assembly - 加载引导加载程序的第二阶段

Question

我正在尝试为 x86 机器创建一个小型操作系统，并开始为一个相当小的引导加载程序编写代码。我创建的引导加载程序非常简单，它从位于主引导记录之后的扇区加载一个小的第二引导加载程序并跳转到该代码。主引导记录中的引导加载程序代码似乎运行良好，当它尝试跳转到第二阶段引导加载程序时出现问题。这个第二阶段的引导加载程序应该输出一个表示成功的字母(字母 S)，这样我就可以知道代码正在执行。问题是屏幕上什么也没有出现，所以我怀疑第二阶段的引导加载程序从未执行过。我使用的代码如下:

主引导记录中的引导加载程序:

[BITS 16] ; 16 bit mode
[ORG 0x7C00] ; Boot loader start address

Boot:
    ; Initial, dl contains drive number
    ; Set data segment to code segment
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    ; Set the stack segment to 0xA000
    add ax, 0xA000
    mov ss, ax
    mov sp, 0x00
    ; Reset the drive, dl contains drive number
    mov ah, 0x00
    int 0x13
    ; Read from drive, dl contains drive number
    ;     Set up output location to 0x7E00: 0x00
    mov ax, 0x7E00
    mov es, ax ; Load to 0x7E00 : 0x00
    mov bx, 0x00
ReadDrive:
    mov ah, 0x02
    mov al, 0x01 ; Read 1 sector
    mov ch, 0x00 ; Read on cylinder 0
    mov cl, 0x02 ; Read sector 2
    mov dh, 0x00 ; Head number 0
    int 0x13

    jnc Success
    ; Print error (character F)
    mov al, 0x46
    call PrintChar
    jmp ReadDrive ; Retry

PrintChar: ; Prints a single character
    pusha
    mov ah, 0x09
    mov bh, 0x00
    mov bl, 0x0F
    mov cx, 0x01
    int 0x10
    popa
    ret

Success:
    jmp 0x7E00:0x00 ; Jump to 2nd stage bootloader

TIMES 510 - ($ - $$) db 0
DW 0xAA55 ; Boot signature

第二阶段引导加载程序的代码:

[BITS 16]
[ORG 0x7E00]

Boot2:
    ; Prints the character S to the screen
    mov al, 0x53
    mov ah, 0x09
    mov bh, 0x00
    mov bl, 0x0F
    mov cx, 0x01
    int 0x10
    jmp $ ; Loop forever

TIMES 512 - ($ - $$) db 0 ; Fill rest of block

此代码使用以下代码编译并写入驱动器:

nasm boot.asm -o boot.bin -f bin
nasm boot2.asm -o boot2.bin -f bin
dd if=boot.bin of=/dev/sd3 bs=512
dd if=boot2.bin of=/dev/sd3 bs=512 seek=1

写入此代码的设备是一个 16GB 的 USB 驱动器。我用来引导此代码的计算机支持从 USB 引导并像任何其他硬盘驱动器一样引导它们。代码似乎没有执行的原因是什么？

Answer 1

您的代码中似乎存在许多问题。我会试着找出其中的一些。在我为 Stackoveflow 编写的一些答案中可以找到一些有用的引用资料。

General Boot Loader Tips它提供了您不想在引导加载程序中做出的一般准则和假设

Information在访问内存变量时没有正确设置 DS 和获取垃圾的陷阱。这在某种程度上适用于您的第二阶段

安 answer对于与您相似的问题也可以提供一些有用的信息。

堆

您确实设置了一个堆栈，但它可能会与视频内存重叠。尽管这可能与您的问题无关，但它是一个潜在问题。使用此代码:

add ax, 0xA000
mov ss, ax
mov sp, 0x00

您设置 SS =0xa000 和 SP =0x0000 。这会设置堆栈，但不幸的是，压入堆栈的第一个值将是 0xa000:(0x0000-2)= 0xa000:0xfffe 。 0xa000:0xfffe 恰好可能落在视频内存中。也许你打算做 ss=0x9000 所以堆栈上的第一个值是 0x9000:0xfffe 。那里也有一个障碍。 Extended Bios Data Area (EBDA) 可以在该区域。某些 BIOS 错误地返回该区域的错误大小。在大多数情况下，物理地址 0xa0000 下方的大小为 0k 到 4k。如果你考虑到最坏的情况，我会选择低于它的堆栈。

add ax, 0x9000
mov ss, ax
mov sp, 0xF000  ; Bottom of stack at 0x9000:0xF000

内存地址 0x7e00

这里有2个问题。在您的问题中，您建议您尝试将第二阶段读入引导加载程序正上方的区域。那将在物理地址 0x7e00 处。您的代码执行以下操作:

