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汇编语言-实现一个简单的主引导记录（MBR）引导用户程序_mbr.asm
作者：凡人多烦事01 | 2024-04-01 00:50:53
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mbr.asm
本文参考李忠老师的《X86汇编语言：实模式到保护模式》
前言
自己手动实现一个简单的主引导记录来引导用户程序，有助于了解
- 主引导程序的工作流程
- 在汇编代码层面如何调用函数（函数调用的原理）
- 在汇编代码层面如何读写硬盘（CPU与外围设备的交互）
内容虽然不多，但能够综合运用到多方面的知识。
主引导记录
以下内容参考自wiki
主引导记录（Master Boot Record，缩写：MBR），又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区，它在硬盘上的三维地址为（柱面，磁头，扇区）＝（0，0，1）
系统开机的过程：
- BIOS 加电自检，对系统硬件（包括内存）进行检查
- 读取主引导记录。BIOS 将磁盘第一个扇区（也就是 MBR 扇区）读入内存地址 0000:7C00H 处
- 根据 MBR 中的引导代码启动引导程序
- 引导程序加载操作系统内核
修改主引导记录
我们可以将自己写的机器指令写入到主引导扇区，这样 BIOS 自检后就会执行我们指定的程序。就像这样：
示例汇编代码 demo.asm：
mov ax, 0x1234
jmp $
;--------------------------------------------------------------
; $ 表示当前行的汇编地址
; $$ 表示第一行的汇编地址
; $-$$得到前面代码占用的字节数
times (512-2-($-$$)) db 0 ;主引导扇区总长度必须512字节，用0占位
db 0x55, 0xaa ;主引导扇区最后两个字节必须是0x55aa
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使用 nasm 进行编译得到 demo.bin 文件
用李忠老师的虚拟硬盘写入工具 Vhd writer 将 demo.bin 文件中的内容写入到 Vhd 虚拟硬盘的主引导扇区中
启动 bochsdbg 虚拟机进行调试，因为主引导记录将被加载到物理地址 0x7c00 处，我们使用命令b 0x7c00 、c连续执行指令，直到 ip 寄存器指向0x7c00时暂停运行
使用s命令进行单步调试，使用r命令观察寄存器的值
主引导记录引导用户程序
我们自己编写主引导程序，就可以让其加载其他内容（将控制权让出），比如某个用户程序。要加载用户程序，有一些必要的信息要给主引导程序：用户程序的总长度、程序的执行入口等。因此，就如同计算机世界中的各种协议头部一样，在用户程序的最前面，需要加上一个头部段。
头部段包含以下内容：
- 程序的总长度，占一个 double word，也即 4B
- 入口点段内偏移地址，占一个 word，也即 2B
- 入口点段汇编地址，占一个 double word，也即 4B
- 重定位表项数，占一个 word，也即 2B
- 与之对应的n项表项，每个表项占一个double word，也即 4B
用户程序代码示例代码：
;------------------------------------------------------ SECTION head_section vstart=0 ;用户程序头部段 app_length: dd app_end entry_offset: dw start ;用户程序入口点段内偏移地址 entry_sec_addr: dd section.code_section.start ;用户程序入口点段汇编地址 realloc_tbl_num: dw (head_sec_end-code_sec_base_addr)/4 ;每项4字节 code_sec_base_addr: dd section.code_section.start ;代码段汇编地址 data_sec_base_addr: dd section.data_section.start ;数据段汇编地址 stack_sec_base_addr: dd section.stack_section.start ;栈段汇编地址 head_sec_end: ;------------------------------------------------------ SECTION code_section align=16 vstart=0 ;代码段 put_string: ;input： ds:si 源字符串起始地址 ; es:di 目标位置起始地址 push ax ;保存寄存器 @1: mov al,[ds:si] cmp al,0 ;字符串结尾 je end_loop mov ah,0x0f ;字体格式 mov [es:di],ax add di,2 inc si jmp @1 end_loop: pop ax ;恢复寄存器 ret start: ;设置用户程序的栈空间 xor ax,ax mov sp,ax xor ax,[stack_sec_base_addr] mov ss,ax ;程序主体部分，显示数据段文本 mov ax,[data_sec_base_addr] mov ds,ax xor si,si mov ax,0xb800 mov es,ax xor di,di call put_string ;------------------------------------------------------ SECTION data_section align=16 vstart=0 ;数据段 db 'Hello World! ___Written by cy.',0 ;------------------------------------------------------ SECTION stack_section align=16 vstart=0 ;栈段 resb 256 ;------------------------------------------------------ SECTION end_section app_end:
