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分类： LINUX
2015-03-12 15:44:41
阅读本段代码，gemfield建议你首先具备以下能力：cpu寄存器、BIOS中断、PC架构、at&t汇编、GRUB背景知识。幸运的，青岛 之光论坛（bbs.civilnet.cn）的嵌入系统版块里都或多或少包含了这些介绍。并且可以从青岛之光论坛上查找stage1.s的源代码，此处不 一一罗列了。
程序刚开始处的宏定义使用了和gcc相同的规范，定义的3个宏变量在后面用到的地方再由gemfield详细阐述。在定义了一个全局变量_start后， 程序的真正入口就到了。事实上，在二进制代码中，开始部分的代码是eb48，其中eb就是jmp的机器码，在标号_start后，紧跟着的就是这个jmp指令，跳转到after_BPB处。Jmp后的nop指令，恐怕永远也不会执行了。注意,刚开机时cpu会调用int19h将第一个扇区的内容调到内存地 址为0x0000:0x7coo处,你要问为什么是这个地址或者为什么会发生这样的调用,原因大抵和usb为什么是2根数据线是一样的。
.=_start + 4是一个让人困惑的语句，其实这个dot是一个特殊的标号，在as汇编规范中，就代表当前的地址。从开始处的_start处填充空间至_start+4处，相当于4个字节的空间。但是，从_start开始后的jmp nop 和jmp的参数已经占用了3个字节的空间，相当于在它们的后面再用0填充1个字节的空间即可。
后面紧跟的是一系列称之为汇编directive的“伪指令”。这一部分是对磁盘等一些参数进行设置。像起始的扇区、磁道和柱面以及它们的起始地址、还有stage1的版本号、boot_drive变量、force_lba变量、stage2的地址、扇区、段等参数，这在后面的代码中涉及的时候再由gemfield阐述，到时候gemfield会称这部分为初始化参数部分，切记。但在这一系列的参数设置中，还有个相似的语句，就 是.=_start+STAGE1_BPBEND，照样是从上一条指令处填充0直至到达_start+0x3e处。
在jmp之后，清中断允许位，然后陈列80ca这个二进制代码。80ca就相当于orb $ox80,%dl,意思是给dl寄存器赋值80，要知道，在开机初始， BIOS加载完启动代码会把%dl寄存器设置成启动盘号(boot drive number)：
DL = 00h 1st floppy disk ( "drive A:" )
DL = 01h 2nd floppy disk ( "drive B:" )
DL = 80h 1st hard disk
DL = 81h 2nd hard disk
硬盘的代号是80，所以上面代表的是stage1装到硬盘上的情形，如果是软盘的话，就是orb $0x00，%dl，很显然，软驱代号是0x00。
关于boot_drive_mask这一部分，包含的ljmp $0,ABS(real_start)指令的意思是，跳转到cs:ip = 0x0000:$ABS(real_start)这个地方执行指令。程序的开头部分定义了ABS这个宏，在此处就相当于real_start-_start+0x7c00。如果是“正常的”int19h中断，这句就是废话。因为物理地址是(Segment value * 16) + Offset value，正常情况下MBR被加载到cs:ip = 0x0000:0x7c00上，而有些糟糕的BIOS会将其加载到07c0：0000上，其实这两个代表的物理地址是完全一样的（你可以用上上行的公式计 算）。有些人从来就不考虑这种事实，那就是大多数人常常把segment值设为0，这样引导代码就可以假定任何段寄存器都是0从而只对付ip里的偏移量。 所以，在grub里，加上这么一个长转移，就防止了这类糟糕的BIOS带来的大麻烦。
