1 汇编启动程序

这部分主要是用来学习linux-0.11，做预前汇编准备工作。同时也是一个启动程序，用来引导操作系统代码。

1.1 工具

1.bin86，所以我们使用的是as86汇编语言。可以使用：

$ sudo apt-get intall bin86

安装软件工具。然后可以使用：

$ man 1 as86

查询相应的汇编代码。

这只是一个boot部分的代码，使用的是as86汇编器，ld86链接器，而如果我们要加载head的代码，则需要使用GNU的gas汇编器，用GNU ld链接。

需要知道，目前这部分的boot代码，对于整个bios来说，只有512B，也就是说，启动整个linux系统，还需要第二部分的代码，也就是loader代码，之后才是Linux代码。

对于loader代码，比较有名的有Lilo,Grub和spfdisk等。

注意事项

as86汇编器对于boot.s程序编译时生成boot.o目标文件，再用ld86进行链接操作，生成MINIX结构的可执行文件，但在Linux中用作引导时需要去除其MINIX文件头结构。

2.GNU as工具

as汇编语言语法和intel的汇编语言有很大不同，被称为AT&T语法，最主要的区别是以下几点：

a. AT&T语法立即操作数前面加”$”,而寄存器操作数前面要加%与程序计数器相关的语句操作数前面要加*，intel没有限制。

b. AT&T语法的源操作数和目的操作数与intel的位置正好相反，它是源在前，目的在后。

c. AT&T语法中内存操作数的长度由操作码的最后一个字符决定比如b for byte, w for word, l for long，

Intel则通过前缀区分比如Intel的是mov al，byte ptr foo，而AT&T中是movb foo,%al 。

d. AT&T不提供对多代码段的支持，UNIX类操作系统要求所有代码在一个段中。

1.2 基础知识

默认的引导代码会放在软盘的引导扇区，也就是软盘的头512个字节位置。而bios会将这部分代码读取出来， 放到内存的0x7c00:0x0处。因此，我们的代码运行地址都是基于0x7c00的。

intel架构下的寄存器

只列出关键的一些寄存器：

8个数据寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX

2个变址寄存器：ESI、EDI

2个指针寄存器：ESP、EBP

1个标志寄存器：EFLAGS

6个段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS

1.数据寄存器

32位CPU有4个32位的通用寄存器eax、ebx、ecx和edx。对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。这些低16位寄存器分别命名为：ax、bx、cx和dx，它和先前的CPU中的寄存器相一致。

4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(ax：ah-al、bx：bh-bl、cx：ch-cl、dx：dh-dl)，每个寄存器都有自己的名称，可独立存取。程序员可利用数据寄存器的这种“可分可合”的特性，灵活地处理字/字节的信息。

寄存器ax和al通常称为累加器(accumulator)，用累加器进行的操作需要更少的时间。累加器可用于乘、除、输入/输出等操作。

寄存器bx称为基地址寄存器(base register)，可作为存储器指针使用。

寄存器cx称为计数寄存器(count register)，在循环和字符串操作时，可用它来控制循环次数，在位操作中，当移多位时，要用cl来指明移位的位数。

寄存器dx称为数据寄存器(data register)，在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也可用于存放I/O的端口地址。

在16位cpu中，ax、bx、cx、dx不能作为基址和变址寄存器来存放存储单元的地址，但在32位cpu中，其32位寄存器eax、ebx、ecx、edx不仅可以传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果，而且也可作为指针寄存器，所以，这些32位寄存器更具通用性。

2.变址寄存器

32位cpu有2个32位通用的寄存器esi和dsi。其低16位对应先前cpu中的si和di，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。

寄存器esi、edi、si和di称为变址寄存器(index register)，它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量，用它们可以实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。

变址寄存器不可分割为8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

3.指针寄存器

32位cpu有2个32位通用寄存器ebp和esp。其低16位对应先前cpu中的sbp和sp，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。

寄存器ebp、esp、bp和sp称为指针寄存器(pointer register)，主要用来存放堆栈内存储单元的偏移量，用它们可实现多种寄存器操作数的寻址方式，可以位不同的地址形式访问存储单元提供方便。

