动手写操作系统3----软盘读写逻辑实现_软盘的读写

        系统从软盘启动，加载软盘第一个扇区作为引导扇区来加载操作系统，第一个扇区大小为512byte，一般用来跳转到操作系统代码起始处，第一个扇区称为引导区，现在来研究一下软盘的物理结构，引导扇区的数据格式以及软盘的读写逻辑实现。

软盘物理结构

软盘的物理结构，以及软盘的数据读取方法

              

        软盘的物理结构如上图，一个盘面被划分成若干个圆圈，例如图中的灰色圆圈，我们称之为磁道，也可以称作柱面，一个磁道或柱面，又被分割成若干部分，每一部分，我们称之为一个扇区，一个扇区的大小正好是512Byte,从而，当我们把数据存储到软盘上时，数据会分解成若干个512Byte大小的块，然后写入到扇区里。要读取数据时，磁头会挪动到扇区所在的磁道或柱面，然后盘面转动，当要读取的扇区转到磁头正下方时，磁头通电，通过电磁效应将扇区的数据读取到内存中。一个磁盘有两个盘面，每个盘面的组成跟右边图形一样，同时每个盘面对应一个磁头，所以当想从磁盘上读取数据时，需要确定数据在哪一个盘面，从而确定要用哪一个磁头来读取数据，然后确定哪一个磁道，最后再确定要读取的数据都存储在哪一个扇区。

       3.5寸软盘，有两个盘面head，对应两个磁头，每个盘面有80个磁道cylinder，也就是柱面，编号分别为0-79. 每个柱面都有18个扇区sector，编号分别为1-18. 所以一个盘面可以存储的数据量大小为：
512 * 18 * 80
       一个软盘有两个盘面，因此一个软盘可以存储的数据为：
2 * 512 * 18 * 80 = 1474560 Byte = 1440 KB

引导扇区数据格式

       引导扇区是软盘的第0个扇区，数据结构叫BPB（BIOS Parameter Block）

其中BPB_开头的属于BPB，以BS_开头的只是BOOT Sector的一部分，不属于BPB。

参考以上格式来理解一下hello world汇编代码

org  0x7c00  ;CPU上电第一条指令位置  
 
jmp  entry  ;跳转到程序入口处
db   0x90
DB   "OSKERNEL"   ;厂商名
DW   512  ;每扇区字节数（Bytes/Sector）
DB   1  ;每簇扇区数（Sector/Cluster）
DW   1  ;Boot记录占用多少扇区
DB   2  ;共有多少FAT表
DW   224  ;根目录区文件最大数
DW   2880  ;扇区总数
DB   0xf0  ;介质描述符
DW   9  ;每个FAT表所占扇区数
DW   18  ;每磁道扇区数（Sector/track）
DW   2  ;磁头数（面数）
DD   0  ;隐藏扇区数
DD   2880  ;如果BPB_TotSec16=0,则由这里给出扇区数
DB   0,0,0x29  ;INT 13H的驱动器号,保留，未使用,扩展引导标记(29h)
DD   0xFFFFFFFF  ;卷序列号
DB   "MYFIRSTOS  "  ;卷标
DB   "FAT12   "  ;文件系统类型
RESB  18  ;
 
entry:
    mov  ax, 0
    mov  ss, ax
    mov  ds, ax
    mov  es, ax
    mov  si, msg
 
putloop:
    mov  al, [si]
    add  si, 1
    cmp  al, 0
    je   fin
    mov  ah, 0x0e
    mov  bx, 15
    int  0x10
    jmp  putloop
 
fin:
    HLT
    jmp  fin
 
msg:
    DB    0x0a,  0x0a
    db    "hello, world"
    db    0x0a
    db    0
TIMES 0x1FE-($-$$) DB 0x00
DB 0x55, 0xAA  ;结束标志

