加载 MBR 运行 x86 汇编程序

DCS218 - Operating Systems Lab 2021 Spring

前言

本文章介绍了 x86 汇编、计算机的启动过程、IA-32 处理器架构和字符显存原理。编写程序让计算机在启动后加载运行，使用 gdb 来调试程序，以此增进对计算机启动过程的理解。

1.1 输出 Helloworld

原理:计算机在加电启动时，会自动加载首扇区的 512 字节到内存地址 0x7c00 处执行，即加载 MBR，然后从 MBR 的第一条指令处开始执行。qemu 显示屏实际上是按 25x80 个字符来排列的矩阵，0xB8000 ~ 0xBFFFF 是显存地址，文本模式中低字节表示显示的字符，高字节表示字符的颜色属性。通过编写 MBR 来实现向屏幕输出蓝色的 Hello World。

在 lab2 文件夹中创建 mbr.asm 文件,写入如下代码:

 org 0x7c00
 [bits 16]
 xor ax, ax ; eax = 0
 ; 初始化段寄存器, 段地址全部设为0
 mov ds, ax
 mov ss, ax
 mov es, ax
 mov fs, ax
 mov gs, ax

 ; 初始化栈指针
 mov sp, 0x7c00
 mov ax, 0xb800
 mov gs, ax

 mov ah, 0x01 ;蓝色
 mov al, 'H'
 mov [gs:2 * 0], ax

 mov al, 'e'
 mov [gs:2 * 1], ax

 mov al, 'l'
 mov [gs:2 * 2], ax

 mov al, 'l'
 mov [gs:2 * 3], ax

 mov al, 'o'
 mov [gs:2 * 4], ax

 mov al, ' '
 mov [gs:2 * 5], ax

 mov al, 'W'
 mov [gs:2 * 6], ax

 mov al, 'o'
 mov [gs:2 * 7], ax

 mov al, 'r'
 mov [gs:2 * 8], ax

 mov al, 'l'
 mov [gs:2 * 9], ax

 mov al, 'd'
 mov [gs:2 * 10], ax

 jmp $ ; 死循环

 times 510 - ($ - $$) db 0
 db 0x55, 0xaa

org 0x7c00 告诉编译器代码中的代码标号和数据标号从 0x7c00 开始。也就是说，这些标号的地址会在编译时加上0x7c00。[bits 16] 告诉编译器按16位代码格式编译代码。

将ax置为0，然后借助于ax将段寄存器清0。由于汇编不允许使用立即数直接对段寄存器赋值，所以我们需要借助于ax。

段寄存器初始化后，我们开始对显存地址赋值。由于显存地址是从0xB8000开始，而16位的段寄存器最大可表示0xFFFF，因此我们需要借助于段寄存器来寻址到0xB8000处的地址。于是我们将段寄存器gs的值赋值为0xB800。

不赋值为 0xB8000 是因为段地址需要左移 4 位 $物理地址=段地址<<4+偏移地址$ 然后依次对显存地址赋值来实现在显示屏上输出Hello World。根据显存的显示原理，一个字符使用两个字节表示，故我们将ax的高字节部份ah赋值为颜色属性0x01，低字节部份赋值为对应的字符，然后依次放置到显存地址的对应位置。

依次输出字符后，我们还没有实现下一步的工作，即bootloader加载内核。因此这里就在做死循环。代码的最后的times指令是汇编伪指令，表示重复执行指令若干次。$表示当前汇编地址，$$表示代码开始的汇编地址。times 510 - ($ - $$) db 0表示填充字符0直到第510个字节。最后我们填充0x55，0xaa表示MBR是可启动的。