接着进入real_start了，ax清零，ds赋值0，ss赋值0，将STAGE1_STACKSEG（0x2000）赋值给sp，这样就设置了实模式 下的堆栈段地址（栈顶位置）ss:sp = 0x0000:0x2000。接着置中断允许位，然后检查是否设置了启动的磁盘。先用MOV_MEM_TO_AL宏将boot_drive量存到al中， 然后与0xff进行比较，用的是cmpb $0xff,%al ;je 1f。cmpb指令是将两个操作数进行相减，对标志位的影响同sub指令，但是不保存结果。其中，此处用到的是zf标志位（因为是je指令），这样，当操 作数相等（即相减为零时）zf被置1。所以，cmpb和je一起使用时，就是指，当操作数相等时，跳转至je制定的标号。所以，在这里，若boot_drive等于0xff，则使用BIOS传递过来的默认的驱动器进行启动；如果不是，movb %al,%dl，将boot_drive的值保存至dl中，表示由boot_drive的值确定启动设备。不管怎么样，现在开始正式启动了……
驱动器号信息压栈、输出信息“GRUB”，注意，在屏幕上输出信息时调用了MSG宏。下面分析一下这个宏，#define MSG(X) movw $ABS(x),%si ;call message
输出GRUB字样时，变量是notification_string，相当于将notification_string地址上的16位内容送入si寄存器，然后调用message函 数，而message函数使用了int10中断来在屏幕上显示字符。涉及到串操作指令。message函数：lodsb，从%si指向的源地址中逐一读取 一个字符，送入al中，然后检查al是否为零，如果为零，表示字符已经传输完成了（.string伪指令会在指定的字符串后加入一个字节的0），此时调用ret返回。而若不为零，表明字符还未传输完，此时跳转到int 10h“中断前夕”，用int 10h的oeh子功能在屏幕上以telemode模式写字符，其中，ah是子功能号，al是字符，bh是页，bl是前背景色（在图形模式下）。所以这里movw $0x0001,%bx ; movb $0x0e,%ah ;int $0x10(显示一个字符)就ok了。
在屏幕上显示完GRUB后，要来决定是进入chs模式还是lba模式（也就是看硬盘是否支持LBA模式，因为两种模式对硬盘的读写等操作有很不一样的地 方），但在这之前，你得首先判断这里是硬盘而不是软盘或者根本就没有盘（言下之意就是，如果不是硬盘，判断LBA或者CHS模式就没有意义了），所以，在 判断硬盘是否支持LBA时，先判断是不是硬盘。这里用testb $STAGE1_BIOS_HD_FLAG,%dl来判断，dl寄存器里装载的是磁盘号，有三大类情况：硬盘（0x80、0x81）、软盘（0x00、0x01）、无效的盘（0xff）。而前面的宏就是0x80，所以通过testb和jz指令判断，如果dl中不是80或81（也就是不是硬盘），就跳转到chs_mode函数下面。另外，如果此处判断出是硬盘的话，再接着判断是否支持LBA，使用的工具就是BIOS的int 13h中断。通过 BIOS 调用 INT 0x13 来确定是否支持扩展，
LBA 扩展功能分两个子集 , 如下 :
第一个子集提供了访问大硬盘所必须的功能 , 包括
1.检查扩展是否存在 : ah = 41h , bx = 0x55aa , dl = drive( 0x80 ~ 0xff )
2.扩展读 : ah = 42h
3.扩展写 : ah = 43h
4.校验扇区 : ah = 44h
5.扩展定位 : ah = 47h
6.取得驱动器参数 : ah = 48h
第二个子集提供了对软件控制驱动器锁定和弹出的支持 ,包括
1.检查扩展 : ah = 41h
2.锁定/解锁驱动器 : ah = 45h
3.弹出驱动器 : ah = 46h
4.取得驱动器参数 : ah = 48h
5.取得扩展驱动器改变状态: ah = 49h
下面开始具体检测 , 首先检测扩展是否存在。此时寄存器的值和 BIOS 调用分别是：AH = 0x41，BX = 0x55AA，DL = driver( 0x80 ~ 0xFF )，然后INT 13H，看返回结果：如果支持CF= 0；否则CF = 1；CF = 0 (支持LBA) 时的寄存器值代表含义：
ah：扩展功能的主版本号( major version of extensions )
al：内部使用( internal use )
bx ：AA55h ( magic number )
cx：Bits Description
0 extended disk access functions
1 removable drive controller functions supported
2 enhanced disk drive (EDD) functions (AH=48h,AH=4Eh) supported.