初始化寄存器，主要利用中断0x10来显示字符，具体使用说明如下：

以电传的方式写入字符串（AH=0x13）
------------------------------------------------------------------
			INT 0x10功能0x13
--------------------------------------------------------------
描述：
	以电传打字机的方式显示字符串
接受参数：
	AH			0x13
	AL			显示模式
	BH			视频页
	BL			属性值（如果AL=0x00或0x01）
	CX			字符串的长度
	DH,DL		屏幕上显示起始位置的行、列值
	ES:BP		字符串的段:偏移地址
返回值：
	无
显示模式（AL）：
	0x00:字符串只包含字符码，显示之后不更新光标位置，属性值在BL中
	0x01:字符串只包含字符码，显示之后更新光标位置，属性值在BL中
	0x02:字符串包含字符码及属性值，显示之后不更新光标位置
	0x03:字符串包含字符码及属性值，显示之后更新光标位置
-------------------------------------------------------------------

软盘读写逻辑C语言实现

利用C语言来实现软盘读写逻辑，首先明确一下C语言操作文件常用api    fopen   fclose    fseek    ftell

1. FILE *fopen( const char * filename, const char * mode );
2. int fclose( FILE *fp );
3. size_t fwrite ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE *fp );
   从内存中的ptr指向的地址开始，将连续n*size字节的内容写入fp文件中。该函数的返回值是实际写入的数据块个数。
4. size_t fread ( void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *fp );
   从文件fp中，连续读取n*size字节的内容，并存入ptr指向的内存空间。该函数的返回值是实际读入的数据块个数。
5. int fseek( FILE *stream, long offset, int origin );
   stream将指向以fromwhere为基准，偏移offset（指针偏移量）个字节的位置
6. long ftell(File *fp)
   返回文件指针当前位置到文件开头的长度。

软盘读写实现类

floppy.h

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
 
//根据文件名创建一个3.5寸虚拟软盘
FILE* initFloppy(char * fileName);
 
//从一个虚拟软盘fp中读取磁头head,柱面cylinder,扇区sector的数据到buf中
void readFloppy(int cylinder, int head, int sector, FILE *fp, char *buf);
 
//将buf中数据读取到虚拟软盘fp中读取磁头head,柱面cylinder,扇区sector
void writeFloppy(int cylinder, int head, int sector, FILE *fp, char *buf);

floppy.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
 
FILE* initFloppy(char *fileName){
   FILE *fp = fopen(fileName, "w");
   char buf[512];
   memset(buf, 0, 512);
   for(int cylinder=0; cylinder<80; cylinder++){
       for(int head=0; head<2; head++){
	      for(int sector=1; sector<=18; sector++){
	           fwrite(buf, 512, 1, fp);
	      }    
       }
   }
   return fp;
}
 
void readFloppy(int cylinder, int head, int sector, FILE *fp, char *buf){
    int index = 18*2*512*cylinder + 18*512*head + 512*(sector-1);
    int tmp = (int)ftell(fp);
    fseek(fp, index, SEEK_SET);
    fread(buf, 512, 1, fp);
    fseek(fp, tmp, SEEK_SET);
}
 
void writeFloppy(int cylinder, int head, int sector, FILE *fp, char *buf){
    int index = 18*2*512*cylinder + 18*512*head + 512*(sector-1);
    int tmp = (int)ftell(fp);
    fseek(fp, index, SEEK_SET);
    fwrite(buf, 512, 1, fp);
    fseek(fp, tmp, SEEK_SET);
}

模拟2*18*80=2880个扇区，以扇区为单位来进行读写，可以将汇编语言得到的文件写到虚拟软盘上来制作一张虚拟软盘。

makeFloppy.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "floppy.h"
 
int main(int argc, char *argv[]){
    FILE* src = fopen("boot", "r");
    FILE* img = initFloppy("system.img");
    if(src == NULL){
	printf("The file not found");
	exit(0);
    }
    char buf[512];
    memset(buf, 0, 512);
    fread(buf, 512, 1, src);
    writeFloppy(0, 0, 1, img, buf);
    fclose(src);
}

gcc编译以上文件

gcc makeFloppy.c floppy.c -o makeFloppy

执行可执行文件makeFloppy可以得到最终的虚拟软盘文件system.img，格式如下：

                                  

汇编语言读写软盘扇区

上述屏幕打印文件直接写在引导扇区，下面增强一下功能，将要显示的文件存放于非引导扇区，系统启动从其他扇区读取数据显示到屏幕中。系统读取软盘数据要使用13H中断，具体参数说明如下：

