QOS 开发日记 1: 环境配置与简易 MBR

环境配置

选择 bochs 作为 x86 模拟器。安装：

bash
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brew install sdl2 # 依赖
brew install bochs

选择 nasm 作为汇编器。安装：

bash
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brew install nasm

项目文件结构：

plaintext
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QOS/
+---src/          源码
+---bin/          输出的二进制文件
+---harddisk.img  模拟硬盘文件
+---.bochsrc      bochs 配置文件

bochs 配置

配置启动盘

用 bochs 自带的 bximage 即可。根据它的提示输入选项。

硬盘种类选择 flat，页大小（size of sector）选 512，总大小 60M。

名字就叫 harddisk.img 好了。

配置启动文件

这里有很多坑。。。。直接贴 .bochsrc 罢

yml
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# 设置内存为 32 MB
megs: 32

# 设置机器 BIOS
romimage: file=/opt/homebrew/Cellar/bochs/2.8/share/bochs/BIOS-bochs-latest
# 设置 VGA BIOS
vgaromimage: file=/opt/homebrew/Cellar/bochs/2.8/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

# 设置启动盘为硬盘（不要软盘 qwq）
boot: disk

# 设置日志输出
log: bochs_out.log

# 禁用鼠标
mouse: enabled=0

# 启用键盘并设置映射
# 这里应当要选 sdl2-pc-us.map
# 注意这样设置之后会导致当前终端的输入出锅，需要重启终端
# 典型问题：vim 中输入 <backspace> 被识别为 ^?
keyboard: keymap=/opt/homebrew/Cellar/bochs/2.8/share/bochs/keymaps/sdl2-pc-us.map

# 设置硬盘相关
# 启用 ata0 控制器，指定其 IO 端口地址（主要 0x1f0，次要 0x3f0），终端请求线为 14
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14
# ata0 可以挂载两个盘，这里先只挂一个主盘
ata0-master: type=disk, path=/Users/macbookair/Desktop/QOS/harddisk.img, mode=flat

保存退出，然后运行

bash
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bochs -f .bochsrc

使用配置文件启动模拟器。模拟器启动之后会告诉你串口号，直接 screen 过去即可。

这时进入的是调试器，输入 c 表示 continue，继续运行。

当然现在运行是报错的：no bootable device。

MBR 编写

主引导记录（master boot record）是机器启动之后运行的第二块代码（第一块是 BIOS）。

前置芝士

启动操作系统的时候，机器会先运行ROM里的 BIOS，做一些和硬件相关的检查，并建立中断向量表（IVT）。同时，刚开机的时候，x86 架构进入的是实模式，也就是用绝对地址的模式。此时由于地址线只有 20 条，按字节寻址只能包含 1 MB 的地址（从 0x00000 到 0xfffff）。这 1M 的空间分布是这样的：

起始地址 结束地址 总大小 用途描述
0xfffef 0xfffff 16B BIOS 入口
0xf0000 0xfffef 65520B 系统 BIOS
0xc8000 0xeffff 163840B 映射硬件适配器的 ROM 或内存映射式 IO
0xc0000 0xc7fff 32767B 显示适配器 BIOS
0xb8000 0xbffff 32768B 文本显示适配器
0xb0000 0xb7fff 32768B 黑白显示适配器
0xa0000 0xaffff 65536B 彩色显示适配器
0x9fc00 0x9ffff 1024B 扩展 BIOS 数据区（EBDA）
0x07e00 0x9fbff 622080B 可用
0x07c00 0x07dff 512B MBR 加载地址
0x00500 0x07bff 30464B 可用
0x00400 0x004ff 256B BIOS 数据区
0x00000 0x003ff 1024B 中断向量表

系统使用 16 位的 cs 和 ip 寄存器，利用分段机制进行寻址（一般来说是 cs:ip）。但是此时寻址都是 20 位的，需要一些处理才能用两个 16 位寄存器表示。处理方式：cs 左移 4 位再加上 ip，写成 C++ 就是：

cpp
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(cs << 4) + ip

在启动时，cs:ip 强制初始化为 0xf000:0xfff0，那么初始的地址就是 0xffff0。事实上这个位置就是一句 jmp。

然后在 BIOS 执行的最后，它会检查磁盘的某个特定扇区（0 盘 0 道 1 扇区），如果这个扇区末尾两个字节是 0x55 0xaa，那么它就认为这个扇区是活动的，然后把它加载到 0x07c00。我们刚刚设置了扇区大小为 512B。最后的最后 BIOS 执行指令 jmp 0x0000:0x7c00 跳转到那个位置，开始执行。

