;曾经把dx写成了ds，花了二十分钟排错 
         mov ax,[0]
         mov bx,512                      ;512字节每扇区
         div bx
         cmp dx,0
         jnz @1                          ;未除尽，因此结果比实际扇区数少1 
         dec ax                          ;已经读了一个扇区，扇区总数减1 
   @1:
         cmp ax,0                        ;考虑实际长度小于等于512个字节的情况 
         jz direct

         ;读取剩余的扇区
         push ds                         ;以下要用到并改变DS寄存器 

         mov cx,ax                       ;循环次数（剩余扇区数）
   @2:
         mov ax,ds
         add ax,0x20                     ;得到下一个以512字节为边界的段地址
         mov ds,ax  

         xor bx,bx                       ;每次读时，偏移地址始终为0x0000 
         inc si                          ;下一个逻辑扇区 
         call read_hard_disk_0
         loop @2                         ;循环读，直到读完整个功能程序 

         pop ds                          ;恢复数据段基址到用户程序头部段 
    ;======================================================================================
         ;计算入口点代码段基址 
   direct:
         mov dx,[0x08]
         mov ax,[0x06]
         call calc_segment_base
         mov [0x06],ax                   ;回填修正后的入口点代码段基址 

         ;开始处理段重定位表
         mov cx,[0x0a]                   ;需要重定位的项目数量
         mov bx,0x0c                     ;重定位表首地址

 realloc:
         mov dx,[bx+0x02]                ;32位地址的高16位 
         mov ax,[bx]
         call calc_segment_base
         mov [bx],ax                     ;回填段的基址
         add bx,4                        ;下一个重定位项（每项占4个字节） 
         loop realloc 

         jmp far [0x04]                  ;转移到用户程序  

;-------------------------------------------------------------------------------
read_hard_disk_0:                        ;从硬盘读取一个逻辑扇区
                                         ;输入：DI:SI=起始逻辑扇区号
                                         ;      DS:BX=目标缓冲区地址
         push ax
         push bx
         push cx
         push dx

         mov dx,0x1f2
         mov al,1
         out dx,al                       ;读取的扇区数

         inc dx                          ;0x1f3
         mov ax,si
         out dx,al                       ;LBA地址7~0

         inc dx                          ;0x1f4
         mov al,ah
         out dx,al                       ;LBA地址15~8

         inc dx                          ;0x1f5
         mov ax,di
         out dx,al                       ;LBA地址23~16

         inc dx                          ;0x1f6
         mov al,0xe0                     ;LBA28模式，主盘
         or al,ah                        ;LBA地址27~24
         out dx,al

         inc dx                          ;0x1f7
         mov al,0x20                     ;读命令
         out dx,al

  .waits:
         in al,dx
         and al,0x88
         cmp al,0x08
         jnz .waits                      ;不忙，且硬盘已准备好数据传输 

         mov cx,256                      ;总共要读取的字数
         mov dx,0x1f0
  .readw:
         in ax,dx
         mov [bx],ax
         add bx,2
         loop .readw

         pop dx
         pop cx
         pop bx
         pop ax

         ret

;-------------------------------------------------------------------------------
calc_segment_base:                       ;计算16位段地址
                                         ;输入：DX:AX=32位物理地址
                                         ;返回：AX=16位段基地址 
         push dx                          

         add ax,[cs:phy_base]
         adc dx,[cs:phy_base+0x02]
         shr ax,4
         ror dx,4
         and dx,0xf000
         or ax,dx

         pop dx

         ret

;-------------------------------------------------------------------------------
         phy_base dd 0x10000             ;用户程序被加载的物理起始地址

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

需要说明的是：
书上假设是从硬盘启动，本文假设从软盘启动

第二个文件是用户程序

         ;代码清单8-2
         ;文件名：c08.asm
         ;文件说明：用户程序 
         ;创建日期：2011-5-5 18:17

;===============================================================================
SECTION header vstart=0                     ;定义用户程序头部段 
    program_length  dd program_end          ;程序总长度[0x00]

