从零开始的操作系统 （第三章：引导扇区编程（16位实模式））

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译至： http://www.cs.bham.ac.uk/~exr/lectures/opsys/10_11/lectures/os-dev.pdf

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即使提供了示例代码，您无疑会发现在二进制编辑器中编写机器代码简直丧心病狂。 您必须记住或引用机器代码来使CPU工作。 幸运的是，并不是你一个人感到困扰，因此才有人编写了汇编程序，将更人性化的指令转换为特定CPU的机器代码。
在本章中，我们将尝试编写一些更复杂的引导扇区程序，以熟悉程序集以及我们的操作系统将运行的环境。

3.1 再探引导扇区

现在，我们将使用汇编语言重新创建二进制编辑的引导扇区，这样我们才能更好的欣赏这些底层语言。
我们可以将它汇编语言编译成实际的机器代码（我们的CPU可以解释为指令的字节序列）：

$nasm boot_sect.asm -f bin -o boot sect.bin

其中boot_sect.asm是保存源代码的文件，如图3.1所示，引导sect.bin是我们可以在磁盘上作为引导扇区安装的组装机器代码。
请注意，我们使用-f bin选项指示nasm生成原始机器代码，而不是具有其他元信息的代码包，以便在更典型的操作系统环境中编程时可以和程序进行链接。 除了底层BIOS例程，我们现在是这台计算机上运行的唯一软件。 我们现在是操作系统，虽然现在我们的操作系统只有一个无限循环 - 但我们很快就会建立起来。

我们可以通过运行Bochs来方便地测试这个程序，而不是将其保存到软盘的引导扇区并重启我们的机器：

$bochs

或者，我们也可以使用QEmu，如下所示：

$qemu boot_sect.bin

或者，您可以将映像文件加载到虚拟化软件中，或将其写入某些可启动媒体并从真实计算机启动。 请注意，当您将镜像文件写入某个可启动媒体时，并将文件添加到媒体的文件系统中：而是您必须使用适当的工具从底层直接写入媒体（例如直接写入 磁盘的扇区）。

如果我们想更准确地看到汇编程序创建的字节数，我们可以运行以下命令，该命令以易于阅读的十六进制格式显示文件的二进制内容：

$od -t x1 -A n boot sect.bin

这条命令的输出大家应该会很熟悉。
恭喜，您刚刚用汇编语言编写了引导扇区。 正如我们将要看到的，所有操作系统必须以这种方式启动，然后将自己拉入更高级别的抽象（例如更高级别的语言，例如C / C ++）

3.2 16位实模式

CPU制造商必须竭尽全力保持其CPU（即其特定指令集）与早期CPU兼容，以便旧版软件，特别是较旧的操作系统仍可在最现代的CPU上运行。
英特尔和兼容CPU实施的解决方案是模拟该系列中最老的CPU：Intel 8086，它支持16位指令而没有内存保护概念：内存保护对于现代操作系统的稳定至关重要，因为 它可以让操作系统有能力来限制用户的进程访问，比如内核内存，防止这样的进程绕过安全机制甚至关闭整个系统。
因此，为了向后兼容，最重要的是CPU最初以16位实模式启动，随后根据现代操作系统明确要求下切换到更高级的32位（或64位）保护模式，但允许较旧的操作系统 继续运行在16为实模式下，幸福地不知道他们在现代CPU上运行。 稍后，我们将详细介绍从16位实模式到32位保护模式的这一重要步骤。
通常，当我们说CPU是16位时，我们的意思是它的指令一次执行16位的运算，例如：16位CPU将有一个特殊指令将两个16位数 在一个CPU周期相加; 如果一个进程需要将两个32位数字加在一起，则需要更多的周期，即使用16位加法。