使用 nasm 汇编器来将代码编译成二进制文件
```
0
 nasm -f bin mbr.asm -o mbr.bin
```
其中，-f参数指定的是输出的文件格式，-o指定的是输出的文件名。
生成了 MBR 后，我们将其写入到硬盘的首扇区。我们首先创建一个“硬盘”，这个硬盘其实是一个虚拟磁盘，使用 qemu-img
```
0
qemu-img create hd.img 10m
```
然后将 MBR 写入hd.img的首扇区，写入的命令使用的是 linux 下的 dd 命令。
```
0
 dd if=mbr.bin of=hd.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc
```
参数的解释如下
- if表示输入文件。
- of表示输出文件。
- bs表示块大小，以字节表示。
- count表示写入的块数目。
- seek表示越过输出文件中多少块之后再写入。
- conv=notrunc表示不截断输出文件，如果不加上这个参数，那么硬盘在写入后多余部份会被截断。
启动 qemu
```
0
 qemu-system-i386 -hda hd.img -serial null -parallel stdio 
```
- -hda hd.img 表示将文件 hd.img 作为第0号磁盘映像。
- -serial dev 表示重定向虚拟串口到空设备中。
- -parallel stdio 表示重定向虚拟并口到主机标准输入输出设备中。
效果如下

1.2 输出学号

要求: 请修改 example 1 的代码，使得 MBR 被加载到0x7C00后在$(12,12)$处开始输出你的学号。注意，你的学号显示的前景色和背景色必须和教程中不同。说说你是怎么做的，并将结果截图。

经过计算可得 $(12,12)$ 的显存地址是

0xb8000 $+ (12\times80+12)\times2 = $ 0xb8798

故修改如下

 ...
 ; 初始化栈指针
 mov sp, 0x7c00
 mov ax, 0xb879 ; 此处修改段地址
 mov gs, ax
    
    
 mov ah, 0x02 ; 修改颜色为 green
 mov al, '1'
 mov [gs:2 * 4], ax ;从 8 开始
    
 mov al, '9'
 mov [gs:2 * 5], ax
 ...

使用nasm汇编器来将代码编译成二进制文件, 写入虚拟硬盘, 使用qemu运行, 结果如下

2.1 实模式中断

实模式中断 int 10h 由于功能号不同，执行的结果也就不同。

功能	功能号	参数	返回值
设置光标位置	AH=02H	BH=页码，DH=行，DL=列	无
获取光标位置和形状	AH=03H	BX=页码	AX=0，CH=行扫描开始，CL=行扫描结束，DH=行，DL=列
在当前光标位置写字符和属性	AH=09H	AL=字符，BH=页码，BL=颜色，CX=输出字符的个数	无

注意，“页码”均设置为0。

一般地，中断的调用方式如下。

 将参数和功能号写入寄存器
 int 中断号
 从寄存器中取出返回值

要实现的是实模式下的光标中断，利用中断实现光标的位置获取和光标的移动。位置获取使用 0x03 功能，光标移动使用 0x02 功能。由于不知道要如何移动，故我获取光标位置后将它往右移动一列往下移动一行。

代码如下。本来想让它循环，但是这样很不好截图，并且由于没有掌握sleep，光标跳得飞快。

 org 0x7c00
 [bits 16]
 xor ax, ax ; eax = 0
 ; 初始化段寄存器, 段地址全部设为0
 mov ds, ax
 mov ss, ax
 mov es, ax
 mov fs, ax
 mov gs, ax
    
 ; 初始化栈指针
 mov sp, 0x7c00
 ; mov ax, 0xb000
 ; mov gs, ax
    
 mov ah, 0x03 ; 功能码，表示调用读取光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 int 0x10 ; interrupt
    
 ; movecursor:
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dh, 1 ; 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 ; jmp movecursor
    
 jmp $ ; 死循环
    
 times 510 - ($ - $$) db 0
 db 0x55, 0xaa

同上面的实验一样，编译并写入磁盘（覆盖之前的 `mbr.bin ），然后运行 qemu ，发现光标确实移动了。

2.2 实模式中断输出学号

思路是设置光标位置后移，然后通过 0x09 功能在该位置写字符和属性。由于我的学号是 19335025，有两个重合的3，故可以利用写两次字符的功能，同时光标後移两位。

代码如下，我用绿色输出了学号，蓝色输出了 CYH。

 org 0x7c00
 [bits 16]
 xor ax, ax ; eax = 0
 ; 初始化段寄存器, 段地址全部设为0
 mov ds, ax
 mov ss, ax
 mov es, ax
 mov fs, ax
 mov gs, ax
    
