汇编语言一发入魂 0x0C - 解放生产力
在上一篇文章中，老李已经教大家将控制权从汇编语言转移到C 语言，但是我们的活动范围依然受限于512字节的引导扇区。今天老李就带领大家突破这512字节的限制，真正的解放生产力。
前置知识
如果你一路跟着老李走过来，那么这些前置知识你应该已经掌握了。忘记也没关系，回过头再去看看就 ok 了。
单刀直入，直接看第一个示例。
读取硬盘数据
目标
我们会构造一个1KB大小的磁盘映像文件，第一个扇区，即前512字节，保存我们的引导扇区程序，第二个扇区，即后512字节，保存一个文本文件。通过引导扇区的程序将第二个扇区的文本文件打印在显示器上。
大体上来说完成这个目标需要两个步骤。第一步，将数据从磁盘读取到内存；第二步，将数据打印到显示器上。显然，第一步需要进行磁盘的 I/O 操作，第二步则相对简单。
目录结构
$ tree .
.
├── boot.S
├── main.c
├── Makefile
├── message.data
├── mmu.h
├── types.h
└── x86.h
其中boot.S、mmu.h内容与前一篇文章相同，不再重复介绍。完整的代码戳这里。
先来看types.h。
#ifndef __TYPES_H_
#define __TYPES_H_
typedef __signed char int8_t;
typedef unsigned char uint8_t;
typedef short int16_t;
typedef unsigned short uint16_t;
typedef int int32_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef long long int64_t;
typedef unsigned long long uint64_t;
#endif
我们定义了一些类型，可以让我们少打几个字。
x86.h
#include "types.h"
static inline uint8_t
inb(uint16_t port)
{
uint8_t data;
asm volatile("inb %1,%0"
: "=a"(data)
: "d"(port));
return data;
}
static inline void
outb(uint16_t port, uint8_t data)
{
asm volatile("outb %0,%1"
:
: "a"(data), "d"(port));
}
static inline void
insl(int port, void *addr, int cnt)
{
asm volatile("cld; rep insl"
: "=D"(addr), "=c"(cnt)
: "d"(port), "0"(addr), "1"(cnt)
: "memory", "cc");
}
这里我们使用内联汇编定义了三个函数，这三个函数使用static、inline修饰。static保证函数只在声明它的文件中可见，避免和其他相同名称的函数冲突。inline告诉编译器尽可能将函数内联到调用它的地方，这样可以减少函数调用次数，提高效率，但这不是必然。
inb函数内联了inb指令，用于从指定端口读取1字节数据。
outb函数内联了outb指令，用于向指定端口写入1字节数据。
insl函数内联了cld; rep insl指令，cld用于清除方向标志，使偏移量向正方向移动，这个偏移量其实就是传入的addr，会被关联到edi，反汇编的结果中可以看到，请大家自己实验。rep前缀用于重复执行insl，重复的次数由ecx决定，即传入的参数cnt。最终数据会被连续读取到addr指向的内存处。
main.c
#include "x86.h"
void readsect(void *dst, uint32_t offset);
void bootmain(void)
{
readsect((void *)0xb8000, 1);
while (1)
;
}
void waitdisk(void)
{
while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
;
}
void readsect(void *dst, uint32_t offset)
{
waitdisk();
outb(0x1F2, 1);
outb(0x1F3, offset);
outb(0x1F4, offset >> 8);
outb(0x1F5, offset >> 16);
outb(0x1F6, (offset >> 24) | 0xE0);
outb(0x1F7, 0x20);
waitdisk();
insl(0x1F0, dst, 512 / 4);
}
第3行声明函数readsect，用于从磁盘读取一个扇区。参数dst指定目的内存位置，参数offset指定要读取的扇区的偏移量。我们将使用LBA模式访问磁盘，该模式从0开始编号数据块，第一个区块LBA=0，第二个区块LBA=1，以此类推。
第7行调用readsect，将偏移量为1的扇区，即第二个扇区的数据读取到内存0xb8000处。因为我们将向该扇区写入ASCII编码的文本，所以可以直接将数据读取到显存对应的内存处，以直接打印文本。
第13~17行定义函数waitdisk，采用忙等的方式等待磁盘准备好进行数据传输。端口1F7既是命令端口，又是状态端口。作为状态端口时，每一位含义如下：
- 第
7位 控制器忙碌 - 第
6位 磁盘驱动器已准备好 - 第
5位 写入错误 - 第
4位 搜索完成 - 第
3位 为1时扇区缓冲区没有准备好 - 第
2位 是否正确读取磁盘数据 - 第
1位 磁盘每转一周将此位设为1 - 第
0位 之前的命令因发生错误而结束
inb(0x1F7)从端口0x1F7读取出状态，与0xC0做&运算，只保留高两位，即第7位和第6位，如果不等于0x40（控制器不忙且已准备好交互），则继续等待、测试。
第19~33行定义函数readsect。
第21行，函数首先调用waitdisk以确保磁盘准备好交互。
第23行，向端口0x1F2写入1，指定读取的扇区数量为1。
第24~27行，向端口0x1F3、0x1F4、0x1F5、0x1F6写入28位的逻辑扇区编号，其中端口0x1F6的高四位写入0xE，表示以LBA模式访问主硬盘。
第28行，端口0x1F7做为命令端口，向其写入0x20表示请求读硬盘。
第30行，继续等待硬盘准备好数据。
第32行，调用函数insl从端口0x1F0读取数据到dst，0x1F0是数据端口。读取的次数是512 / 4，因为一个扇区包含512个字节，而insl指令一次可以读取4个字节。
message.data
H
e
l
l
o
l
a
o
l
i
!
