自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——24.加载并运行loader

学习操作系统原理最好的方法是自己写一个简单的操作系统。

之前我们在电脑的启动过程中介绍过boot程序的主要任务就是加载并运行loader程序，本讲我们就来实现。
本讲代码文件共2个：

• boot.asm
• loader.asm

一、代码及讲解

本讲所用到的知识点都是之前已经用过的，只是在本讲中综合应用了一下。
关于如何读取文件在上一讲中已经介绍过了，我们只要在上讲代码中把要读取的文件名改成loader的文件名”LOADERBIN”即可读取loader程序文件。
本讲的boot.asm就是在上讲的基础上稍微改了下，加了3处提示语句。程序一开始先清屏并在屏幕上输出字符串“GrapeOS boot start.”。然后从硬盘根目录查找LOADER.BIN程序文件，如果没有找到文件则在屏幕上输出字符串“Loader not found.”，如果找到了文件则在屏幕上输出字符串“Loader found.”。如果找到了文件则读取文件内容，读取完后通过jmp指令跳转到loader在内存中的起始地址，这样就完成了加载并运行loader。
boot.asm中的代码如下：

;--------------------定义常量--------------------;FAT16目录项中各成员的偏移量：;名称                 偏移   长度    描述DIR_Name        equ    0     ;11    文件名8B，扩展名3BDIR_Attr        equ    11    ;1     目录项属性;Reserved       equ    12    ;10    保留位DIR_WrtTime     equ    22    ;2     最后一次写入时间DIR_WrtDate     equ    24    ;2     最后一次写入日期DIR_FstClus     equ    26    ;2     起始簇号DIR_FileSize    equ    28    ;4     文件大小BOOT_ADDRESS equ 0x7c00 ;boot程序加载到内存的地址。DISK_BUFFER  equ 0x7e00 ;读磁盘临时存放数据用的缓存区，放到boot程序之后。DISK_SIZE_M equ 4 ;磁盘容量，单位M。FAT1_SECTORS     equ 32 ;FAT1占用扇区数ROOT_DIR_SECTORS equ 32 ;根目录占用扇区数SECTOR_NUM_OF_FAT1_START     equ 1 ;FAT1表起始扇区号SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START equ 33 ;根目录区起始扇区号SECTOR_NUM_OF_DATA_START     equ 65 ;数据区起始扇区号，对应簇号为2。SECTOR_CLUSTER_BALANCE       equ 63 ;簇号加上该值正好对应扇区号。FILE_NAME_LENGTH     equ 11 ;文件名8字节加扩展名3字节共11字节。DIR_ENTRY_SIZE       equ 32 ;目录项为32字节。DIR_ENTRY_PER_SECTOR equ 16 ;每个扇区能存放目录项的数目。LOADER_ADDRESS          equ 0x1000          ;loader程序加载到内存的地址。STACK_BOTTOM            equ LOADER_ADDRESS  ;栈底地址（把栈放到loader程序前面）VIDEO_SEGMENT_ADDRESS   equ 0xb800          ;显存的段地址（默认显示模式为25行80列字符模式）VIDEO_CHAR_MAX_COUNT    equ 2000            ;默认屏幕最多显示字符数。;--------------------MBR开始--------------------org BOOT_ADDRESSjmp boot_startnop;FAT16参数区：BS_OEMName db 'GrapeOS '   ;厂商名称（8字节，含空格）BPB_BytesPerSec dw 0x0200;每扇区字节数BPB_SecPerClusdb 0x01;每簇扇区数BPB_RsvdSecCntdw 0x0001;保留扇区数（引导扇区的扇区数）BPB_NumFATsdb 0x01;FAT表的份数BPB_RootEntCntdw 0x0200;根目录可容纳的目录项数BPB_TotSec16dw 0x2000 ;扇区总数(4MB)BPB_Mediadb 0xf8 ;介质描述符BPB_FATSz16dw 0x0020;每个FAT表扇区数BPB_SecPerTrkdw 0x0020;每磁道扇区数BPB_NumHeadsdw 0x0040;磁头数BPB_hiddSecdd 0x00000000;隐藏扇区数BPB_TotSec32dd 0x00000000;如果BPB_TotSec16是0，由这个值记录扇区数。BS_DrvNumdb 0x80;int 13h的驱动器号BS_Reserved1db 0x00;未使用BS_BootSigdb 0x29;扩展引导标记BS_VolIDdd 0x00000000   ;卷序列号BS_VolLabdb 'Grape OS   ';卷标（11字节，含空格）BS_FileSysTypedb 'FAT16   ';文件系统类型（8字节，含空格）;通过以上参数可知硬盘容量为4MB，共8K个扇区。扇区具体分布如下：;区域名     扇区数      扇区号          字节偏移            说明;引导扇区   1个扇区     扇区0           0x0000~0x01ff;FAT1表     32个扇区    扇区1~32        0x0200~0x41ff   可记录8K-2个簇;FAT2表     无          无              无              无;根目录区   32个扇区    扇区33~64       0x4200~0x81ff   可容纳512个目录项;数据区     8127个扇区  扇区65~0x1fff   0x8200~0x3fffff;--------------------程序开始--------------------boot_start:;初始化寄存器mov ax,csmov ds,axmov es,ax ;cmpsb会用到ds:si和es:dimov ss,axmov sp,STACK_BOTTOMmov ax,VIDEO_SEGMENT_ADDRESSmov gs,ax ;本程序中gs专用于指向显存段;清屏call func_clear_screen;打印字符串："GrapeOS boot start."mov si,boot_start_stringmov di,0 ;在屏幕第1行显示call func_print_string;读取loader文件开始;读取根目录的第1个扇区（1个扇区可以存放16个目录项，我们用到的文件少，不会超过16个。）