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Chapter 3：增強 MBR

這是讀書筆記

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作者：鄭鋼
出版社：佳魁資訊股份有限公司
出版日期：2017/05/31

這邊討論都是 x86 架構下的組合語言，組譯工具是 nasm，
如果是 ARM 架構下的組合語言，組譯工具是 armasm。

位址、section、vstart

  • 編譯器的主要工作就是給各種符號編址。
  • CPU 無法判斷是指令還是一般資料。
  • 組合語言裡面的 section 僅是在邏輯上方便程式開發人員整理程式用。
  • vstart 是虛擬的起始位址，loader 應該要根據其位址載入到記憶體相對應位址。

CPU 的真實模式

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參考資料：CPU Registers x86

  • CPU 分成三個部分：控制單元、運算單元、儲存單元。

  • CPU 定址模式：

    • 暫存器定址：存取暫存器
    • 立即數定址：常數
    • 記憶體定址：存取記憶體。

  • 真實模式下的 ret/retf。

  • 真實模式下的 call。

    • Near call
    • Far call

  • 真實模式下的 jmp。

    • jmp short
    • jmp near
    • jmp far

  • 標示暫存器 flags。

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  • Conditional Jumps

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顯示器

x86 I/O 通訊

  • Intel x86 的 I/O 是使用 PMI/O。

ARM 通常使用 MMI/O。

顯示卡、顯示記憶體、顯示器

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改寫 MBR，直接操作顯示卡

Source Code
























































;主引導程序 
;
;LOADER_BASE_ADDR equ 0xA000 
;LOADER_START_SECTOR equ 0x2
;------------------------------------------------------------
SECTION MBR vstart=0x7c00         
   mov ax,cs      
   mov ds,ax
   mov es,ax
   mov ss,ax
   mov fs,ax
   mov sp,0x7c00
   mov ax,0xb800
   mov gs,ax

; 清屏
;利用0x06號功能，上卷全部行，則可清屏。
; -----------------------------------------------------------
;INT 0x10   功能號:0x06	   功能描述:上卷窗口
;------------------------------------------------------
;輸入：
;AH 功能號= 0x06
;AL = 上卷的行數(如果為0,表示全部)
;BH = 上卷行屬性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置
;無返回值：
   mov     ax, 0600h
   mov     bx, 0700h
   mov     cx, 0               ; 左上角: (0, 0)
   mov     dx, 184fh	       ; 右下角: (80,25),
			       ; 因為VGA文本模式中，一行只能容納80個字符,共25行。
			       ; 下標從0開始，所以0x18=24,0x4f=79
   int     10h                 ; int 10h

   ; 輸出背景色綠色，前景色紅色，並且跳動的字符串"1 MBR"
   mov byte [gs:0x00],'1'
   mov byte [gs:0x01],0xA4     ; A表示綠色背景閃爍，4表示前景色為紅色

   mov byte [gs:0x02],' '
   mov byte [gs:0x03],0xA4

   mov byte [gs:0x04],'M'
   mov byte [gs:0x05],0xA4   

   mov byte [gs:0x06],'B'
   mov byte [gs:0x07],0xA4

   mov byte [gs:0x08],'R'
   mov byte [gs:0x09],0xA4

   jmp $		       ; 通過死循環使程序懸停在此

   times 510-($-$$) db 0
   db 0x55,0xaa

Compile

nasm -o mbr.bin mbr.S

Hard Disk Image

dd if=../code/mbr.bin of=./sr_hd60m.img bs=512 count=1 conv=notrunc

Result

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bochs 偵錯方法

./bochs -debugger

查看 help 資訊

截圖 2025-04-12 晚上11.48.55

查看 BIOS 的入口點：0xFFFF0

截圖 2025-04-12 晚上11.57.51

反組譯機器碼

截圖 2025-04-13 凌晨12.01.19

查看 MBR 的入口點：0x7c00

一開始是沒有值，BIOS 負責把 MBR 從硬碟載到 0x7c00

順便可以看看 BIOS 吐出來的資訊，而游標的位置就是上一章的範例，MBR 印出字元的位置。

截圖 2025-04-13 凌晨12.42.10

硬碟介紹

一些歷史和原理介紹我就不贅述了。

如何操控硬碟

參考資料：Bochs' map of I/O ports to functions

0x1F7 / 0x177 Status Register for read.

截圖 2025-04-13 凌晨4.17.31

資料傳送方式

  • CPU 直接取資料：registers, memory.
  • Polling
  • Interrupt
  • DMA (硬體需支援)
  • I/O處理器 (硬體需支援)

MBR 載入 Loader

載入硬碟資料

Source Code

boot.inc





;-------------	 loader和kernel   ----------
LOADER_BASE_ADDR equ 0x900 
LOADER_START_SECTOR equ 0x2

mbr.S































































































































;主引導程序 
;------------------------------------------------------------
%include "boot.inc"
SECTION MBR vstart=0x7c00         
   mov ax,cs      
   mov ds,ax
   mov es,ax
   mov ss,ax
   mov fs,ax
   mov sp,0x7c00
   mov ax,0xb800
   mov gs,ax