首先我们将探索这个16位实模式环境，因为所有操作系统必须从这里开始，然后我们将看到如何切换到32位保护模式以及这样做的主要好处。

3.3呃，你好？

现在我们将编写一个看似简单的引导扇区程序，在屏幕上打印一条短消息。 要做到这一点，我们必须学习一些关于CPU如何工作的基础知识以及如何使用BIOS来帮助我们操作屏幕设备。

首先，让我们考虑一下我们在这里要做的事情。 我们想在屏幕上打印一个字符，但我们不知道如何与屏幕设备进行通信，因为可能有许多不同类型的屏幕设备，它们可能有不同的界面。 这就是我们需要使用BIOS的原因，因为BIOS已经对硬件进行了一些自动检测，显然BIOS先前在屏幕上打印了关于自检等信息，因此可以为我们提供帮助。

那么，接下来，我们要求BIOS为我们打印一个字符，但我们如何让BIOS这样做呢？ 没有用于打印到屏幕的Java库 - 你在做梦。 但是，我们可以肯定的是，在计算机内存中的某个位置会有一些知道如何写入屏幕的BIOS机器代码。 事实上，我们可能会在内存中找到BIOS代码并以某种方式执行它，但是这太过复杂，而且不同机器上的BIOS代码不一样。

在这里，我们可以利用计算机的基本机制：中断。

3.3.1中断

中断是一种机制，它允许CPU暂时停止正在执行的操作，并在返回原始任务之前运行其他一些优先级较高的指令。 你可以通过软件指令（例如，int 0x10）或者需要高优先级动作例如某些硬件设备（例如，从网络设备读取一些输入数据）来引发中断。

每个中断由唯一编号表示，该编号是中断向量的索引，该中断向量表最初由BIOS在存储器开始时（即物理地址0x0）设置，该表包含中断服务程序（ISR）的地址指针。ISR只是一系列机器指令，与我们的引导扇区代码非常相似，它处理特定的中断（例如，可能从磁盘驱动器或从网卡读取新数据）。

因此，简而言之，BIOS将一些自己的ISR添加到专门用于计算机某些方面的中断向量中，例如：中断0x10导致调用与屏幕相关的ISR; 和中断0x13，磁盘相关的I / O ISR。

3.3.2 CPU寄存器

就像我们在更高级别的语言中使用变量一样，我们同样需要在操作系统中保存一些临时数据。 所有x86 CPU都有四个通用寄存器ax，bx，cx和dx，正是出于这个目的。 此外，与访问主存储器相比，这些寄存器每个可以保存一个字（两个字节，16位）数据，可以由CPU读取和写入，延迟可以忽略不计。 在汇编程序中，最常见的操作之一是在这些寄存器之间移动（或更准确地说，复制）数据：

mov ax, 1234          ; 在AX寄存器中保存数字1234
mov cx, 0x234         ; 保存16进制数 0x234 到 CX寄存器
mov dx, ’t’           ; 保存ASCLL码  ’t’ in DX寄存器
mov bx, ax            ; 将 AX 寄存器的值复制到 BX寄存器，现在BX == 1234

请注意，目标是mov操作的第一个参数而不是第二个参数，但此规定因不同的汇编程序而异。

有时使用单个字节更方便，因此这些寄存器允许我们单独设置其高字节和低字节：

mov ax, 0             ; ax -> 0x0000 , or in  binary  0000000000000000
mov ah, 0x56          ; ax -> 0x5600
mov al, 0x23          ; ax -> 0x5623
mov ah, 0x16          ; ax -> 0x1623

3.3.3 全部放在一起

所以，回想一下，我们希望BIOS为我们在屏幕上打印一个字符，并且我们可以通过将ax设置为某些BIOS定义的值然后触发特定的中断来调用特定的BIOS例程。 我们想要的具体例程是BIOS滚动远程类型例程，它将在屏幕上打印单个字符并前进光标，为下一个字符做好准备。 发布了一整套BIOS例程，显示了使用哪个中断以及如何在中断之前设置寄存器。 在这里，我们需要中断0x10并设置ah到0x0e（表示远程类型模式）和al中

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