Extended drive parameter table is valid
3~15 reserved (0)
CF = 1 (不支持LBA) 时的寄存器值 :
ah = 0x01 ( invalid function )
现在stage1.s使用movb $0x41, %ah；movw $0x55aa, %bx；int $0x13； jc chs_mode来进行上述判断。如果不支持LBA，则cf就是1，跳转到chs_mode函数运行。有的bios的int 13h中断会影响到dl，所以此处用pop和push指令将其保护起来。然而cf不等于1也不表示就支持LBA了，还得再判断bx是不是aa55h，使用cmpb $0xaa55,%bx ;jne chs_mode再判断一次，如果bx里存的不是预期的返回值，同样不支持lba，也要进入chs_mode函数。这里有个强制LBA模式要注意下，就是 说，当cf是1，bx也是aa55，那么可以不用在判断就进入强制LBA模式，代码是这样写的，使用MOV_MEM_TO_AL宏将force_lba变 量值传递到al，判断是否为0。不为零强行进入lba_mode函数。然后判断cx，如果cx为0的话表明不支持扩展第一子集，这时也进入chs_mode函数。所以总结进入chs_mode的情况，如下：
第一、 磁盘号非80h或81h，进入chs_mode
第二、 int13h,41h子功能，返回cf为0，进入进入chs_mode
第三、 int13h,41h子功能，返回bx不为aa55，进入chs_mode
第四、 如果没有设置强制LBA，而且也不支持扩展第一子集，进入chs_mode
第五、 其它情况，进入lba模式
那我们就先来分析进入chs模式的代码，你看，我们是以以上种种情况的发生而进入chs模式的，所以进入chs模式时，再来进行一些检测，来确定具体的情况。首先就是int13h的08功能号的使用。使用08功能可以检测chs模式中硬盘的参数，保存在各寄存器里：
DL:本机软盘驱动器的数目
DH:最大磁头号（或说磁面数目）。0表示有1个磁面，1表示有2个磁面
CH:存放10位磁道柱面数的低8位（高2位在CL的D7、D6中）。1表示有1个柱面，2表示有2个柱面，依次类推。
CL:0~5位存放每磁道的扇区数目。6和7位表示10位磁道柱面数的高2位。
AX=0
BH=0
BL表示驱动器类型：
1=360K 5.25
2=1.2M 5.25
3=720K 3.5
4=1.44M 3.5
ES:SI 指向软盘参数表
如果成功返回参数，则进入final_init函数；但是如果调用失败，进位标志CF=1，AH存放错误信息码。表明不支持硬盘的chs模式（前面也判断 了不支持lba），那就要考虑是不是软盘了。再使用testb和jz指令，若dl是00或01，则认为是软盘，就跳转到floppy_probe函数执行 （后文讨论此函数）。但是若连软盘也不是，只好准备报错了。跳转到hd_probe_error函数，这个函数调用MSG函数连同general_error函数一道输出“hard disk error”的字符。
好了，现在我们回来。刚开始经过一些列的判断，我们进入了LBA模式。然后，代码做了以下工作，movl 0x10（%si），%ecx，这个代码就是个废话，ecx寄存器被置入了一个无意义的值；然后将标号disk_address_packet处的地址赋 给si，再接着将[si-1]内存处置1（也就是mode被置1，表示LBA扩展读；如果是0，就是CHS寻址读）、将stage2的扇区数赋予ebx、 在[si]和[si+1]处存放10和00（movw $0x0010,(si)）、在[si+2]和[si+3]处存放01和00、在[si+4]和[si+5]处存放00和00、在[si+6]和[si+7]处存放0x00和0x70（这是stage1_bufferseg的值）、在[si+8][si+9][si+A][si+B]处存放0x01/0x00/0x00/0x00、在[si+c][si+d][si+e][si+f]处存放0x00/0x00/0x00/0x00。设置完毕 后，开始调用int 13h的42功能中断。如果出错，就跳转到chs_mode处。那么中断执行成功呢？
由si及其偏移量指向的内存保存着磁盘参数块，如下：
偏移量 大小 位数 描述
00h BYTE 8 数据块的大小 (10h or 18h)
01h BYTE 8 保留，必须为0
02h WORD 16 传输数据块数，传输完成后保存传输的块数
04h DWORD 32 传输时的数据缓存地址
08h QWORD 64 起始绝对扇区号（即起始扇区的LBA号码）
所以，通过int13h（42）中断的作用，硬盘上第二个扇区上的内容就被读到由si偏移量为4h、5h、6h、7h确定的内存区域上了，此处是0x7000：0x0000。执行成功，将bx赋值0x7000，然后跳至copy_buffer子函数处。
LBA已完，gemfield在阅读copy_buffer前再回头看当初程序跳至chs_mode后是怎么运行的。上文中已经指出了，到达chs_mode后经过条件判断，一共产生了三种情况，第一是进入硬盘的chs子函数（final_init）；第二是进入软盘子程序 （floppy_probe）；第三种情况是进入报错子函数，在屏幕上输出一系列错误。那就由gemfield从第一种情况开始吧。程序运行到final_init后，将扇区数保存到si、设置mode为0、eax清零为存放磁头数做准备、将dh中存放的磁头数保存到al中、使用incw %ax指令（因为磁头数是以0~n-1方式排列的，所以增1后才是真正的磁头数）、将磁头数保存至[si+4][si+5][si+6][si+7]内存 地址上、清dx为存放扇区数做准备、cl中的0~5位存放的是扇区数，所以dx逻辑左移2位后在dh中出现的两位就是柱面数的高2位，并且把这2位移到ah中，而ch存放的柱面数低8为移至al中，这样ax里就是柱面数了，这里因为同样的道理要进行incw %ax操作，并且把真正的柱面数放到地址为[si+8][si+9]的内存上、然后用同样的移动方法产生真正的扇区数并保存在地址为[si][si+1] [si+2][si+3]的内存上。
