學習作業系統原理最好的方法是自己寫一個簡單的作業系統。
之前我們在電腦的啟動過程中介紹過boot程式的主要任務就是載入並執行loader程式，本講我們就來實現。
本講程式碼檔案共2個：
- boot.asm
- loader.asm
一、程式碼及講解
本講所用到的知識點都是之前已經用過的，只是在本講中綜合應用了一下。
關於如何讀取檔案在上一講中已經介紹過了，我們只要在上講程式碼中把要讀取的檔名改成loader的檔名"LOADER BIN"即可讀取loader程式檔案。
本講的boot.asm就是在上講的基礎上稍微改了下，加了3處提示語句。程式一開始先清屏並在螢幕上輸出字串“GrapeOS boot start.”。然後從硬碟根目錄查詢LOADER.BIN程式檔案，如果沒有找到檔案則在螢幕上輸出字串“Loader not found.”，如果找到了檔案則在螢幕上輸出字串“Loader found.”。如果找到了檔案則讀取檔案內容，讀取完後透過jmp指令跳轉到loader在記憶體中的起始地址，這樣就完成了載入並執行loader。
boot.asm中的程式碼如下：
;--------------------定義常量--------------------
;FAT16目錄項中各成員的偏移量：
;名稱 偏移 長度 描述
DIR_Name equ 0 ;11 檔名8B，副檔名3B
DIR_Attr equ 11 ;1 目錄項屬性
;Reserved equ 12 ;10 保留位
DIR_WrtTime equ 22 ;2 最後一次寫入時間
DIR_WrtDate equ 24 ;2 最後一次寫入日期
DIR_FstClus equ 26 ;2 起始簇號
DIR_FileSize equ 28 ;4 檔案大小
BOOT_ADDRESS equ 0x7c00 ;boot程式載入到記憶體的地址。
DISK_BUFFER equ 0x7e00 ;讀磁碟臨時存放資料用的快取區，放到boot程式之後。
DISK_SIZE_M equ 4 ;磁碟容量，單位M。
FAT1_SECTORS equ 32 ;FAT1佔用扇區數
ROOT_DIR_SECTORS equ 32 ;根目錄佔用扇區數
SECTOR_NUM_OF_FAT1_START equ 1 ;FAT1表起始扇區號
SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START equ 33 ;根目錄區起始扇區號
SECTOR_NUM_OF_DATA_START equ 65 ;資料區起始扇區號，對應簇號為2。
SECTOR_CLUSTER_BALANCE equ 63 ;簇號加上該值正好對應扇區號。
FILE_NAME_LENGTH equ 11 ;檔名8位元組加副檔名3位元組共11位元組。
DIR_ENTRY_SIZE equ 32 ;目錄項為32位元組。
DIR_ENTRY_PER_SECTOR equ 16 ;每個扇區能存放目錄項的數目。
LOADER_ADDRESS equ 0x1000 ;loader程式載入到記憶體的地址。
STACK_BOTTOM equ LOADER_ADDRESS ;棧底地址（把棧放到loader程式前面）
VIDEO_SEGMENT_ADDRESS equ 0xb800 ;視訊記憶體的段地址（預設顯示模式為25行80列字元模式）
VIDEO_CHAR_MAX_COUNT equ 2000 ;預設螢幕最多顯示字元數。
;--------------------MBR開始--------------------
org BOOT_ADDRESS
jmp boot_start
nop
;FAT16引數區：
BS_OEMName db 'GrapeOS ' ;廠商名稱（8位元組，含空格）
BPB_BytesPerSec dw 0x0200 ;每扇區位元組數
BPB_SecPerClus db 0x01 ;每簇扇區數
BPB_RsvdSecCnt dw 0x0001 ;保留扇區數（引導扇區的扇區數）
BPB_NumFATs db 0x01 ;FAT表的份數
BPB_RootEntCnt dw 0x0200 ;根目錄可容納的目錄項數
BPB_TotSec16 dw 0x2000 ;扇區總數(4MB)
BPB_Media db 0xf8 ;介質描述符
BPB_FATSz16 dw 0x0020 ;每個FAT表扇區數
BPB_SecPerTrk dw 0x0020 ;每磁軌扇區數
BPB_NumHeads dw 0x0040 ;磁頭數
BPB_hiddSec dd 0x00000000 ;隱藏扇區數
BPB_TotSec32 dd 0x00000000 ;如果BPB_TotSec16是0，由這個值記錄扇區數。
BS_DrvNum db 0x80 ;int 13h的驅動器號
BS_Reserved1 db 0x00 ;未使用
BS_BootSig db 0x29 ;擴充套件引導標記
BS_VolID dd 0x00000000 ;卷序列號
BS_VolLab db 'Grape OS ';卷標（11位元組，含空格）
BS_FileSysType db 'FAT16 ' ;檔案系統型別（8位元組，含空格）
;透過以上引數可知硬碟容量為4MB，共8K個扇區。扇區具體分佈如下：
;區域名 扇區數 扇區號 位元組偏移 說明
;引導扇區 1個扇區 扇區0 0x0000~0x01ff
;FAT1表 32個扇區 扇區1~32 0x0200~0x41ff 可記錄8K-2個簇
;FAT2表 無 無 無 無
;根目錄區 32個扇區 扇區33~64 0x4200~0x81ff 可容納512個目錄項
;資料區 8127個扇區 扇區65~0x1fff 0x8200~0x3fffff
;--------------------程式開始--------------------
boot_start:
;初始化暫存器
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax ;cmpsb會用到ds:si和es:di
mov ss,ax
mov sp,STACK_BOTTOM
mov ax,VIDEO_SEGMENT_ADDRESS
mov gs,ax ;本程式中gs專用於指向視訊記憶體段
;清屏
call func_clear_screen
;列印字串："GrapeOS boot start."