它们主要用于访问堆栈内的存储单元，并做了规定：

bp为基指针(base pointer)寄存器，用来可直接存取堆栈中的数据。

sp为堆栈指针(stack pointer)寄存器，用它只可以访问栈顶。

4.段寄存器

段寄存器时根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成的，这样可用两个较少的值合成一个可访问较大物理空间的内存地址。

cpu内部的段寄存器：

cs：

代码段寄存器(code segment register)，值为代码段的段值。

ds：

数据段寄存器(data segment register)，值为数据段的段值。

es：

附加段寄存器(extra segment register)，值为附加数据段的段值。

ss：

堆栈段寄存器(stack segment register)，值为堆栈段段值。

fs：

附加段寄存器(extra segment register)，值为附加数据段的段值。

gs：

附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值。

在16位CPU系统中，它只有4个段寄存器，所以，程序在任何时刻至多有4个正在使用的段可直接访问；在32位微机系统中，它有6个段寄存器，所以，在此环境下开发的程序最多可同时访问6个段。

32位CPU有两个不同的工作方式：实模式和保护模式。在每种方式下，段寄存器的作用是不同的。有关规定简单描述如下：

实模式： 前4个段寄存器CS、DS、ES和SS与先前CPU中的所对应的段寄存器的含义完全一致，内存单元的逻辑

地址仍为“段值：偏移量”的形式。为访问某内存段内的数据，必须使用该段寄存器和存储单元的偏移量。

保护模式： 在此方式下，情况要复杂得多，装入段寄存器的不再是段值，而是称为“选择子”(Selector)的某个值。

5.指令寄存器

32位CPU把指令指针扩展到32位，并记作EIP，EIP的低16位与先前CPU中的IP作用相同。

指令指针EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。在具有预取指令功能的系统中，下次要执行的指令通常已被预取到指令队列中，除非发生转移情况。所以，在理解它们的功能时，不考虑存在指令队列的情况。

在实模式下，由于每个段的最大范围为64K，所以，EIP中的高16位肯定都为0，此时，相当于只用其低16位的IP来反映程序中指令的执行次序。

6.标志寄存器

包括运算结果标志位、状态控制标志位、32位标志寄存器增加的标志位等等。

1.3 系统架构

系统架构

地址映射

2 编写代码与分析代码

我们可以参照linux-0.11的bootsect.s中的源代码。

我们可用编写的boot.s源码如下：

.globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss

.text

begtext:

.data

begdata:

.bss

begbss:

.text

BOOTSEG=0x07c0

entry start

start:

jmpi go,BOOTSEG

go:

mov ax,cs

mov ds,ax

mov es,ax

mov ax,#0x0600

mov cx,#0x0000

mov dx,#0x0fff

int 0x10

mov cx,#20

mov dx,#0x0000

mov bx,#0x000c

mov bp,#msg1

mov ax,#0x1301

int 0x10

loop0: jmp loop0

msg1: .ascii "loading system..."

.byte 13,10

.org 510

.word 0xaa55

.text

endtext:

.data

enddata:

.bss

endbss:

3 编译与运行

a.编译

$ as86 -0 -a -o boot.o boot.s

$ ld86 -0 -s -o boot boot.o

b.制作软盘文件

$ dd bs=32 if=boot of=boot.img skip=1

c.编辑bochsrc文件：

megs:32

romimage:file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest

vgaromimage:file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

floppya:1_44=boot.img,status=inserted

boot:floppy

mouse:enabled=0

keyboard:keymap=/usr/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

d.执行

$ bochs -f bochsrc

4 调试

4.1 基本调试技巧

我们可以利用vim本身自带的查看二进制方法：

$ vim -b boot

然后使用：

:%!xxd -g 1

我们对上面的文件进行分析，可以看到如下图所示：

可执行文件二进制分析

当然，我们也要注意一个小细节，如下图所示：

生成的文件内容

我们要计算一下，0x210+16 = 544。也就是说，生成的文件是544字节的。比我们需要生成的512字节多了32字节。整个呢，就是minix可执行文件的头结构。

5 补充知识

5.1 软盘

若使用3.5寸的软盘，则分为上下两面，每面分为80个磁道，每个磁道分为18个扇区，而一个扇区就是512字节。

因此，计算其大小为：

2*80*18*512/1024.0 = 1440.0KB = 1.44MB

软盘需要软驱对其进行读写操作。软驱的主要组成有：控制电路板、马达、磁头定位器和磁头。磁头其实是很小的，上下各有一个，我们看到的是它的滑轨。