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有了头部段，我们将用户程序读入到内存中，并将控制权交给它（修改段地址寄存器），就完成了加载工作。简单起见，我们做以下约定：
- 用户程序在磁盘第 100 个扇区中顺序存储
- 主引导程序始终将用户程序加载到物理内存 0x10000 处
读写硬盘
CPU与外围的 I/O设备传输数据需要借助 I/O接口，I/O接口内部集成了一些寄存器，我们称为端口，不同的端口有不同的作用，比如发送命令、发送数据等。CPU 从端口读写数据，与外围设备进行交互。我们用in和out指令从端口读写数据：
in指令：
;一般使用ax和dx寄存器
;选择ax还是al取决于端口的位宽
mov dx,0xc30 ;从0x3c0端口读取数据
in ax,dx
;in al,dx
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out指令：
mov dx,0xc30
out dx,ax ;往0x3c0端口写入数据
;out dx,al
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在我们的计算机中，硬盘接口拥有八个端口，依次是 0x1f0 至 0x1f7，要读写的端口号存放在 dx 中，数据存放在 ax/al 中
读写硬盘的最小单位是扇区，因此硬盘是典型的块设备。读写硬盘有两种模式：
- CHS模式（Cylinder Head Sector）柱面-磁头-扇区三元组
- LBA模式（Logic Block Address）逻辑扇区号
读取硬盘的基本步骤：
- 将要读取的扇区数量写入 0x1f2 端口
mov dx,0x1f2
mov al,0x1
out dx,al
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- 将选择的硬盘（主/从）、读写模式（CHS/LBA）以及扇区号共32位数据写入0x1f3、0x1f4、0x1f5、0x1f6端口
1010 0000 00000000 00000000 00000000
共写入32位，低28位表示扇区号
第29和31位固定为1
第28位为0表示读写主硬盘，为1表示读写从硬盘
第30位为0表示CHS读写模式，为1表示LBA读写模式在·
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mov dx,0x1f2 mov al,0x2 out dx,al;0000 0002 inc dx xor al,al out dx,al;0000 0000 inc dx out dx,al;0000 0000 inc dx inc dx mov al,0xe0 out dx,al;1110 0000 inc dx ;11100000 00000000 00000000 00000002 ;选择LBA读写模式，读写主硬盘的2号逻辑扇区
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- 向端口 0x1f7 写入 0x20 命令，请求读硬盘
mov dx,0x1f7
mov al,0x20
out dx,al
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- 判断硬盘是否已经准备好被读取
从 0x1f7 端口读取 1B 数据
mov dx,0x1f7
in al,dx
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00000000
共读取8位
第7位为1表示硬盘正忙
第3位为1表示硬盘已经可以交换数据
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轮询等待，直到可以读取数据
mov dx,0x1f7
.waits:
in dx,al
and al,0x88 ;取出第3位和第7位
cmp al,0x08
jnz .waits
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- 硬盘准备好被读取后，从数据端口 0x1f0 读取数据
;假定DS:BX已经指向数据要存放的逻辑地址
mov dx,0x1f0
mov cx,256 ;512B=256word
.readlo:
in dx,ax
mov [bx],ax
add bx,2
loop .readlo
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加载用户程序
明白怎么读取硬盘后，接下来的目标是加载整个用户程序。首先要将用户程序头部段加载入内存中，并解析头部段中的信息。
我们在前面已经做好如下约定：
- 用户程序在磁盘第 100 个扇区中顺序存储
- 主引导程序始终将用户程序加载到物理内存 0x10000 处
因此，我们将逻辑扇区号定义为常数，而物理地址因为后面需要访问，因此存放到一个4字节内存中：
disk_lba_address equ 100 ;定义常数，约定的逻辑扇区号