mov si,boot_start_string
mov di,0 ;在螢幕第1行顯示
call func_print_string
;讀取loader檔案開始
;讀取根目錄的第1個扇區（1個扇區可以存放16個目錄項，我們用到的檔案少，不會超過16個。）
mov esi,SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START
mov di,DISK_BUFFER
call func_read_one_sector
;在16個目錄項中透過檔名查詢檔案
cld ;cld將標誌位DF置0，在串處理指令中控制每次操作後讓si和di自動遞增。std相反。下面repe cmpsb會用到。
mov bx,0 ;用bx記錄遍歷第幾個目錄項。
next_dir_entry:
mov si,bx
shl si,5 ;乘以32（目錄項的大小）
add si,DISK_BUFFER ;源地址指向目錄項中的檔名。
mov di,loader_file_name_string ;目標地址指向loader程式在硬碟中的正確檔名。
mov cx,FILE_NAME_LENGTH ;字元比較次數為FAT16檔名長度，每比較一個字元，cx會自動減一。
repe cmpsb ;逐位元組比較ds:si和es:di指向的兩個字串。
jcxz loader_found ;當cx為0時跳轉。cx為0表示上面比較的兩個字串相同。找到了loader檔案。
inc bx
cmp bx,DIR_ENTRY_PER_SECTOR
jl next_dir_entry ;檢查下一個目錄項。
jmp loader_not_found ;沒有找到loader檔案。
loader_found:
;列印字串："Loader found."
mov si,loader_found_string
mov di,80 ;在螢幕第2行顯示
call func_print_string
;從目錄項中獲取loader檔案的起始簇號
shl bx,5 ;乘以32
add bx,DISK_BUFFER
mov bx,[bx+DIR_FstClus] ;loader的起始簇號
;讀取FAT1表的第1個扇區（我們用到的檔案少且小，只用到了該扇區中的簇號）
mov esi,SECTOR_NUM_OF_FAT1_START
mov di,DISK_BUFFER ;放到boot程式之後
call func_read_one_sector
;按簇讀loader
mov bp,LOADER_ADDRESS ;loader檔案內容讀取到記憶體中的起始地址
read_loader:
xor esi,esi ;esi清零
mov si,bx ;簇號
add esi,SECTOR_CLUSTER_BALANCE
mov di,bp
call func_read_one_sector
add bp,512 ;下一個目標地址
;獲取下一個簇號（每個FAT表項為2位元組）
shl bx,1 ;乘2，每個FAT表項佔2個位元組
mov bx,[bx+DISK_BUFFER]
;判斷下一個簇號
cmp bx,0xfff8 ;大於等於0xfff8表示檔案的最後一個簇
jb read_loader ;jb無符號小於則跳轉，jl有符號小於則跳轉。
read_loader_finish: ;讀取loader檔案結束
jmp LOADER_ADDRESS ;跳轉到loader在記憶體中的地址
loader_not_found: ;沒有找到loader檔案。
;列印字串："Loader not found."