功能描述：读扇区
入口参数：AH＝02H
AL＝扇区数
CH＝柱面
CL＝扇区
DH＝磁头
DL＝驱动器，00H~7FH：软盘；80H~0FFH：硬盘
ES:BX＝缓冲区的地址
出口参数：CF＝0——操作成功，AH＝00H，AL＝传输的扇区数，否则，AH＝状态代码，参见功能号01H中的说明

       程序初始化在内存中申请64字节空间缓冲区，然后利用INT 13H中断将软盘中某个扇区数据读取到缓冲区，之前利用INT 10H中断将缓冲区数据显示到屏幕上。

汇编代码如下：

org  0x7c00
 
jmp  entry
db   0x90
DB   "OSKERNEL"
DW   512
DB   1
DW   1
DB   2
DW   224
DW   2880
DB   0xf0
DW   9
DW   18
DW   2
DD   0
DD   2880
DB   0,0,0x29
DD   0xFFFFFFFF
DB   "MYFIRSTOS  "
DB   "FAT12   "
RESB  18
 
entry:
    mov  ax, 0
    mov  ss, ax
    mov  ds, ax
    mov  es, ax
    mov  si, msg
 
readFloppy:
    mov ch, 1 ;磁道号cylinder
    mov dh, 0 ;磁头号head
    mov cl, 2 ;扇区号sector
    
    mov bx, msg ;数据存储缓冲区
    mov ah, 0x02 ;读扇区
    mov al, 1 ;连续读取扇区数量
    mov dl, 0 ;驱动器编号
 
    INT 0x13 ;调用BIOS中断
 
    jc error
 
putloop:
    mov  al, [si]
    add  si, 1
    cmp  al, 0
    je   fin
    mov  ah, 0x0e
    mov  bx, 15
    int  0x10
    jmp  putloop
 
fin:
    HLT
    jmp  fin
 
error:
    mov si, errmsg
    jmp putloop
 
msg:
    RESB 64
 
errmsg:
    DB "error"
 
TIMES 0x1FE-($-$$) DB 0x00
 
DB 0x55, 0xAA

主要增加了从磁头0 磁道1 扇区2位置处读取数据到缓冲区msg，调用BIOS中断来显示字符串。

往软盘磁头0 磁道1 扇区2位置处写入字符串

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "floppy.h"
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[]){
 
    printf("src %s \n", argv[1]);
    FILE* src = fopen(argv[1], "r");
 
    printf("img %s \n", argv[2]);
    FILE* img = initFloppy(argv[2]);
 
    if(src == NULL){
	printf("The file not found");
	exit(0);
    }
    
    //写入引导扇区
    char buf[512];
    memset(buf, 0, 512);
    fread(buf, 512, 1, src);
    writeFloppy(0, 0, 1, img, buf);
 
    //head0 cylinder1 sector2 写入字符串
    memset(buf, 0, 512);
    char str[100] = {"Hello World cylinder1 sector2"};
    strncpy(buf, str, 100); 
    writeFloppy(1, 0, 2, img, buf);
    fclose(src);
}

为了便于执行将程序简单修改一下，搞了个简单脚本  编译汇编代码  编译c语言  制作软盘文件

#!/bin/bash
nasm boot.asm
echo "nasm boot.asm"
gcc floppy.c makeFloppy.c -o makeFloppy
echo "gcc floppy.c makeFloppy.c -o makeFloppy"
./makeFloppy boot system.img
echo "./makeFloppy boot system.img"

利用virtualBox加载软盘文件结果如下：             

 

代码位置：https://github.com/ChenWenKaiVN/bb_os_core/tree/develop

BIOS中断总结

参考地址：

https://blog.csdn.net/Zllvincent/article/details/83515294

https://blog.csdn.net/tyler_download/article/details/51815483

https://blog.csdn.net/weixin_34342578/article/details/94067240

https://www.cnblogs.com/sea-stream/p/10850003.html

https://blog.csdn.net/m0_37329910/article/details/86081024

https://blog.csdn.net/BobYuan888/article/details/80153283   C语言文件读写函数总结

https://blog.csdn.net/weixin_37656939/article/details/79684611  BIOS 中断大全