 ; 初始化栈指针
 mov sp, 0x7c00
 ; mov ax, 0xb000
 ; mov gs, ax
    
 mov ah, 0x03 ; 功能码，表示调用读取光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov bl, 0x02 ; green
 mov al, '1'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt    
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '9'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '3'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x02 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 2 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '5'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '0'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '2'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, '5'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 3 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov bl, 0x01 ; blue
 mov al, 'C'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, 'Y'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov al, 'H'
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
    
 jmp $ ; 死循环
    
 times 510 - ($ - $$) db 0
 db 0x55, 0xaa

编译放入虚拟硬盘启动，效果如下

2.3 利用键盘中断实现键盘输入并回显

要求：利用键盘中断实现键盘输入并回显。
了解到 int 0x16 可以调用键盘I/O中断。键盘I/O中断调用有三个功能，功能号为0, 1, 2，且必须把功能号放在AH中。 00H、10H —从键盘读入字符;03H —设置重复率; 01H、11H —读取键盘状态;04H —设置键盘点击; 02H, 12H —读取键盘标志;05H —字符及其扫描码进栈。
思路是使用功能0x00，循环判断键盘是否有按键按下，若有按键按下则跳转到回显函数，回显函数与上一个实验内容差不多，都是右移光标输出刚刚输入的内容。功能0x00可以实现：从键盘读入字符送AL寄存器。执行时，等待键盘输入，一旦输入，字符的ASCII码放入AL中。若AL＝0，则AH为输入的扩展码。

在前几个实验的代码框架中修改，添加的代码如下：

 ; 键盘I/O中断调用（INT 16H）
 kbIOint:
 mov ah, 0x00 ;
 int 0x16 ;
 or al, 0x00 ;
 ; and zf, 0x01;
 jnz input
 jmp kbIOint
    
 input:
    
 mov ah, 0x02 ; 功能码，表示调用设置光标位置的中断功能
 mov bh, 0x00 ; 页码，文本状态设为0 
 add dl, 1 ; 
 int 0x10 ; interrupt
    
 mov ah, 0x09 ; 功能码，表示在当前光标位置写字符和属性的中断功能
 mov cx, 0x01 ; 输出字符的个数
 int 0x10 ; interrupt  
    
 jmp kbIOint ;

把键盘上的字符都打了一遍，结果如下（上个实验打印学号的代码没删）

3 分支/循环逻辑和函数的实现

; If you meet compile error, try 'sudo apt install gcc-multilib g++-multilib' first

%include "head.include"
; you code here
    mov eax, [a1]
    mov ebx, [a2]
your_if:
; put your implementation here
    cmp eax, 12
    jl lt12 ; if a1 < 12 then
    cmp eax, 24
    jl lt24 ; else if a1 < 24 then
    shl eax, 4  ; a1 = a1 << 4
    mov [if_flag], eax 
    jmp your_while
lt12:
    sar eax, 1 ; a1 /= 2
    inc eax ; a1 ++
    mov [if_flag], eax
    jmp your_while
lt24:
    mov ecx, eax
    sub ecx, 24
    neg ecx 
    imul ecx, eax
    mov [if_flag], ecx
    jmp your_while

your_while:
; put your implementation here
    cmp byte[a2], 12
    jl loopend

    call my_random
    mov ebx, [a2]
    mov ecx, [while_flag]
    mov byte[ecx + ebx - 12] , al
    dec byte[a2]
    jmp your_while

loopend:
%include "end.include"

your_function:
; put your implementation here
    pushad
    mov eax, 0
loop:
    mov ecx, [your_string]
    cmp  byte[ecx + eax], 0
    je funcend
    pushad
    mov  ebx, dword[ecx + eax]
    push ebx
    call print_a_char
    pop ebx
    popad
    add eax, 1
    jmp loop

funcend:
    popad
    ret

4 汇编小程序

org 7c00h

;定义各个符号
    _DR equ 1
    _UR equ 2
    _UL equ 3
    _DL equ 4
    delay equ 200
    ddelay equ 100

;代码段
;初始化各个寄存器
START:
    mov ax, cs
    mov es, ax
    mov ds, ax
    mov ax, 0b800h
    mov es, ax
    mov si, 0
    mov di, 0

;输出学号姓名
PRINT:    mov bx, name
    mov al, [bx+si]
    cmp al, 0
    jz LOOP1    
    mov bx, 52
    mov byte[es:bx+di], al    
    mov byte[es:bx+di+1], 1
    inc si
    add di, 2
    jmp PRINT