    ;用户程序入口点
    code_entry      dw start                ;偏移地址[0x04]
                    dd section.code_1.start ;段地址[0x06] 

    realloc_tbl_len dw (header_end-code_1_segment)/4
                                            ;段重定位表项个数[0x0a]

    ;段重定位表           
    code_1_segment  dd section.code_1.start ;[0x0c]
    code_2_segment  dd section.code_2.start ;[0x10]
    data_1_segment  dd section.data_1.start ;[0x14]
    data_2_segment  dd section.data_2.start ;[0x18]
    stack_segment   dd section.stack.start  ;[0x1c]

    header_end:                

;===============================================================================
SECTION code_1 align=16 vstart=0         ;定义代码段1（16字节对齐） 
put_string:                              ;显示串(0结尾)。
                                         ;输入：DS:BX=串地址
         mov cl,[bx]
         or cl,cl                        ;cl=0 ?
         jz .exit                        ;是的，返回主程序 
         call put_char
         inc bx                          ;下一个字符 
         jmp put_string

   .exit:
         ret

;-------------------------------------------------------------------------------
put_char:                                ;显示一个字符
                                         ;输入：cl=字符ascii
         push ax
         push bx
         push cx
         push dx
         push ds
         push es

         ;以下取当前光标位置
         mov dx,0x3d4
         mov al,0x0e
         out dx,al
         mov dx,0x3d5
         in al,dx                        ;高8位 
         mov ah,al

         mov dx,0x3d4
         mov al,0x0f
         out dx,al
         mov dx,0x3d5
         in al,dx                        ;低8位 
         mov bx,ax                       ;BX=代表光标位置的16位数

         cmp cl,0x0d                     ;回车符？
         jnz .put_0a                     ;不是。看看是不是换行等字符 
         mov ax,bx                       ;此句略显多余，但去掉后还得改书，麻烦 
         mov bl,80                       
         div bl
         mul bl
         mov bx,ax
         jmp .set_cursor

 .put_0a:
         cmp cl,0x0a                     ;换行符？
         jnz .put_other                  ;不是，那就正常显示字符 
         add bx,80
         jmp .roll_screen

 .put_other:                             ;正常显示字符
         mov ax,0xb800
         mov es,ax
         shl bx,1
         mov [es:bx],cl

         ;以下将光标位置推进一个字符
         shr bx,1
         add bx,1

 .roll_screen:
         cmp bx,2000                     ;光标超出屏幕？滚屏
         jl .set_cursor

         mov ax,0xb800
         mov ds,ax
         mov es,ax
         cld
         mov si,0xa0
         mov di,0x00
         mov cx,1920
         rep movsw
         mov bx,3840                     ;清除屏幕最底一行
         mov cx,80
 .cls:
         mov word[es:bx],0x0720          ; space
         add bx,2
         loop .cls

         mov bx,1920

 .set_cursor:
         mov dx,0x3d4
         mov al,0x0e
         out dx,al
         mov dx,0x3d5
         mov al,bh
         out dx,al
         mov dx,0x3d4
         mov al,0x0f
         out dx,al
         mov dx,0x3d5
         mov al,bl
         out dx,al

         pop es
         pop ds
         pop dx
         pop cx
         pop bx
         pop ax

         ret

;----------------------------------  用户程序入口 --------------------------------------------
  start:
         ;初始执行时，DS和ES指向用户程序头部段
         mov ax,[stack_segment]           ;设置到用户程序自己的堆栈 
         mov ss,ax
         mov sp,stack_end

         mov ax,[data_1_segment]          ;设置到用户程序自己的数据段
         mov ds,ax

         mov bx,msg0
         call put_string                  ;显示第一段信息 

         push word [es:code_2_segment]
         mov ax,begin
         push ax                          ;可以直接push begin,80386+

         retf                             ;转移到代码段2执行 

  continue:
         mov ax,[es:data_2_segment]       ;段寄存器DS切换到数据段2 
         mov ds,ax

         mov bx,msg1
         call put_string                  ;显示第二段信息 

         jmp $ 

;===============================================================================
SECTION code_2 align=16 vstart=0          ;定义代码段2（16字节对齐）