phy_base_address : dd 0x10000 ;约定的用户程序要存放的物理地址
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接下来，我们先将第 100 号扇区（包含了头部段）读入内存，并根据头部段中的第一个双字——程序的总长度来读入剩余的全部扇区
具体步骤如下：
- 读入第 100 号扇区（包含了头部段），并解析程序的总长度。一个扇区512B，总长度/512就是扇区个数，需要注意的是，无法整除时，还需要一个扇区。
mov ax,[cs:phy_base_address] mov dx,[cs:phy_base_address+2] mov bx,16 div bx ;左移四位得到逻辑段地址 mov ds,ax ;令ds指向将要载入的逻辑段地址 xor bx,bx ;对应read_hard_disk的输入 mov si,disk_lba_address ;对应read_hard_disk的输入 xor di,di call read_hard_disk ;读出头部段 mov ax,[0x00] ;dx:ax = 程序总长度 mov dx,[0x02] mov bx,512 div bx ;得到用户程序占用的扇区数 cmp dx,0 jz @1 ;占用整数个扇区 inc ax ;不是刚好占用整数个扇区，需要继续读取一个扇区才能读完 @1: dec ax ;已经读了一个扇区，减去
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- 使用loop循环来读取剩余扇区
mov cx,ax ;需要读取的扇区数量
@2:
mov ax,ds;
add ax,0x20 ;0x20<<4=0x200=512B，得到下一个512B的逻辑段地址
mov ds,ax
xor bx,bx
inc si ;读下一个逻辑扇区
call read_hard_disk
loop @2 ;循环读取剩余扇区
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用户程序的重定位
我们已经成功的将整个用户程序加载入内存之中，接下来的任务是将控制权交给用户程序，显然需要修改 cs:ip 寄存器为用户程序入口点的逻辑地址。
如何计算呢？在头部段中有两个信息：
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用户程序的入口点 段汇编地址。要通过该值计算出 cs，也即段基地址的值，其实很简单，用户程序被加载的起始物理地址是 phy_base_address，只需两者相加就是用户程序入口点的段实际物理地址，左移四位即得到段基地址 cs 的值
-
用户程序的入口点 段内偏移地址。直接对应了 ip 的值
计算出结果后，为了后续使用方便，我们直接将结果回填到 头部段中 用户程序的入口点段汇编地址 处。很“巧合”的是，在头部段偏移地址为 [0x04] 处存放的是 ip 的值，在头部段偏移地址为 [0x06] 处存放的是 cs 的值，直接使用jmp far指令即可跳转到用户程序入口点执行。
jmp far [0x04]
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在用户程序中，还有多个SECTION，如果不知道它们的段基地址，就难以使用。这时，重定位表项就派上用场了——我们按照上面的计算过程，将重定位表项中所有SECTION的段基地址计算出来，并一一回填到对应的内存空间中，这样，要访问这些SECTION的时候，只需要将段基地址设置为对应的值即可。
;计算用户程序入口点逻辑段地址
mov ax,[0x06]
mov dx,[0x08]
call cal_segment_base
mov [0x06],ax ;将计算得到的用户程序入口点段基地址回填到头部段[0x06]处
mov cx,[0x0a] ;重定位表项数
mov bx,[0x0c] ;第一项
@3:
mov ax,[bx]
mov dx,[bx+0x02]
call cal_segment_base
mov [bx],ax ;将计算得到的段基地址回填到重定位表项处
add bx,4
loop @3
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主引导程序拿回控制权【扩展】
用户程序执行完之后，肯定需要将控制权交回给上级，否则只能运行一个程序了，原理很简单，只需保存各个寄存器的值并恢复即可，但是对于cs/ip/ss/sp寄存器的保存和恢复需要特别小心，比如修改了cs，但是ip还没修改，这时候会直接指向其他指令（cs:ip改变了）。
另外， ip寄存器的值不能直接读写，还记得 call指令吗？它的原理是将 ip寄存器的值压入栈，因此我们可以通过 call指令间接得到 ip寄存器的值，就像这样：
push cs
call get_ip ;等价于push ip
get_ip:
pop ax ;得到ip的值
push ax
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看似天衣无缝了，不过这样保存的 ip是不对的哦，因为此时的 ip指向的是指令pop ax的起始地址，显然，我们想要的是push ax之后那条指令的起始地址。类似于这样的问题还有很多，动手实践的过程中就会遇到。
主引导程序拿回控制权代码（主引导程序部分）：