; Read from drive, dl contains drive number
;     Set up output location to 0x7E00: 0x00
mov ax, 0x7E00
mov es, ax ; Load to 0x7E00 : 0x00
mov bx, 0x00

16 位 Segment:Offset pairs使用此计算映射到物理内存地址:(segment<<4)+offset(<<4 与乘以 16 相同)。这意味着 0x7E00:0x00 是物理内存地址 (0x7E00<<4)+0=0x7e000 。那显然是错误的。我相信你的意图是这样的:

mov ax, 0x07E0
mov es, ax ; Load to 0x07E0:0x00
mov bx, 0x00

0x07E0:0x00 是物理内存地址 (0x07E0<<4)+0=0x7e00。这是加载到内存中物理地址 0x7c00 的引导加载程序正上方的区域。当您使用以下代码将 FAR JMP 转到第二阶段时，会出现类似的问题:

jmp 0x7E00:0x00 ; Jump to 2nd stage bootloader

应该:

jmp 0x07E0:0x00 ; Jump to 2nd stage bootloader  

第二阶段的潜在问题

如果您进行前面提到的建议更改 ( jmp 0x07E0:0x00 )，则 FAR JMP 会将 CS:IP 更改为 CS =0x07E0(segment), IP= 0x0000(offset) 并在那里继续执行。您需要您的 ORG 指令来匹配您从第一阶段跳转到的偏移量 (IP)。由于偏移量 (IP) 是 0x0000，因此您的 ORG 指令应该匹配:

[ORG 0x0000]

您还需要确保当您的第二阶段开始加载时，DS 也设置为匹配。实现此目的的一种方法是将代码段 CS 显式复制到数据段 DS 。这可以通过第二阶段顶部的代码来完成，如下所示:

mov ax, cs 
mov ds, ax

如果没有正确设置数据段 DS，所有对变量的引用都将使用错误的段，并且可能不会指向它们在内存中的实际位置。您的代码目前没有变量，因此您不会注意到这个问题。

不要假设 1st Stage 是由 BIOS 调用的，其中 CS:IP=0x0000:0x7c00

在这个答案的序言中提到的我的一般引导加载程序提示中，提示 #1 非常重要:

• When the BIOS jumps to your code you can't rely on CS,DS,ES,SS,SP registers having valid or expected values. They should be set up appropriately when your bootloader starts. You can only be guaranteed that your bootloader will be loaded and run from physical address 0x00007c00 and that the boot drive number is loaded into the DL register.

在您的代码中，您的引导加载程序具有以下内容:

[BITS 16] ; 16 bit mode
[ORG 0x7C00] ; Boot loader start address

Boot:
    ; Initial, dl contains drive number
    ; Set data segment to code segment
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax

[ORG 0x7C00]很好，但是有一个假设是 CS 段在到达我们的引导加载程序时被设置为 0x0000。然后我们设置 DS=CS。简单的引导加载程序的传统智慧是 BIOS 跳转到 0x0000:0x7c00 (CS:IP)。 ORG 应该匹配偏移量(在这种情况下是 IP)。问题在于，实际上 BIOS 会跳转到物理地址 0x00007c00，但它可以通过各种 CS:IP 对来实现。

BIOS 可以使用 jmp 0x07c0:0x0000 对我们的代码进行 FAR JMP'ed(或等效)。 , 一些模拟器和真实硬件就是这样做的。 0x07c0:0x0000 是 (0x07c0<<4)+0=0x7c00 的物理地址。这完全没问题，但请注意 IP = 0x0000。我们已经设置了 [ORG 0x7c00] .那将是不匹配!如果我们实际上不知道 BIOS 调用我们的 CS:IP 对，我们如何解决这个问题？简单 - 不要在引导加载程序的第一阶段将 CS 复制到 DS。由于我们需要 0x7c00 的偏移量，因此 DS 需要为 0x0000 才能工作。我们应该在我们的数据段 (DS) 中明确放置 0x0000。代码可能如下所示:

[BITS 16] ; 16 bit mode
[ORG 0x7C00] ; Boot loader start address

Boot:
    ; Initial, dl contains drive number
    ; Set data segment to code segment
    xor ax, ax   ; AX=0
    mov ds, ax   ; DS=0  
    mov es, ax   ; ES=0