; 清屏
;利用0x06號功能，上卷全部行，則可清屏。
; -----------------------------------------------------------
;INT 0x10   功能號:0x06	   功能描述:上卷窗口
;------------------------------------------------------
;輸入：
;AH 功能號= 0x06
;AL = 上卷的行數(如果為0,表示全部)
;BH = 上卷行屬性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置
;無返回值：
   mov     ax, 0600h
   mov     bx, 0700h
   mov     cx, 0                   ; 左上角: (0, 0)
   mov     dx, 184fh		   ; 右下角: (80,25),
				   ; 因為VGA文本模式中，一行只能容納80個字符,共25行。
				   ; 下標從0開始，所以0x18=24,0x4f=79
   int     10h                     ; int 10h

   ; 輸出字符串:MBR
   mov byte [gs:0x00],'1'
   mov byte [gs:0x01],0xA4

   mov byte [gs:0x02],' '
   mov byte [gs:0x03],0xA4

   mov byte [gs:0x04],'M'
   mov byte [gs:0x05],0xA4	   ;A表示綠色背景閃爍，4表示前景色為紅色

   mov byte [gs:0x06],'B'
   mov byte [gs:0x07],0xA4

   mov byte [gs:0x08],'R'
   mov byte [gs:0x09],0xA4
	 
   mov eax,LOADER_START_SECTOR	 ; 起始扇區lba地址
   mov bx,LOADER_BASE_ADDR       ; 寫入的地址
   mov cx,1			 ; 待讀入的扇區數
   call rd_disk_m_16		 ; 以下讀取程序的起始部分（一個扇區）
  
   jmp LOADER_BASE_ADDR
       
;-------------------------------------------------------------------------------
;功能:讀取硬盤n個扇區
rd_disk_m_16:	   
;-------------------------------------------------------------------------------
				       ; eax=LBA扇區號
				       ; ebx=將數據寫入的內存地址
				       ; ecx=讀入的扇區數
      mov esi,eax	  ;備份eax
      mov di,cx		  ;備份cx
;讀寫硬盤:
;第1步：設置要讀取的扇區數
      mov dx,0x1f2
      mov al,cl
      out dx,al            ;讀取的扇區數

      mov eax,esi	   ;恢覆ax

;第2步：將LBA地址存入0x1f3 ~ 0x1f6

      ;LBA地址7~0位寫入端口0x1f3
      mov dx,0x1f3                       
      out dx,al                          

      ;LBA地址15~8位寫入端口0x1f4
      mov cl,8
      shr eax,cl
      mov dx,0x1f4
      out dx,al

      ;LBA地址23~16位寫入端口0x1f5
      shr eax,cl
      mov dx,0x1f5
      out dx,al

      shr eax,cl
      and al,0x0f	   ;lba第24~27位
      or al,0xe0	   ; 設置7～4位為1110,表示lba模式
      mov dx,0x1f6
      out dx,al

;第3步：向0x1f7端口寫入讀命令，0x20 
      mov dx,0x1f7
      mov al,0x20                        
      out dx,al

;第4步：檢測硬盤狀態
  .not_ready:
      ;同一端口，寫時表示寫入命令字，讀時表示讀入硬盤狀態
      nop
      in al,dx
      and al,0x88	   ;第4位為1表示硬盤控制器已準備好數據傳輸，第7位為1表示硬盤忙
      cmp al,0x08
      jnz .not_ready	   ;若未準備好，繼續等。

;第5步：從0x1f0端口讀數據
      mov ax, di
      mov dx, 256
      mul dx
      mov cx, ax	   ; di為要讀取的扇區數，一個扇區有512字節，每次讀入一個字，
			   ; 共需di*512/2次，所以di*256
      mov dx, 0x1f0
  .go_on_read:
      in ax,dx
      mov [bx],ax
      add bx,2		  
      loop .go_on_read
      ret

   times 510-($-$$) db 0
   db 0x55,0xaa

Compile

nasm -I inc/ -o mbr.bin mbr.S

Hard Disk Image

dd if=../code/mbr.bin of=./sr_hd60m.img bs=512 count=1 conv=notrunc

準備一個簡單的 Loader

Source Code

loader.S































%include "boot.inc"
section loader vstart=LOADER_BASE_ADDR

; 輸出背景色綠色，前景色紅色，並且跳動的字符串"1 MBR"
mov byte [gs:0x20],'2'
mov byte [gs:0x21],0xA4     ; A表示綠色背景閃爍，4表示前景色為紅色

mov byte [gs:0x22],' '
mov byte [gs:0x23],0xA4

mov byte [gs:0x24],'L'
mov byte [gs:0x25],0xA4   

mov byte [gs:0x26],'O'
mov byte [gs:0x27],0xA4

mov byte [gs:0x28],'A'
mov byte [gs:0x29],0xA4

mov byte [gs:0x2a],'D'
mov byte [gs:0x2b],0xA4

mov byte [gs:0x2c],'E'
mov byte [gs:0x2d],0xA4

mov byte [gs:0x2e],'R'
mov byte [gs:0x2f],0xA4

jmp $		       ; 通過死循環使程序懸停在此

Compile

nasm -I inc/ -o loader.bin loader.S

Hard Disk Image

dd if=../code/loader.bin of=./sr_hd60m.img bs=512 count=1 seek=2 conv=notrunc

Result

截圖 2025-04-13 晚上11.32.55

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