push ax ;保存环境 push bx push cx push dx push ds push es push di push si push cs ;【拓展内容】用户程序执行完之后将控制权还给主引导程序 call get_ip ;等价于push ip get_ip: pop ax ;得到ip的值 add ax,delta_2-get_ip push ax jmp far [0x04] ;==执行用户程序== delta_2: ;【拓展内容】主引导程序拿回控制权之后应该从此处开始执行 pop si pop di pop es pop ds pop dx pop cx pop bx pop ax ;恢复环境
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主引导程序拿回控制权代码（用户程序部分）：
mov si,ss ;【拓展内容】记录主引导程序的栈空间 mov di,sp ;设置用户程序的栈空间 xor ax,ax mov sp,ax xor ax,[stack_sec_base_addr] mov ss,ax push di push si ;【拓展内容】记录主引导程序的栈空间 ;用户程序代码部分 ;.............. ;.............. ;用户程序代码部分 pop si ;【拓展内容】用户程序执行完之后将控制权还给主引导程序 pop di mov ss,si mov sp,di retf ;= pop ip & pop cs
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However，总感觉控制权需要用户程序主动配合交出怪怪的… …
验证
主引导程序完整汇编代码 my_mbr.asm：
disk_lba_address equ 100 ;定义常数，约定的逻辑扇区号 SECTION mbr vstart=0x7c00 ;初始化栈寄存器 xor ax,ax mov ss,ax mov sp,ax mov ax,[cs:phy_base_address] mov dx,[cs:phy_base_address+2] mov bx,16 div bx ;左移四位得到逻辑段地址 mov ds,ax ;令ds指向将要载入的逻辑段地址 xor di,di mov si,disk_lba_address ;对应read_hard_disk的输入 xor bx,bx ;对应read_hard_disk的输入 call read_hard_disk ;读出头部段 mov ax,[0x00] ;dx:ax = 程序总长度 mov dx,[0x02] mov bx,512 div bx ;得到用户程序占用的扇区数 cmp dx,0 jz @1 ;占用整数个扇区 inc ax ;不是刚好占用整数个扇区，需要继续读取一个扇区才能读完 @1: dec ax ;已经读了一个扇区，减去 cmp ax,0 jz direct ;无扇区需要读了 push ds ;保存用户程序的逻辑段地址 mov cx,ax; @2: mov ax,ds add ax,0x20 ;0x20<<4=0x200=512B，得到下一个512B的逻辑段地址 mov ds,ax xor bx,bx inc si ;读下一个逻辑扇区 call read_hard_disk loop @2 ;循环读取剩余扇区 pop ds ;恢复用户程序的逻辑段地址 direct: ;计算用户程序入口点逻辑段地址 mov ax,[0x06] mov dx,[0x08] call cal_segment_base mov [0x06],ax ;将计算得到的用户程序入口点段基地址回填到头部段[0x06]处 mov cx,[0x0a] ;重定位表项数 mov bx,0x0c ;第一项的地址 @3: mov ax,[bx] mov dx,[bx+0x02] call cal_segment_base mov [bx],ax ;将计算得到的段基地址回填到重定位表项处 add bx,4 loop @3 push ax ;保存环境 push bx push cx push dx push ds push es push di push si push cs ;【拓展内容】用户程序执行完之后将控制权还给主引导程序 call get_ip ;等价于push ip get_ip: pop ax ;得到ip的值 add ax,delta_2-get_ip push ax jmp far [0x04] delta_2: ;【拓展内容】主引导程序拿回控制权之后应该从此处开始执行 pop si pop di pop es pop ds pop dx pop cx pop bx pop ax ;恢复环境 jmp $ ;------------------------------------------------------------------------ cal_segment_base: ;input： dx:ax = 段汇编地址 ;output：ax = 段基地址 push dx add ax,[cs:phy_base_address] adc dx,[cs:phy_base_address+2] ;带进位加法 ;ds:ax=段逻辑地址，要取出第4-19位 shr ax,4 ror dx,4 or ax,dx pop dx ret ;------------------------------------------------------------------------ read_hard_disk: ;从硬盘读入一个扇区 ;input: DI:SI = 扇区号 ; DS:BX = 物理内存 push di ;保存相关寄存器 push si push ds push bx push ax push dx push cx mov dx,0x1f2 mov al,1 out dx,al inc dx mov ax,si ;写入扇区号、读写模式、硬盘 out dx,al inc dx shr ax,8 out