【Raymond-OS】Chapter 1. MBR的加载
【Raymond-OS】Chapter 1. MBR的加载
MBR的加载
主要内容
简言之，主板通电后有 1MB 的固定内存布局，BIOS 自动执行自检等逻辑，一切顺利后会对 0 号扇区的内容进行格式校验后加载到地址 0x7c00 处，并将其送上 IP 开始执行，于是，0 号扇区得名主引导扇区 MBR，我们在其中写的代码可以直接被执行。
一、过程分析
在开机启动阶段，系统做的内容是一些软硬件相互配合的固定动作：
- 系统加电，CS：IP被固定设置为F000：FFF0，运算后得到的实际执行地址是FFFF0，也就是上述的BIOS入口地址，至此BIOS开始执行。
- FFFF0到FFFFF之间的16B只有一条跳转指令：jmp f000:e05b，即跳转到FE05B继续执行，这个阶段可以理解为BIOS内部的执行逻辑。BIOS在执行过程中会执行硬件检查、创建中断向量表之类的事情。
- BIOS执行的最后阶段，它会检查0盘0道1扇区的内容，格式无误后会将其加载到7C00处。格式校验的内容：此扇区末尾的两个字节分别是魔数0x55和0xaa
- BIOS执行jmp 0:7C00，相当于正式移交了执行权。注意这里会将CS中的内容由之前的F000变为0000
此后可以认为是我们的操作系统开始执行
二、核心代码
;simple_mbr
;告知编译器以16位进行编译
;计算机从16逐渐发展而来，不同位数的系统内寄存器使用方式不一样
;MBR加载时所处的实模式相当于16位模式，明确使用16位可避免不知名情况
;如果不显示指定，默认会是bits 16
bits 16;
;告知编译器编码从0x7c00开始
;汇编中涉及到很多地址操作，而我们明确得知代码会被加载到0x7c00处，
;此处保持一致也是避免一些地址使用方面的异常情况出现，不过我们的代码中没有这种逻辑
org 0x7c00
;tag
start:
;利用10中断打印
mov ah, 0x0e
mov al, 'X'
int 0x10
;死循环阻止程序退出
hang:
jmp hang;
;字节填充，凑够一个扇区的内容，其中$取当前地址，$$取代码段开始地址
times 510 - ($-$$) db 0;
;魔数（扇区签名）,和Java的cafebaby一样，用于格式校验
;MBR 的魔数其实是 0X55AA，但是 x86 是小端序，所以这里赋值的时候使用的是 0XAA55
dw 0xAA55;三、相关内容
3.1 相关工具介绍
- nasm：汇编代码有不同的风格，nasm是其中一种，我们采用的是这种，所以需要nasm编译器将我们的源代码编译成机器码
- dd：帮助我们进行数据复制。我们的学习过程是使用虚拟机+磁盘映像，MBR扇区有位置要求，所以我们需要借助dd工具将我们的代码放到指定位置。win环境下可以找dd的win版本
- bochs：一款虚拟机，是我们主要的运行环境。注意不同版本的有区别。笔者win下用的是2.6.2，mac下用的是2.8，二者使用上有差别。
3.2 实模式下的内存布局及机器启动后的固定流程
| 起始地址 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|
| 0x00000 | 1KB | BIOS的中断向量表 |
| 0x00400 | 256B | BIOS数据区 |
| 0x00500 | 29KB+768B | 可用区域 |
| 0x07C00 | 512B | 引导扇区数据，被BIOS加载到此处 |
| 0x07E00 | 607KB+512B | 可用区域 |
| 0x9FC00 | 1KB | 扩展BIOS数据区 |
| 0xA0000 | 64KB | 彩色显示适配器缓存 |
| 0xB0000 | 32KB | 黑白显示适配器缓存 |
| 0xB8000 | 32KB | 文本模式显示适配器缓存 |
| 0xC0000 | 32KB | 显示适配器BIOS |
| 0xC8000 | 160KB | 映射硬件适配器ROM或内存映射式的IO |
| 0xF0000 | 64KB | BIOS程序，入口地址在0xFFFF0 |
3.3 关于大端序与小端序：
我们知道一个字节8位，假设我有一个数据0x1234，显然它需要占用两个字节，现在我有两个字节的地址B1和B2，其中B1地址小于B2地址，那么我应该如何存储？数据12放在B1还是B2？
第一种方式：B1 B2 ：1234，将12放到了B1中，此时12是数据高位，B1是地址低位，这种将高位数据优先放入地址的方式称为大端序（近似理解为大数据优先）
第二种方式：B1 B2 ： 3412，将34放到了B1中，此时34是数据低位，B1是地址低位，这种将数据低位优先放入地址的方式称为小端序（近似理解为小数据优先）
小端序的优点：强制数据类型转换的时候不需要调整字节了。比如说现在0x1234是我定义的一个对象，它放在B1和B2中，注意对象地址指向的是B1这个地址，此时我对它进行强制类型转化，从2字节变为1字节，那最终对象的地址其实还是B1，而B1中存放的是34，数据上也符合强制类型转化的规则，如果是大端序的话就需要重新调整。
大端序的优点：判断数据符号的时候方便。对于有符号数，符号放在高位中，根据大端序的特点，从对象的地址就可以直接计算出符号位。
常见大端序：IBM、Sun、PowerPC
常见小端序：X86、DEC
3.4 实模式下寄存器介绍
寄存器就是硬件层面的全局变量，起初是16位，后来是32位，再后来是64位，当向前兼容时，宽度大的寄存器会通过只使用低位的方式来模拟宽度小的寄存器。目前我们只需要看一下混个眼熟即可
| 寄存器 | 功能 |
|---|---|
| AX, BX, CX, DX, DI, SI, BP | 通用寄存器，按你的需要可以放数据、地址等 |
| IP | 程序计数器，始终指向下一条指令地址 |
| SP | 栈顶指针 |
| CS, DS, ES, SS | 段寄存器。16位时代的寻址时段基址偏移+指令地址，段寄存器内存放的就是段基址 |
| FLAGS | 控制寄存器，里面有复杂的控制位 |