  begin:
         push word [es:code_1_segment]
         mov ax,continue
         push ax                          ;可以直接push continue,80386+

         retf                             ;转移到代码段1接着执行 

;===============================================================================
SECTION data_1 align=16 vstart=0

    msg0 db '  This is NASM - the famous Netwide Assembler. '
         db 'Back at SourceForge and in intensive development! '
         db 'Get the current versions from http://www.nasm.us/.'
         db 0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
         db '  Example code for calculate 1+2+...+1000:',0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
         db '     xor dx,dx',0x0d,0x0a
         db '     xor ax,ax',0x0d,0x0a
         db '     xor cx,cx',0x0d,0x0a
         db '  @@:',0x0d,0x0a
         db '     inc cx',0x0d,0x0a
         db '     add ax,cx',0x0d,0x0a
         db '     adc dx,0',0x0d,0x0a
         db '     inc cx',0x0d,0x0a
         db '     cmp cx,1000',0x0d,0x0a
         db '     jle @@',0x0d,0x0a
         db '     ... ...(Some other codes)',0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
         db 0

;===============================================================================
SECTION data_2 align=16 vstart=0

    msg1 db '  The above contents is written by LeeChung. '
         db '2011-05-06'
         db 0

;===============================================================================
SECTION stack align=16 vstart=0

         resb 256

stack_end:  

;===============================================================================
SECTION trail align=16

program_end:

2.利用源码生成.bin文件
nasm -f bin c08_mbr.asm -o c08mbr.bin
nasm -f bin c08.asm -o c08usr.bin
这时候会提示：
c08.asm:203: warning: uninitialized space declared in stack section: zeroing
“这句话的意思是，c08.asm源程序的第203行声明了未初始化的空间。”本实验的栈空间可以不初始化，所以不用管这个警告。

3.把c08mbr.bin写入启动软盘文件
dd if=c08mbr.bin of=a.img

4.制作一个空的硬盘
因为根据源码，我们知道用户程序在硬盘上，所以我们要制作一个硬盘镜像文件——利用工具bximage
在命令行输入 bximage，其他操作如图所示


注意到最下面的提示了吗？
“The following line should appear in your bochsrc:
ata0-master: type=disk, path=”c.img”, mode=flat, cylinders=2, heads=16, spt=63”
由于我们启动Bochs的时候没有用默认的配置文件，所以我们需要在自己的配置文件中添加这一行

ata0-master: type=disk, path="c.img", mode=flat, cylinders=2, heads=16, spt=63

需要注意的是，我们这张硬盘有2016个扇区（每个扇区大小是512字节）

5.把用户程序c08usr.bin写入硬盘镜像
dd if=c08usr.bin of=c.img bs=512 seek=100 conv=notrunk
注意：notrunc的含义是，如果目标文件（这里就是c.img）比来源文件大，不截断目标文件多出来的那部分内容。
比如c.img已经有1024字节了，而c08usr.bin假设只有512字节，如果seek=0,那么不加conv=notrunc，c.img就会变成512字节。

【dd命令说明】
if=输入文件
of=输出文件
ibs = n_bytes 一次读取n_bytes字节，即读入缓冲区的字节数。
obs = n_bytes 一次写入n_bytes字节，即写 入缓冲区的字节数。
bs = n_bytes 同时设置读/写缓冲区的字节数(等于设置ibs和obs)。
count=n_blocks：仅拷贝 n_blocks 个块，块大小等于 ibs 指定的字节数
conv=sync：把每个输入记录的大小都调到ibs的大小（不足的话用Null填充）。
skip=xxx指在备份时对if 后面的部分也就是原文件跳过多少块再开始备份（block size由ibs指定 ）
seek=xxx指在备份时对of 后面的部分也就是目标文件跳过多少块再开始写（block size由obs指定 ）

6.启动Bochs，查看结果

我们可以看到，应用程序成功地被加载器加载了。

关于本文的源码，我们下次再说明。
Goodbye