然后在使用int 13h（0x02）功能前要进行必备的参数设置：eax存放stage2的扇区编号（stage2_sector，默认为1）、清edx寄存器、然后通过 （stage2扇区数）/（扇区数）获得引导扇区数。注意对于div指令来说，eax恒定存放被除数，div后面的寄存器存放的是除数。余数在edx中存 放，第一个余数（扇区数）放到地址为[si+10]的内存上并将edx清零、再用(上一步除法的商) /（磁头数）得到的余数为磁头数，存放在[si+11]内存地址上。商为柱面数并存放在eax中并同时保存至[si+12][si+13]内存地址上。然 后将之前中断获得的柱面数与此处stage2所占柱面数相比较，如果stage2柱面数大，那么明显错误，程序将跳至geometry_error处。
现在，将[si+13]的内容赋值给dl（柱面数的高2位）并且左移6位、将扇区数放到cl中再增1、然后通过orb %dl，%cl和movb 12（%si），%dh指令达到这么一种情况，即：cl中存放的是扇区数和柱面数的高2位，ch中存放的是柱面数的低8位、然后恢复驱动器号（popw %dx）、然后将磁头数放置到dh中，然后将0x7000赋值给es并将bx清零，赋值0x0201给ax（获得中断功能号），参数现在设置完毕，开始调用int 13h中断：
%al = number of sectors（需要读的扇区数）
%ah= 0x02（功能号）
%ch = cylinder（起始柱面数）
%cl = sector (bits 6-7 are high bits of "cylinder")
%dh = head
%dl = drive (0x80 for hard disk, 0x0 for floppy disk)
%es:%bx = segment:offset of buffer
调用中断后，将0柱面、0磁道、2扇区的内容读到0x7000：0x0000内存处。然后程序跳转至copy_buffer处，和LBA殊途同归呀。
我们看看copy_buffer做了什么。将0x8000赋值给es、给cx赋值0x100、给ds赋值0x7000、si和di清零、方向标志DF置 零，然后使用rep和movsw指令将ds:si处连续的512字节内容传输到es:di指定的内存地址（0x8000:0x0000）。其中，rep指 令的含义就是重复执行后一句指令，没执行一次。cx减1，直至cx为0。这也是前面cx赋值0x100（256）的原因。movsw每次传输一个 字，256次就是512字节。然后popw %ds; popa还原寄存器。
接着，程序跳转到0x8000处继续执行，到此就开始执行新的模块了，stage1的任务也已经结束了。代码中*（stage2_address）的星号是at&t汇编的规范：绝对跳转/调用（相对于与程序计数器有关的跳转/调用）操作数前面要加星号"*"。
然而，前面所述的chs模式中的第二种情况——软驱情况将会带领gemfield进入floppy_probe子函数，此处要使用int 13h（0x00功能号）来进行软驱的复位。成功的话cf=0；然后准备调用int 13h（功能号是0x02），这和chs中的int 13h，ah=0x02是一样的。所以，先来为中断准备必须的参数：软驱复位后，将[si]处的值赋给cl（cl是起始扇区数），我们知道，由于循环，我们给了cl 4次机会，因为循环中有incw %si指令，所以si中的值是递增的，从probe_values开始，在每一次的机会中依次给cl赋予了0x24、0x12、0x0f、0x09这几种值，当然，试完后还不对的话就要执行报错函数了。
像以前那样，依次准备好bx、ah、al、ch、cl、dh的值后，就要int 13h了。成功后，dh赋值1、ch赋值0x4f，dh设置为 79 , 表示柱面最大值为 79(80柱:0~79)，dh 设置为 1 , 表示磁头数最大值为 1(2头:0~1)，然后跳转至final_init，在上文中关于final_init的分析 , 我们知道保存时会把柱面和磁头分别加 1 , 扇区不变，因此 ,在软盘加载时 , 将设置 Cylinder : Head : Sector = 80 : 2 : start_sector。最终就跳转至final_init函数处执行了。
gemfield的本文中，依然要注意的还有为了兼容性而设置的windows nt魔术头标识的偏移、part_start作为标识的分区表起始地址的标记的偏移、以及引导扇区结束标志0xaa55。
总的说来，在gemfield这篇稍显凌乱的文章里，主要介绍了stage1.s的使命，简介来说，就是开机时首先被BIOS INT19H装载到内存0x7c00处，然后判断chs和lba模式，然后使用int13h中断将磁盘上第二扇区的内容读到0x7000处，然后通过子函 数copy_buffer再将其调到0x8000的位置上，这个第二扇区的内容就是以后gemfield的嵌入系统版块中将要介绍的start.s模块。