mov esi,SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START mov di,DISK_BUFFERcall func_read_one_sector;在16个目录项中通过文件名查找文件cld ;cld将标志位DF置0，在串处理指令中控制每次操作后让si和di自动递增。std相反。下面repe cmpsb会用到。mov bx,0 ;用bx记录遍历第几个目录项。next_dir_entry:mov si,bxshl si,5 ;乘以32（目录项的大小）add si,DISK_BUFFER              ;源地址指向目录项中的文件名。mov di,loader_file_name_string  ;目标地址指向loader程序在硬盘中的正确文件名。mov cx,FILE_NAME_LENGTH ;字符比较次数为FAT16文件名长度，每比较一个字符，cx会自动减一。repe cmpsb ;逐字节比较ds:si和es:di指向的两个字符串。jcxz loader_found ;当cx为0时跳转。cx为0表示上面比较的两个字符串相同。找到了loader文件。inc bxcmp bx,DIR_ENTRY_PER_SECTORjl next_dir_entry ;检查下一个目录项。jmp loader_not_found ;没有找到loader文件。loader_found:;打印字符串："Loader found."mov si,loader_found_stringmov di,80 ;在屏幕第2行显示call func_print_string;从目录项中获取loader文件的起始簇号shl bx,5 ;乘以32add bx,DISK_BUFFERmov bx,[bx+DIR_FstClus] ;loader的起始簇号;读取FAT1表的第1个扇区（我们用到的文件少且小，只用到了该扇区中的簇号）mov esi,SECTOR_NUM_OF_FAT1_START mov di,DISK_BUFFER ;放到boot程序之后call func_read_one_sector;按簇读loadermov bp,LOADER_ADDRESS ;loader文件内容读取到内存中的起始地址read_loader:xor esi,esi ;esi清零mov si,bx ;簇号add esi,SECTOR_CLUSTER_BALANCEmov di,bpcall func_read_one_sectoradd bp,512 ;下一个目标地址;获取下一个簇号（每个FAT表项为2字节）shl bx,1 ;乘2，每个FAT表项占2个字节mov bx,[bx+DISK_BUFFER];判断下一个簇号cmp bx,0xfff8 ;大于等于0xfff8表示文件的最后一个簇jb read_loader ;jb无符号小于则跳转，jl有符号小于则跳转。read_loader_finish: ;读取loader文件结束jmp LOADER_ADDRESS ;跳转到loader在内存中的地址loader_not_found: ;没有找到loader文件。;打印字符串："Loader not found."mov si,loader_not_found_stringmov di,80 ;在屏幕第2行显示call func_print_stringstop:hltjmp stop;清屏函数（将屏幕写满空格就实现了清屏）;输入参数：无。;输出参数：无。func_clear_screen:mov ah,0x00 ;黑底黑字mov al,' '  ;空格mov cx,VIDEO_CHAR_MAX_COUNT ;循环控制.start_blank:mov bx,cx ;以下3行表示bx=(cx-1)*2 dec bxshl bx,1mov [gs:bx],ax ;[gs:bx]表示字符对应的显存地址（从屏幕右下角往前清屏）loop .start_blankret;打印字符串函数。;输入参数：ds:si，di。;输出参数：无。;ds:si 表示字符串起始地址，以0为结束符。;di 表示字符串在屏幕上显示的起始位置（0~1999）。func_print_string:mov ah,0x07 ;ah表示字符属性，0x07表示黑底白字。shl di,1 ;乘2（屏幕上每个字符对应2个显存字节）。.start_char:mov al,[si]cmp al,0jz .end_printmov [gs:di],ax ;将字符和属性放到对应的显存中。inc siadd di,2jmp .start_char.end_print:ret;读取硬盘1个扇区（主硬盘控制器主盘）;输入参数：esi，ds:di。;esi LBA扇区号;ds:di 将数据写入到的内存起始地址;输出参数：无。func_read_one_sector:;第1步：检查硬盘控制器状态mov dx,0x1f7.not_ready1:nop ;nop相当于稍息 hlt相当于睡觉in al,dx ;读0x1f7端口and al,0xc0 ;第7位为1表示硬盘忙，第6位为1表示硬盘控制器已准备好，正在等待指令。cmp al,0x40 ;当第7位为0，且第6位为1，则进入下一个步。jne .not_ready1 ;若未准备好，则继续判断。;第2步：设置要读取的扇区数mov dx,0x1f2mov al,1out dx,al ;读取1个扇区;第3步：将LBA地址存入0x1f3~0x1f6mov eax,esi;LBA地址7~0位写入端口0x1f3mov dx,0x1f3out dx,al;LBA地址15~8位写入端口写入0x1f4shr eax,8mov dx,0x1f4out dx,al;LBA地址23~16位写入端口0x1f5shr eax,8mov dx,0x1f5out dx,al;第4步：设置device端口shr eax,8and al,0x0f ;LBA第24~27位or al,0xe0 ;设置7~4位为1110，表示LBA模式，主盘mov dx,0x1f6out dx,al;第5步：向0x1f7端口写入读命令0x20mov dx,0x1f7mov al,0x20out dx,al;第6步：检测硬盘状态.not_ready2:nop ;nop相当于稍息 hlt相当于睡觉in al,dx ;读0x1f7端口and al,0x88 ;第7位为1表示硬盘忙，第3位为1表示硬盘控制器已准备好数据传输。cmp al,0x08 ;当第7位为0，且第3位为1，进入下一步。jne .not_ready2 ;若未准备好，则继续判断。;第7步：从0x1f0端口读数据mov cx,256 ;每次读取2字节，一个扇区需要读256次。mov dx,0x1f0.go_on_read:in ax,dxmov [di],axadd di,2loop .go_on_readretloader_file_name_string:db "LOADER  BIN",0  ;loader程序在硬盘中存储的文件名，共11个字节，含空格。boot_start_string:db "GrapeOS boot start.",0loader_not_found_string:db "Loader not found.",0loader_found_string:db "Loader found.",0times 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa

