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[自制操作系统03]读取硬盘中的数据

电脑杂谈　发布时间：2020-08-24 19:19:53　来源：网络整理

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通过[自制操作系统01]计算机启动过程的核心解释和[自制操作系统02]环境准备和引导区域的实现，我们实现了最简单的操作系统（仅一条机器指令）.

今天，我们必须更进一步，逐步改进这个最简单的操作系统. 之前最简单的操作系统写在引导区的512字节中. 这么小的空间将来肯定不会用于编写操作系统的代码，因此它的主要任务是将更多数据从硬盘读取到内存内部，然后跳转到内存位置以开始运行.

我必须回顾每节课中提到的四个跳跃:

一次跳转: 按下电源按钮，CPU将强制将PC寄存器的值初始化为0xffff0，该位置是BIOS程序的入口地址. 两次跳转: 入口地址是跳转指令，跳转到0xfe05b的位置，开始执行三个跳转: 在执行了一些硬件检查之后，最后一步是将引导区域的内容加载（复制）到内存0x7c00，并跳转到它. 四级跳转: 引导区中的代码主要用于加载操作系统内核并跳转到加载点

事实上，我们可以无限跳. 只要某个链接的任务很复杂，我们就可以分两步走. 但是也完全有可能停止从第三次跳转中跳出，并将操作系统所需的所有指令和数据从硬盘加载到内存中并执行，但这显然不好.

1. 代码概述

我们别说什么，首先发送一份本章完整代码的副本

mbr.asm

;----BIOS把启动区加载到内存的该位置，所以需设置地址偏移量
section mbr vstart=0x7c00
;----设置堆栈地址
mov sp,0x7c00
;----卷屏中断，目的是清屏
mov ax,0x0600
mov bx,0x0700
mov cx,0
mov dx,0x184f
int 0x10
;----直接往显存中写数据
mov ax,0xb800
mov gs,ax
mov byte [gs:0x00],'m'
mov byte [gs:0x02],'b'
mov byte [gs:0x04],'r'
;----读取硬盘（第2扇区）并加载到内存（0x900)
mov eax,0x02	;起始扇区lba地址，LBA=(柱面号*磁头数+磁头号)*扇区数+扇区编号-1
mov bx,0x900    ;写入的内存地址，之后用
mov cx,4        ;待读入的扇区数
call read_disk
jmp 0x900
;----读硬盘方法，eax为lba扇区号，bx为待写入内存地址，cx为读入的扇区数
read_disk:
	mov esi,eax	;备份
	mov di,cx	;备份
	
;第一步，设置要读取的扇区数
	mov dx,0x1f2
	mov al,cl
	out dx,al
	mov eax,esi	;恢复
	
;第二步，设置LBA地址
	mov cl,8
	;0-7位写入0x1f3
	mov dx,0x1f3
	out dx,al
	;8-15位写入0x1f4
	mov dx,0x1f4
	shr eax,cl
	out dx,al
	;16-23位写入0x1f5
	mov dx,0x1f5
	shr eax,cl
	out dx,al
	;24-27位写入0x1f6
	mov dx,0x1f6
	shr eax,cl
	and al,0x0f	;lba的24-27位
	or al,0xe0	;另外4位为1110，表示lba模式
	out dx,al
	
;第三步，写入读命令
	mov dx,0x1f7
	mov al,0x20
	out dx,al
;第四步，检测硬盘状态
.not_ready:
	nop
	in al,dx
	and al,0x88	;第4位为1表示准备好，第7位为1表示忙
	cmp al,0x08
	jnz .not_ready
	
;第五步，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
	
;----512字节的最后两字节是启动区标识
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

loader.asm

section loader vstart=0x900
mov byte [gs:0xa0],'l'
mov byte [gs:0xa2],'o'
mov byte [gs:0xa4],'a'
mov byte [gs:0xa6],'d'
mov byte [gs:0xa8],'e'
mov byte [gs:0xaa],'r'

Makefile

mbr.bin: mbr.asm
	nasm -I include/ -o out/mbr.bin mbr.asm -l out/mbr.lst
	
loader.bin: loader.asm
	nasm -I include/ -o out/loader.bin loader.asm -l out/loader.lst
	
os.raw: mbr.bin loader.bin
	../bochs/bin/bximage -hd -mode="flat" -size=60 -q target/os.raw
	dd if=out/mbr.bin of=target/os.raw bs=512 count=1
	dd if=out/loader.bin of=target/os.raw bs=512 count=4 seek=2
	
brun:
	make install
	make only-bochs-run
	
only-bochs-run:
	../bochs/bin/bochs -f ../bochs/bochsrc.disk -q
	
install:
	make clean
	make -r os.raw
	
clean:
	rm -rf target/*
	rm -rf out/*

第二，磁盘

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如果您粗读代码，至少可以在mbr.asm中知道该代码. 前半部分是在屏幕上输出mbr字符串. 在上一课中，以直观的方式编写了此文档，以使操作系统降至最低. 代码，可选. 后半部分只是读取硬盘数据的多个扇区，将其加载到内存中的某个位置，然后跳转到该位置. 这是mbr的关键和责任.

