一个操作系统的设计与实现——第2章 主引导记录

2.1 BIOS

当按下开机键的那一刻，发生了什么呢？

这是一个百废待兴的时刻，所有的硬件设备都刚启动，并没有做好准备，甚至连CPU自己都是。此时，就需要一些外力帮助CPU工作起来。具体来说，在CPU刚启动时，其CS:IP被硬件电路设定为f000:fff0。这个地址并非指向内存，而是指向主板的一个非易失性ROM，其中存放的代码被称为基本输入/输出系统（Basic Input Output System，BIOS）。这段代码是CPU在加电后运行的第一段代码，其目的是初始化并检测各个硬件设备，如显示器、硬盘、键盘等。

BIOS的执行时间是十分短暂的，其做的最后一件事情是：将硬盘的第一扇区，共512字节，加载到内存地址0x7c00处，然后通过jmp 0:0x7c00指令跳转至该处执行。这个扇区中的内容被称为主引导记录（Main Boot Record，MBR）。

BIOS的故事讲完了，但上述描述中有一些细节需要进一步讨论。

2.1.1 实模式

此时的CPU工作在实模式下。所谓实模式，指的是8086这款CPU的工作模式。8086是一款16位的CPU，这意味着其寄存器都是16位的，不过，其地址线却不止16根，而是20根，20根地址线能够达到2的20次方，也就是1M的寻址能力。然而，地址线是多了，寄存器的位数却跟不上，16位的寄存器无法存放20位的地址。于是，8086使用了一个打补丁式的设计：在寻址时，先将段寄存器中存放的地址左移4位，再与偏移地址相加，这样就能强行凑出20位的地址了。

2.1.2 什么叫"硬盘的第一扇区"？

硬盘是由一个或多个圆形的盘堆叠而成的，每个盘上的所有同心圆环构成多个磁道，每个磁道又被分成多个扇区。所以，应该这样描述一个扇区：第x个盘面上的第y个磁道上的第z个扇区。即，用三个数字描述一个扇区。但这种描述方法的缺点显而易见：太麻烦了。于是，人们发明了"逻辑扇区"这一概念，所谓逻辑扇区，就是将整个硬盘视为一个超长数组，其由硬盘中的所有扇区排列形成。从而，只需要一个索引值，就能唯一确定一个扇区了。逻辑扇区由硬盘控制器负责转换，将其对应到某个实际的扇区上。

2.1.3 为什么一个扇区是512字节？

这完全是约定，硬盘的一个扇区就是512字节。

2.1.4 为什么是0x7c00这个地址

这个地址沿袭自IBM的一款计算机中的BIOS，属于一个约定俗成的地址。0x7c00这个数刚好是31K，接近32K这个整数，所以可能的原因是：这个BIOS是为有32K内存的计算机准备的，而主引导记录只是一段512字节的过渡代码，要尽量靠上加载，于是，就选用了31K这个位置。

综上，在计算机刚启动时，首先执行的是BIOS中的代码。BIOS在结束之前会加载并跳转到MBR。所以，MBR是操作系统的起点。

2.2 MBR

想要写一个MBR，就需要满足以下要求：

1. MBR的大小必须是512字节，不能超过，也不能少，如果少了，就需要凑足512字节
2. MBR的最后两字节必须依次是0x55和0xaa，这是MBR与BIOS的约定。只有这么做，BIOS才认为MBR有效，才会加载这个MBR

请看本章代码2/2.1/Mbr.s。

第1行，声明一个段。这里的vstart=0x7c00是什么意思呢？这涉及到编译器对汇编代码的编址。在默认情况下，编译器会将段中的所有内容（包括指令和数据）从0开始编址，当使用段中的一个符号时，拿到的便是一个从0开始的偏移地址。但在MBR中，这样做是不对的，不应该从0，而应该从0x7c00开始编址。请看以下代码：

section mbr

A: db 0
B: db 1

mov ax, A  ; 0
mov bx, B  ; 1

在MBR中，上述地址是错误的，这两个字节的正确地址应该是0x7c00和0x7c01。

最朴素的修正方法是这样：

section mbr

A: db 0
B: db 1

mov ax, 0x7c00 + A  ; 0x7c00
mov bx, 0x7c00 + B  ; 0x7c01

这样做虽然是对的，但是很麻烦，需要手动调整所有的地址。能从根本上解决问题的方案是：让编译器不要从0开始编址，而是从0x7c00开始，这就是vstart=0x7c00的作用：

section mbr vstart=0x7c00  ; 现在，从0x7c00开始编址

A: db 0
B: db 1

mov ax, A  ; 0x7c00
mov bx, B  ; 0x7c01

第3行，$是nasm编译器提供的一个特殊标号，用于指代当前行，所以，这一行代码等价于：

this: jmp this

这是一个无限循环，目的是让CPU保持在这一行，不要继续向下执行。现在的目标是让MBR先运行起来，并不做任何事情，所以使用了这一指令。

第5行，times是nasm提供的一个伪指令，其格式为：

times 一个数字 一段代码

times伪指令可将后面这段代码重复多次。这里使用times的目的是将MBR用0填充至510字节，为最后的0x55和 0xaa做准备。填充的字节数使用510 - ($ - $$)进行计算。$已经介绍过了，其指代的是当前行的地址；$$是nasm提供的另一个特殊标号，其指代的是当前段的起始地址，故$ - $$表示当前段的大小，510 - ($ - $$)表示当前段距离510字节还差多少。

第7行，定义了0x55和0xaa，这是BIOS与MBR的约定。

接下来，请看本章代码2/2.1/Makefile。

第2行，编译Mbr.s。可以发现，编译好的Mbr文件确实是512字节。

第3行，将编译好的Mbr文件写入虚拟硬盘。其中，if=Mbr用于指定输入文件；of=c.img用于指定输出文件；seek=0用于指定写入的起始逻辑扇区，由于MBR必须位于第0个逻辑扇区，所以这里需要使用seek=0；count=1用于指定写入的扇区数，MBR的扇区数为1；conv=notrunc是固定用法。

现在，运行bochs命令，可以看到虚拟机开始正常运行。

2.3. 文本模式显存

实模式下的1M地址空间并不都是指向物理内存的。具体来说，只有0x0~0x9ffff指向物理内存，剩下的0xa0000~0xfffff指向外部设备。在我们的操作系统中，唯一需要关注的外部设备是文本模式显存。

文本模式显存有一个神奇的功能：这段显存里面有什么，屏幕上就显示什么，而且是实时更新的。具体来说，从0xb8000开始的4000个字节，决定了当前屏幕上显示的内容。bochs使用的是25行，80列的显示模式，每个字符使用两字节，所以一共是4000字节。这两字节中的第一字节为这个字符的ASCII码，第二字节的含义如下：

也就是说，如果想要显示一个最普通的白色字符，第二字节应为0x7。

请看本章代码2/2.2/Mbr.s。

第3~4行，将ds切换到0xb800。实模式下的段寄存器在寻址时会左移四位，这样就得到了0xb8000，这是显存的起始地址。

第6~7行，通过写显存，在屏幕的左上角打印一个6。

编译这个新的MBR，并启动bochs，可以看到屏幕的左上角已经打印出了6。