mov si,loader_not_found_string
mov di,80 ;在螢幕第2行顯示
call func_print_string
stop:
hlt
jmp stop
;清屏函式（將螢幕寫滿空格就實現了清屏）
;輸入引數：無。
;輸出引數：無。
func_clear_screen:
mov ah,0x00 ;黑底黑字
mov al,' ' ;空格
mov cx,VIDEO_CHAR_MAX_COUNT ;迴圈控制
.start_blank:
mov bx,cx ;以下3行表示bx=(cx-1)*2
dec bx
shl bx,1
mov [gs:bx],ax ;[gs:bx]表示字元對應的視訊記憶體地址（從螢幕右下角往前清屏）
loop .start_blank
ret
;列印字串函式。
;輸入引數：ds:si，di。
;輸出引數：無。
;ds:si 表示字串起始地址，以0為結束符。
;di 表示字串在螢幕上顯示的起始位置（0~1999）。
func_print_string:
mov ah,0x07 ;ah表示字元屬性，0x07表示黑底白字。
shl di,1 ;乘2（螢幕上每個字元對應2個視訊記憶體位元組）。
.start_char:
mov al,[si]
cmp al,0
jz .end_print
mov [gs:di],ax ;將字元和屬性放到對應的視訊記憶體中。
inc si
add di,2
jmp .start_char
.end_print:
ret
;讀取硬碟1個扇區（主硬碟控制器主盤）
;輸入引數：esi，ds:di。
;esi LBA扇區號
;ds:di 將資料寫入到的記憶體起始地址
;輸出引數：無。
func_read_one_sector:
;第1步：檢查硬碟控制器狀態
mov dx,0x1f7
.not_ready1:
nop ;nop相當於稍息 hlt相當於睡覺
in al,dx ;讀0x1f7埠
and al,0xc0 ;第7位為1表示硬碟忙，第6位為1表示硬碟控制器已準備好，正在等待指令。
cmp al,0x40 ;當第7位為0，且第6位為1，則進入下一個步。
jne .not_ready1 ;若未準備好，則繼續判斷。
;第2步：設定要讀取的扇區數
mov dx,0x1f2
mov al,1
out dx,al ;讀取1個扇區
;第3步：將LBA地址存入0x1f3~0x1f6
mov eax,esi
;LBA地址7~0位寫入埠0x1f3
mov dx,0x1f3
out dx,al
;LBA地址15~8位寫入埠寫入0x1f4
shr eax,8
mov dx,0x1f4
out dx,al
;LBA地址23~16位寫入埠0x1f5
shr eax,8
mov dx,0x1f5
out dx,al
;第4步：設定device埠
shr eax,8
and al,0x0f ;LBA第24~27位
or al,0xe0 ;設定7~4位為1110，表示LBA模式，主盤
mov dx,0x1f6
out dx,al
;第5步：向0x1f7埠寫入讀命令0x20
mov dx,0x1f7
mov al,0x20
out dx,al
;第6步：檢測硬碟狀態
.not_ready2:
nop ;nop相當於稍息 hlt相當於睡覺
in al,dx ;讀0x1f7埠
and al,0x88 ;第7位為1表示硬碟忙，第3位為1表示硬碟控制器已準備好資料傳輸。
cmp al,0x08 ;當第7位為0，且第3位為1，進入下一步。
jne .not_ready2 ;若未準備好，則繼續判斷。
;第7步：從0x1f0埠讀資料
mov cx,256 ;每次讀取2位元組，一個扇區需要讀256次。
mov dx,0x1f0
.go_on_read:
in ax,dx
mov [di],ax
add di,2
loop .go_on_read
ret
loader_file_name_string:db "LOADER BIN",0 ;loader程式在硬碟中儲存的檔名，共11個位元組，含空格。
boot_start_string:db "GrapeOS boot start.",0
loader_not_found_string:db "Loader not found.",0
loader_found_string:db "Loader found.",0
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa
目前我們的loader程式非常簡單，只是向螢幕輸出一行字串“GrapeOS loader start.”。
loader.asm中的程式碼如下：
org 0x1000
;列印字串："GrapeOS loader start."
mov si,loader_start_string
mov di,160 ;螢幕第3行顯示
call func_print_string
stop:
hlt
jmp stop
;列印字串函式
;輸入引數：ds:si，di。
;輸出引數：無。
;si 表示字串起始地址，以0為結束符。
;di 表示字串在螢幕上顯示的起始位置（0~1999）
func_print_string:
mov ah,0x07 ;ah 表示字元屬性 黑底白字
shl di,1 ;乘2（螢幕上每個字元對應2個視訊記憶體位元組）
.start_char:
mov al,[si]
cmp al,0
jz .end_print
mov [gs:di],ax
inc si
add di,2
jmp .start_char
.end_print:
ret
loader_start_string:db "GrapeOS loader start.",0
二、程式演示
編譯boot和loader：
[root@CentOS7 Lesson24]# nasm boot.asm -o boot.bin
[root@CentOS7 Lesson24]# nasm loader.asm -o loader.bin
將boot寫入到虛擬硬碟的第一個扇區：
[root@CentOS7 Lesson24]# dd conv=notrunc if=boot.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img
執行QEMU：
C:\Users\CYJ>qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img
執行截圖如下：
上面截圖上顯示“Loader not found.”，因為loader.bin檔案還沒有放入虛擬硬碟裡，下面我們來放入。
[root@CentOS7 Lesson24]# mount /media/VMShare/GrapeOS.img /mnt/ -t msdos -o loop
[root@CentOS7 Lesson24]# cp loader.bin /mnt/
[root@CentOS7 Lesson24]# sync
[root@CentOS7 Lesson24]# umount /mnt/
重新執行QUME，截圖如下：
上面截圖中顯示“GrapeOS loader start.”，說明已成功載入並執行loader。
影片版地址：https://www.bilibili.com/video/BV1KV4y197sa/
配套的程式碼與資料在：https://gitee.com/jackchengyujia/grapeos-course
GrapeOS作業系統交流QQ群：643474045