Chapter 08：File System
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:::info

檔案系統的實現是整個作業系統裡面最像是軟體開發的部分，實際的硬體操作不算複雜，但最困難的點在於軟體開發的小細節，可以說是多如牛毛，甚至可能因人而異，每個人的設計可能大相徑庭，或是說設計本身是個人 Coding 哲學的體現，這部分也很鼓勵大家自行重新設計出自己版本的檔案系統，你就可以體會這個中的奧妙，過程很辛苦，但一定可以讓你收穫滿滿。
  1. IDE
  2. File System
  3. inode
  4. Directory
  5. File

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>[time=Mon, Nov 3, 2025 4:46 PM]
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https://youtu.be/bsPITXZIEmo
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https://youtu.be/vo21xzQT6h4
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/vo21xzQT6h4?si=aiO1PCKo_aD-3R9c" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe>


# IDE (Integrated Drive Electronics)

>[!Note] SATA? PATA?
>
>
>

>[!Caution] Bochs IDE
>在 Bochs 這個 x86 模擬器裡，預設的 IDE 硬碟控制器是 PATA（也就是 Parallel ATA / 俗稱 IDE），不是 SATA。

>[!Note] Hard Disk
>

>[!Note] Disk Partition Table (DPT)
>
>

>
>
> ==The starting LBA is the offset from the beginning of the partition.==
>
>

>[!Caution] EBR 的相對位置會不同！

>[!Note] Partition Type

| 類型 | 代碼 (Hex) | 說明 |
| ----------- | -------------------------------------- | ------------- |
| 0x00 | 空分割區 | 未使用 |
| 0x01 | FAT12 | 早期 DOS |
| 0x04 / 0x06 | FAT16 | 小/大容量 FAT16 |
| 0x07 | **NTFS / exFAT / HPFS** | Windows 使用 |
| 0x0B / 0x0C | **FAT32 / FAT32 LBA** | Windows 使用 |
| 0x0E | FAT16 LBA | 支援 LBA |
| 0x0F | **Extended LBA** | 延伸分割區 |
| 0x05 | **Extended CHS** | 延伸分割區（舊式 CHS） |
| 0x82 | **Linux swap** | |
| 0x83 | **Linux native（ext2/ext3/ext4 等）** | |
| 0x8E | **Linux LVM (Logical Volume Manager)** | |
| 0xA5 | BSD / FreeBSD | |
| 0xA6 | OpenBSD | |
| 0xA8 | macOS UFS | |
| 0xAB | macOS Boot | |
| 0xAF | macOS HFS / APFS | |
| 0xEE | **GPT 保護分割區（Protective MBR）** | |
| 0xEF | **EFI System Partition (ESP)** | |
| 0xFD | Linux RAID autodetect | |

## Disk Formatting
| Item | Value |
| --------------- | ------- |
| Capacity | 80 MB |
| Sector size | 512 B |
| Sector number | 163296 |
| Cylinder number | ==162== |
| Head number | ==16== |
| Sector/Track | 63 |
>[!Tip] 一個 track 固定是 63 sectors

建立新的硬碟

./bximage


設定 bochsrc

ata0-slave: type=disk, mode=flat, path="80mb.img"


確定 bochs 有認到硬碟

xp /b 0x475


格式化硬碟

fdisk ./80mb.img

指令描述
extra functionality 指令描述

print info

Setting Dos CHS

Primary Partition

Extended partition

Logical partition

Setting Partition Type

Write table to disk

Check the result

fdisk -l ./80mb.img


## Enable all ATA channel
>[!Note] ATA channel

| 控制器 | 通常名稱 | Base I/O Port | Control Port | IRQ | 裝置代號 |
|:-------- |:---------- |:------------- |:------------ |:------ |:------------ |
| **ATA0** | Primary | `0x1F0` | `0x3F6` | IRQ 14 | Master/Slave |
| **ATA1** | Secondary | `0x170` | `0x376` | IRQ 15 | Master/Slave |
| **ATA2** | Tertiary | `0x1E8` | `0x3E6` | IRQ 11 | Master/Slave |
| **ATA3** | Quaternary | `0x168` | `0x366` | IRQ 10 | Master/Slave |


disable pci

## Programming

>Reference:
>[Bochs' map of I/O ports to functions](https://bochs.sourceforge.io/techspec/PORTS.LST)
>[OSDev wiki](https://wiki.osdev.org/ATA_PIO_Mode#Addressing_Modes)
>
>
>==會使用到的 command: 0xEC(identify), 0x20(read), 0x30(write)==
>
>
>
>主要分成以下五大步驟：
>* 設定 sector count，預計要讀(寫)幾個 sector。
>* 設定 hard disk LBA 地址。
>* 寫入讀(寫)指令。
>* Polling 等待完成。
>* 讀取資料到 RAM。