每一个字符换一行，因为换行符的ASCII码为0a，正好等于浅绿色的字符显示属性，所以我们可以直接将其与字符一起读入显存对应的内存处，做为字符的显示属性。既可以说是偷懒，也可以说是个小技巧。因为我们的目的是演示如何使用 C 语言读写磁盘。message.data的底层内容如下：
$ xxd -a message.data
00000000: 480a 650a 6c0a 6c0a 6f0a 200a 6c0a 610a H.e.l.l.o. .l.a.
00000010: 6f0a 6c0a 690a 210a o.l.i.!.
编译链接
$ cc -m32 -c -o boot.o boot.S
$ cc -m32 -fno-builtin -fno-pic -nostdinc -c -o main.o main.c
$ ld -N -e start -Ttext=0x7c00 -m elf_i386 -o boot.elf boot.o main.o
$ objcopy -S -O binary -j .text boot.elf boot.bin
$ cp boot.bin boot
$ ./sign boot
制作磁盘映像
$ dd if=/dev/zero of=boot.img bs=512 count=2
$ dd if=boot of=boot.img conv=notrunc
$ dd if=message.data of=boot.img seek=1 conv=notrunc
运行
$ qemu-system-i386 -drive file=boot.img,format=raw -monitor stdio
结果如下:
可以看到从!到e中间的部分是黑掉的。因为我们没有那么多数据，但是readsect还是会读取512个字节，而剩下的字节都是0。
加载“内核”
其实我们上一个栗子的代码已经相当于一个操作系统的bootloader了。我们从磁盘读取了一段数据并显示在屏幕上，如果我们读取一段程序并执行它呢？这可不就是一个bootloader加载内核的过程吗。你品，你细品。
接下来老李就带大家撸一个Hello world 内核加载到内存并运行起来。
目录结构
$ tree .
.
├── boot.S
├── kernel.c
├── main.c
├── Makefile
├── mmu.h
├── types.h
└── x86.h
还是挑有变化的来讲，除了main.c和kernel.c，其他内容都与之前相同。完整的代码戳这里。
main.c
#include "x86.h"
void readsect(void *dst, uint32_t offset);
void bootmain(void)
{
readsect((void *)0x10000, 1);
((void (*)(void))(0x10000))();
while (1)
;
}
void waitdisk(void)
{
while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
;
}
void readsect(void *dst, uint32_t offset)
{
waitdisk();
outb(0x1F2, 1);
outb(0x1F3, offset);
outb(0x1F4, offset >> 8);
outb(0x1F5, offset >> 16);
outb(0x1F6, (offset >> 24) | 0xE0);
outb(0x1F7, 0x20);
waitdisk();
insl(0x1F0, dst, 512 / 4);
}
不同处在第7、9行。
第7行，这次我们将数据读取到了内存0x10000处。
第9行，通过强制类型转换，将0x10000处开始的内容转换成了一个函数并调用，函数的类型是void (*)(void)。如果像下面这样写可能会好理解一点：
void (*entry)(void);
entry = (void (*)(void))(0x10000);
entry();
kernel.c
#include "types.h"
void entry(void)
{
uint16_t *video_buffer = (uint16_t *)0xb8000;
for (int i = 0; i < 80 * 25; i++)
{
video_buffer[i] = (video_buffer[i] & 0xff00) | ' ';
}
video_buffer[0] = 0x0700 | 'l';
video_buffer[1] = 0x0700 | 'a';
video_buffer[2] = 0x0700 | 'o';
video_buffer[3] = 0x0700 | 'l';
video_buffer[4] = 0x0700 | 'i';
video_buffer[5] = 0x0700 | '!';
}
常规操作，清屏，打印字符，大家应该已经轻车熟路了。
编译链接
制作 bootloader
$ cc -m32 -c -o boot.o boot.S
$ cc -m32 -fno-builtin -fno-pic -nostdinc -c -o main.o main.c
$ ld -N -e start -Ttext=0x7c00 -m elf_i386 -o boot.elf boot.o main.o
$ objcopy -S -O binary -j .text boot.elf boot.bin
$ cp boot.bin boot
$ ./sign boot
制作 kernel
$ cc -m32 -fno-builtin -fno-pic -nostdinc -c -o kernel.o kernel.c
$ objcopy -S -O binary -j .text kernel.o kernel
制作磁盘映像
$ dd if=/dev/zero of=boot.img bs=512 count=2
$ dd if=boot of=boot.img conv=notrunc
$ dd if=kernel of=boot.img seek=1 conv=notrunc
运行
$ qemu-system-i386 -drive file=boot.img,format=raw -monitor stdio
结果如下:
总结
先来说一下上面所谓的“内核”潜在的一些问题。我们只是简单的从磁盘读取了512字节的数据，事实上真正的“内核”的大小是变化的，可能小于512字节，但更多的可能是大于512字节。所以我们需要将“内核”的大小写在某个地方，让bootloader知道应该读取多少扇区。
再来说一下写汇编语言这个系列的初衷，是为了开发操作系统做一些准备工作。如果只是学习操作系统的理论知识那完全可以不学习汇编语言，但如果想开发一个操作系统，那汇编语言的知识就是必不可少的。因为不可避免的要和硬件打交道，不论是x86、arm还是其它的体系结构。
到目前为止，汇编语言的基础知识已经讲的差不多了，保护模式的概念也介绍了一些，还有很多没有介绍，剩下的部分我打算结合操作系统讲解，想继续学习的小伙伴们请移步到这里。
参考MIT 6.828: Operating System Engineering。
（完）