dx,al inc dx mov ax,di out dx,al inc dx mov al,0xe0 out dx,al inc dx ;发送请求读命令 mov al,0x20 out dx,al .waits: ;轮询硬盘是否可读 in al,dx and al,0x88 cmp al,0x08 jnz .waits mov dx,0x1f0 ;开始读硬盘 mov cx,256 .readlo: in ax,dx mov [bx],ax add bx,2 loop .readlo pop cx pop dx pop ax pop bx pop ds pop si pop di ;恢复相关寄存器 ret ;------------------------------------------------------------------------ phy_base_address : dd 0x10000 ;约定的用户程序要存放的物理地址 times (512-2-($-$$)) db 0 ;主引导扇区总长度必须512字节，用0占位 db 0x55, 0xaa ;主引导扇区最后两个字节必须是0x55aa
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用户程序完整汇编代码 my_app.asm：
;------------------------------------------------------ SECTION head_section vstart=0 ;用户程序头部段 app_length: dd app_end entry_offset: dw start ;用户程序入口点段内偏移地址 entry_sec_addr: dd section.code_section.start ;用户程序入口点段汇编地址 realloc_tbl_num: dw (head_sec_end-code_sec_base_addr)/4 ;每项4字节 code_sec_base_addr: dd section.code_section.start ;代码段汇编地址 data_sec_base_addr: dd section.data_section.start ;数据段汇编地址 stack_sec_base_addr: dd section.stack_section.start ;栈段汇编地址 head_sec_end: ;------------------------------------------------------ SECTION code_section align=16 vstart=0 ;代码段 put_string: ;input： ds:si 源字符串起始地址 ; es:di 目标位置起始地址 push ax ;保存寄存器 @1: mov al,[ds:si] cmp al,0 ;字符串结尾 je end_loop mov ah,0x0f ;字体格式 mov [es:di],ax add di,2 inc si jmp @1 end_loop: pop ax ;恢复寄存器 ret start: mov si,ss ;【拓展内容】记录主引导程序的栈空间 mov di,sp ;设置用户程序的栈空间 xor ax,ax mov sp,ax xor ax,[stack_sec_base_addr] mov ss,ax push di push si ;【拓展内容】记录主引导程序的栈空间 mov ax,[data_sec_base_addr] ;程序主体部分，显示数据段文本 mov ds,ax xor si,si mov ax,0xb800 mov es,ax xor di,di call put_string pop si ;【拓展内容】用户程序执行完之后将控制权还给主引导程序 pop di mov ss,si mov sp,di retf ;= pop ip & pop cs ;------------------------------------------------------ SECTION data_section align=16 vstart=0 ;数据段 db 'Hello World! ___Written by cy.',0 ;------------------------------------------------------ SECTION stack_section align=16 vstart=0 ;用户栈段 resb 256 ;为栈空间预留256B ;------------------------------------------------------ SECTION end_section app_end:
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分别将他们编译，生成 my_mbr.asm 和 my_app.asm，使用李忠老师的虚拟硬盘写入工具将它们写入到虚拟硬盘
执行virtual box虚拟机，可以看到正常显示期望的文本内容，证明我们的主引导程序正确的引导了用户程序。
还可以利用Bochsdbg进行调试，观察程序的执行过程，尤其是控制权来回切换时，各个寄存器以及栈空间的状态变化。
小结
真实的主引导程序引导操作系统肯定没这么简单，不过把这个实验写下来也能对相关过程有个大致的了解。与纸上谈兵相比，实践环节会遇到很多细节问题，我本以为一天就能完成这个实验，结果花了三四天，有些问题是由于没有彻底理解之前所学的知识，有些知识理解了，但在使用时又疏忽了。学技术，多实践，才能做到查漏补缺和加深记忆的效果。
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