Chapter 3：增強 MBR

這是讀書筆記

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

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。
Conditional Jumps

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

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

bochs 偵錯方法

./bochs -debugger

查看 help 資訊

查看 BIOS 的入口點：0xFFFF0

反組譯機器碼

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。

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.

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

Chapter 3：增強 MBR

位址、section、vstart

CPU 的真實模式

顯示器

x86 I/O 通訊

顯示卡、顯示記憶體、顯示器

改寫 MBR，直接操作顯示卡

Source Code

Compile

Hard Disk Image

Result

bochs 偵錯方法

硬碟介紹

如何操控硬碟

資料傳送方式

MBR 載入 Loader

載入硬碟資料

Source Code

Compile

Hard Disk Image

準備一個簡單的 Loader

Source Code

Compile

Hard Disk Image

Result

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CH 1：部署工作環境