>[!Note] identify drive 指令(0xEC)
>這個指令會回傳一個 512 位元組（256 個 16-bit words） 的資料區塊，用來描述這顆磁碟的屬性、能力、幾何資訊（柱面、磁頭、磁區數）等。每個欄位都是以 16 位元（1 word） 為單位排列。

| Word 編號 | 說明 | Bochs 常見數值或行為 |
| ------- | ---------------------------- | -------------------------- |
| 0 | 一般設定（general configuration） | `0x0040` → 表示非可移除磁碟、磁性儲存裝置 |
| 1 | 磁柱數（cylinders） | 由 `.bochsrc` 設定（例如 16383） |
| 3 | 磁頭數（heads） | 由設定檔決定（例如 16） |
| 6 | 每磁道磁區數（sectors per track） | 由設定檔決定（例如 63） |
| 10–19 | 序號（Serial number，ASCII 格式） | `"BOCHS HARDDISK"` 或自訂 |
| 23–26 | 韌體版本（Firmware revision） | 例如 `"BXHD001"` |
| 27–46 | 型號名稱（Model number） | `"Bochs Virtual HD"` |
| 47 | 每次中斷最大可傳輸磁區數 | 通常 `0x8010` |
| 49 | 能力位元（Capabilities bit field） | 表示支援 DMA、LBA (`0x0F00`) |
| 60–61 | 可使用之 LBA28 磁區總數 | 依磁碟映像檔大小決定 |
| 80 | 支援的 ATA 版本 | 通常 `0x0006`（ATA-6） |
| 82–84 | 支援的功能位元（Feature bits） | 顯示支援 LBA、DMA 等功能 |
| 88 | Ultra DMA 模式支援 | 常見值 `0x007F` |
| 100–103 | LBA48 總磁區數 | 若磁碟容量超過 128GiB 時會使用 |
| 255 | 校驗碼（Checksum） | 通常為有效的 `0xA5` |


## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/bfd4d57a781c40db1f0c11fda59cc61fcbfaf6f8

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint

# File System


>[!Note] Volume Boot Record (VBR) / OS Boot Record (OBR)
>位於 每個分割區（partition）開頭的第一個 sector，包含啟動程式碼與該分割區的檔案系統資訊。

| 名稱 | 全名 | 位置 | 功能 |
| ------- | -------------------- | ------------------------------ | ---------------------- |
| **MBR** | Master Boot Record | 磁碟最前面的 sector <br>(LBA 0) | 決定要載入哪個分割區開機（通常載入 VBR） |
| **EBR** | Extended Boot Record | 每個邏輯分割區的開頭 <br>(Extended Partition) | 描述該邏輯分割區的位置與下一個 EBR |
| **VBR** | Volume Boot Record | 每個（主或邏輯）分割區的開頭 | 該分割區的開機程式 |

>[!Note] Super Block
>

>[!Note] inode 可以表示的檔案大小
>Block size = 4KB, LBA = 4 bytes
>* Direct blocks: $12 \times 4KB=48KB$
>* Single indirect blocks: $(4KB\div4)\times4KB=4MB$
>* Double indirect blocks: $1KB\times1KB\times4KB=4GB$
>* Triple indirect blocks: $1KB\times1KB\times1KB\times4KB=4TB$

>[!Note] inode table
>

>[!Note] Data Structure
>

>[!Note] Root dir
>

>[!Note] block bitmap reset
>

## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/d058c336af08f44a34601d8ba4ea8f05c1c9c024

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint

# inode

>[!Note] i_block
>

>[!Note] inode read and write
>

## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/315026263aaef6c8f1a3278500a39eed7f7fa5b0

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint

# Directory


## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/aad933eaa9de5e11353345b111d4f14a9efd3f4a

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint

# File


## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/039a10b298cea86a42c7705df57fbeea8b2505b9

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint

# More about File System


## Source Code
https://github.com/srhuang/a-os/commit/d879e79f029aa0fa553e4adb760765cc821f8c21

>[!Caution] stat bug fix
>https://github.com/srhuang/a-os/commit/3cb7cd16446e49258daf0ce772f81d933f6dd0c4

## Compile

make all

## Put on hard disk

sh gen.sh

## Checkpoint