目前我们的loader程序非常简单，只是向屏幕输出一行字符串“GrapeOS loader start.”。
loader.asm中的代码如下：

org 0x1000;打印字符串："GrapeOS loader start."mov si,loader_start_stringmov di,160 ;屏幕第3行显示call func_print_stringstop:hltjmp stop;打印字符串函数;输入参数：ds:si，di。;输出参数：无。;si 表示字符串起始地址，以0为结束符。;di 表示字符串在屏幕上显示的起始位置（0~1999）func_print_string:mov ah,0x07 ;ah 表示字符属性 黑底白字shl di,1 ;乘2（屏幕上每个字符对应2个显存字节）.start_char: mov al,[si]cmp al,0jz .end_printmov [gs:di],axinc siadd di,2jmp .start_char.end_print:retloader_start_string:db "GrapeOS loader start.",0

二、程序演示

编译boot和loader：

[root@CentOS7 Lesson24]# nasm boot.asm -o boot.bin[root@CentOS7 Lesson24]# nasm loader.asm -o loader.bin

将boot写入到虚拟硬盘的第一个扇区：

[root@CentOS7 Lesson24]# dd conv=notrunc if=boot.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img

运行QEMU：

C:\Users\CYJ>qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img

运行截图如下：

上面截图上显示“Loader not found.”，因为loader.bin文件还没有放入虚拟硬盘里，下面我们来放入。

[root@CentOS7 Lesson24]# mount /media/VMShare/GrapeOS.img /mnt/ -t msdos -o loop[root@CentOS7 Lesson24]# cp loader.bin /mnt/[root@CentOS7 Lesson24]# sync[root@CentOS7 Lesson24]# umount /mnt/

重新运行QUME，截图如下：

上面截图中显示“GrapeOS loader start.”，说明已成功加载并运行loader。

视频版地址：https://www.bilibili.com/video/BV1KV4y197sa/
配套的代码与资料在：https://gitee.com/jackchengyujia/grapeos-course
GrapeOS操作系统交流QQ群：643474045

作者：成宇佳
博客主页：http://www.cnblogs.com/chengyujia/
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