（由于 x86 平台采用小端序，第 511 字节应当是 0xaa，512 才是 0x55。）

简易 MBR

我们现在只用做到清屏、输出字符串、反复 jmp 实现等待即可。

关于系统中断：向寄存器 ah 存入功能号，然后 int 中断号。注意是向 a 的高位传值。

清屏：功能号 0x06，中断号 0x10。

输出：功能号 0x13，中断号 0x10。

获取光标位置：中断号 0x03。

于是我们直接写代码即可。

x86asm
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; src/mbr.s
; 主引导记录
;*-----------------------*;
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 表示起始地址为 0x7c00
    mov ax, cs ; 此时 cs 是 0x00，把它当零寄存器用用
    mov dx, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov fs, ax ; 清空这些寄存器
    mov sp, 0x7c00 ; 当前栈指针指向 0x7c00

; 清屏。实际上是上卷，上卷所有行就是清屏了
; ah: 功能号 0x06
; al: 上卷行数，如果为 0 就是全部
; bh：上卷行属性
; (cl, ch) 窗口左上角 (x, y)
; (dl, dh) 窗口右下角 (x, y)
; 无返回值
    mov ax, 0x0600 ; 0x06, 0x00
    mov bx, 0x0700 ; 0x07, 0x00
    mov cx, 0x0000 ; 左上角 (0, 0) = (0x00, 0x00)
    mov dx, 0x184f ; 右下角 (79, 24) = (0x4f, 0x18)。VGA 文本模式一行只有 80 字符
    int 0x10 ; 调用中断

; 获取光标位置
; ah: 功能号 0x03
; bh: 待获取的光标页号
; 返回：
; ch: 光标开始行
; cl: 光标结束行
; dh: 光标所在行
; dl: 光标所在页
    mov ax, 0x0300 ; 0x03, 0x00
    mov bx, 0x0000 ; 0x00, 0x00
    int 0x10

; 打印字符串
; ah: 功能号 0x13
; al: 打印模式：0 显示字符串，光标返回起始位置；1 显示字符串，光标跟随；2 显示字符串和属性，光标返回起始位置；3 显示字符串和属性，光标跟随
; es:bp: 字符串地址。由于已经初始化 es = cs，所以不用管了
; bh: 储存要显示的页号
; bl: 字符属性，0x02 表示黑底绿字
; cx: 字符串长度
; (dl, dh): (光标所在页, 光标所在行)
    mov ax, message ; 输入字符串地址
    mov bp, ax ; 挪到 bp 里面
    mov cx, 0x0016 ; 字符串长度为 22=0x16（不算行末 \0）
    ; dx 寄存器直接使用上面获得的光标位置
    mov bx, 0x0002 ; 当前页为第 0 页，属性 0x02
    mov ax, 0x1300 ; 0x13, 0x00
    int 0x10

; 无限循环，等待
    jmp $ ; $ 表示当前指令位置；$$ 

; 数据
    message db "QOS: test print string"

; 把剩下的填充为 0
    times 510 - ($ - $$) db 0 ; $$ 表示当前节的开始位置，那么 $-$$ 就是已经写了多少
    db 0x55, 0xaa ; 填充最后两个字节。注意端序问题

保存然后汇编：

bash
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nasm src/mbr.s -o bin/mbr.bin

然后可以用 xxd 观察 mbr.bin，发现最后两字节确实是 55aa：

bash
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QOS % xxd bin/mbr.bin
00000000: 8cc8 89c2 8ec0 8ed0 8ee0 bc00 7cb8 0006  ............|...
00000010: bb00 07b9 0000 ba4f 18cd 10b8 0003 bb00  .......O........
00000020: 00cd 10b8 357c 89c5 b916 00bb 0200 b800  ....5|..........
00000030: 13cd 10eb fe51 4f53 3a20 7465 7374 2070  .....QOS: test p
00000040: 7269 6e74 2073 7472 696e 6700 0000 0000  rint string.....
00000050: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
00000060: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
00000070: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
[ 以下省略好多行。。。 ]
000001d0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
000001e0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
000001f0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 55aa  ..............U.

同样通过 ls 也可以看出 mbr.bin 大小正好是 512B。

汇编之后就是写入 ROM 了。使用 dd 命令：

bash
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dd if=bin/mbr.bin of=harddisk.img count=1 bs=512 counv=notrunc

dd 命令格式：

  • of=FILE: 指定被写入的文件为 FILE
  • if=FILE: 指定输入文件为 FILE
  • bs=BLOCKS 指定块的大小
  • count=指定块数
  • seek=BLOCKS 指定写入到文件时要跳过几个块
  • conv=CONVS 指定转换方式，notrunc 表示不截断文件

写入之后使用同样的命令运行，成功！