然后如何读取硬盘中的数据，它从磁盘的结构开始. 我对硬件不是很了解，所以我只能提出一个大致的想法. 硬盘是一种磁盘，分为硬盘和软盘. 但是它们的逻辑结构是相同的:

拼盘

头（头）

曲目（曲目）

部门

汽缸（汽缸）

机械式硬盘

我不想担心它如何移动. 我只需要弄清楚. 确定磁头，圆柱体和扇区后，将确定512字节的区域. 够了这是硬盘的CHS表示法，即圆柱（圆柱），磁头（磁头），扇区（扇区），只要知道硬盘的CHS数量，就可以确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512B.

如果您不考虑这种物理结构，则硬盘实际上由n个多个512字节区域组成. 我们可以从0开始编号，然后每512字节加一个，因此我们完全不需要考虑任何扇区. 圆柱体，这是我的最爱（似乎是软件工程师的想法），这种方法称为LBA表示法.

LBA = (柱面号 * 磁头数 + 磁头号) * 扇区数 + 扇区编号 - 1

因此，如果CPU需要处理硬盘，则它必须使用CHS表示法，至少要告诉硬盘柱面号，磁头和扇区号，或使用LBA表示法来告诉硬盘LBA号，然后给硬盘一个读取的Still write信号. 硬盘制造商有数千万，而CPU制造商也不同. 自然，必须有一个硬盘接口标准. 该标准称为ATA标准，也可以通常称为IDE硬盘接口技术标准. 该标准总共可以下载三卷AT_Attachment_with_Packet_Interface的内容，但是我们使用的并不多. 我找到了一篇相当真实的中文版论文“ IDE接口硬盘读写技术”. 这基本上是足够的.

三，IDE硬盘接口技术

CPU和设备通过IO接口进行交互，所以核心是该技术标准定义的IO接口是什么，它们的功能是什么

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I / O地址读取（主机从硬盘读取数据）写入（主机数据写入硬盘）

1F0H

数据寄存器

1F1H

错误寄存器（只读寄存器）

特征寄存器

1F2H

扇区计数寄存器

1F3H

扇区号寄存器或LBA块地址0〜7

扇区号或LBA块地址0〜7

1F4H

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轨道号或LBA块地址的低8位8〜15

1F5H

轨道号或LBA块地址16〜23的高8位

1F6H

驱动器/磁头或LBA块地址24〜27

1F7H

命令寄存器或状态寄存器

命令寄存器

因此，如果您想编写一个程序来读取文件，则不难分析整个过程:

在1F3H〜1F6H处写入要在1F2H中读取的扇区数. 这四个端口写入计算出的起始LBA地址. 在1F7H处，写入读取命令的指令号并连续检查1F7H（此时已变为状态寄存器的含义）. 如果第四步不忙，它将开始从1F0H读取数据到存储器中的指定位置，直到阅读完毕

这五个步骤与上面的代码相对应

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最后，不要忘了我们的代码仍加载到引导区中，因此最后两个字节仍必须是引导区标识符0x55 0xaa

四，运行代码

写入mbr.asm之后，我们将写入另一个loader.asm，将其起始地址设置为0x900（因为这是读写磁盘后存储的内存位置，这是我们自己的定义），并将其放入在磁盘的第二个扇区中（也可以由我们自己设置，只要它与读取磁盘的代码一致）

loader.asm

section loader vstart=0x900
mov byte [gs:0xa0],'l'
mov byte [gs:0xa2],'o'
mov byte [gs:0xa4],'a'
mov byte [gs:0xa6],'d'
mov byte [gs:0xa8],'e'
mov byte [gs:0xaa],'r'

剩下的实质在于我们的Makefile，您可以参考上面的代码

执行make brun，您会看到以下效果，这意味着将加载程序代码从磁盘加载到内存的过程已经生效.