;循环实现延迟
LOOP1:
    dec word[count]
    jnz LOOP1
    
    mov word[count], delay
    dec word[dcount]
    jnz LOOP1
    
    mov word[count], delay
    mov word[dcount], ddelay
   
    mov al,1
        cmp al, byte[rdul]
    jz DnRt
      
    mov al, 2
          cmp al, byte[rdul]
    jz UpRt

          mov al, 3
          cmp al, byte[rdul]
    jz UpLt
      
    mov al, 4
          cmp al, byte[rdul]
    jz  DnLt

    jmp $

;往右下移动，判断是否碰壁并显示字符
DnRt:
    inc word[x]
    inc word[y]
    mov bx, word[x]
    mov ax, 25
    sub ax, bx
         jz  dr2ur
    
    mov bx, word[y]
    mov ax, 80
    sub ax, bx
          jz  dr2dl
    
    jmp show

dr2ur:
          mov word[x], 23
          mov byte[rdul], _UR    
          jmp show
dr2dl:
          mov word[y], 78
         mov byte[rdul], _DL    
          jmp show

;往右上移动，判断是否碰壁并显示字符
UpRt:
    dec word[x]
    inc word[y]
    mov bx, word[y]
    mov ax, 80
    sub ax, bx
          jz  ur2ul
    
    mov bx, word[x]
    mov ax, 0
    sub ax, bx
         jz  ur2dr
    
    jmp show

ur2ul:
          mov word[y], 78
          mov byte[rdul], _UL    
          jmp show
ur2dr:
          mov word[x], 1
          mov byte[rdul], _DR    
          jmp show
    
;往左上移动，判断是否碰壁并显示字符
UpLt:
    dec word[x]
    dec word[y]
    mov bx, word[x]
    mov ax, 0
    sub ax, bx
          jz  ul2dl

    mov bx,word[y]
    mov ax, -1
    sub ax, bx
         jz  ul2ur
    
    jmp show

ul2dl:
          mov word[x], 1
          mov byte[rdul], _DL    
          jmp show
ul2ur:
          mov word[y], 1
          mov byte[rdul], _UR    
          jmp show

;往左下移动，判断是否碰壁并显示字符
DnLt:
    inc word[x]
    dec word[y]
    mov bx, word[y]
    mov ax, -1
    sub ax, bx
          jz  dl2dr
    
    mov bx, word[x]
    mov ax, 25
    sub ax, bx
          jz  dl2ul
    
    jmp show

dl2dr:
          mov word[y], 1
          mov byte[rdul], _DR    
          jmp show
dl2ul:
          mov word[x], 23
         mov byte[rdul], _UL    
          jmp show

;在屏幕上显示字符
show:    
    xor ax, ax           
    mov ax, word[x]
    mov bx, 80
    mul bx
    add ax, word[y]
    mov bx, 2
    mul bx
    mov bx, ax
    mov ah, byte[color]      
    mov al, byte[char]    
    mov [es:bx], ax  
    
    inc byte[char]
    cmp byte[char], 'z'+1
    jnz keep
    mov byte[char], '0'

keep:    inc byte[color]
    cmp byte[color], 0x10
    jnz LOOP1
    mov byte[color], 0x40 ;    循环显示不同样式的字符
    jmp LOOP1

end:
    jmp $

    count dw delay        ;一层延迟
    dcount dw ddelay    ;二层延迟
    rdul db _DR        ;方向变量
    color db 0x02        ;样式（颜色）变量
    x dw 0                ;横坐标
    y dw 0                ;纵坐标
    char db 'A'            ;要显示的字符
    name db '19335025 CYH', 0    ;学号姓名

    times 510-($-$$) db 0
    dw 0aa55h

效果如下

2021-03-23 23-31-17 的屏幕截图

2021-03-23 23-31-24 的屏幕截图

4. 总结

通过此次实验熟悉了x86 汇编，并且熟悉了编译asm、写入虚拟磁盘、使用qemu启动虚拟磁盘等知识。

参考

https://gitee.com/nelsoncheung/sysu-2021-spring-operating-system/tree/main

本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

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