第4课

第4课 - 主引导程序的扩展（上）

1. 主引导程序的限制

　　在前面的课程中讲到，主引导程序的代码量不能超过 512 字节！！

　　那这 512 个字节存储的主引导程序可以完成操作系统的功能吗？答案显然是否定的。

　　因此主引导程序最大只能是 512 字节就成为了一种限制，那如何突破这种限制呢？

2. 突破限制的思路

　　主引导程序完成以下功能：

　　  （1）主引导程序首先完成最基本的初始化工作

　　  （2）然后从存储介质中加载程序到内存中，这一步是重中之重

　　  （3）最后将控制权交由新加载的程序执行（跳转到新加载程序的第一句代码），上面这三步可以在 512 字节的代码量内完成

　　  （4）......

　　用图表示，如下图所示：

 　　　　

　　第(1)个功能和第(3)个功能实现起来比较容易，重点是第(2)个功能的实现，即主引导程序如何加载存储介质中的其它程序？

3. 文件系统

　　文件系统就是指存储介质上组织文件数据的方法（数据组织的方式），下面是 FAT12 文件系统的格式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

3.1 文件系统的示例

　　（1）FAT12 是 DOS 时代的早期文件系统

　　（2）FAT12 结构非常简单，一直沿用于软盘

　　（3）FAT12 的基本组织单位

　　　　  字节（Byte）：基本数据单位

　　　　  扇区（Sector）：磁盘中的最小数据单元

　　　　  簇（Cluster）：一个或多个扇区

 3.2 主引导程序大小受限的解决方案

　　（1）使用 FAT12 对软盘（data.img）进行格式化

　　（2）编写可执行程序（Loader），并将其拷贝到软盘中

　　（3）主引导程序（Boot）在文件系统中查找 Loader

　　（4）将 Loader 复制到内存中，并跳转到入口处执行

3.3 实验：往虚拟软盘中写入文件

　　— 原材料：FreeDos、Bochs、bximage

• • Bochs 和 bximage 在前面的课程中已经介绍过了
  • FreeDos 是一个古老的 dos 操作系统，在本节课中使用 FreeDos 将软盘 data.img 格式化为 FAT12 格式的文件系统

　　　　　　   FreeDos 官网：http://www.freedos.org/

　　　　　　可以在官网上下载 FreeDos 的软盘镜像：（下载界面：http://www.freedos.org/download/）

　　　　　　

　　— 步骤：

• • 使用 bximage 工具创建虚拟软盘 data.img

　　　　　　

• • 在 freeDos 中进行格式化（FAT12）

　　　　　　更改上节课中的 bochsrc 配置文件，将 freedos.img 作为启动软盘，另外将 data.img 这个软盘插入到 freeDos 系统中。　　

###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################

# how much memory the emulated machine will have
megs: 32

# filename of ROM images
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin

# what disk images will be used
floppya: 1_44=freedos.img, status=inserted
floppyb: 1_44=data.img, status=inserted
# choose the boot disk.
boot: a

# where do we send log messages?
# log: bochsout.txt

# disable the mouse
mouse: enabled=0

# enable key mapping, using US layout as default.
keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

　　　　　　启动 Bochs ，进入到 freeDos 系统界面：

　　　　　　

　　　　　　执行以下操作：

　　　　　　

• • 将 data.img 挂载到 Linux 中，并写入文件

　　　　　　将 data.img 挂载到 linux 中，然后创建一个 test.txt 文件并将该文件写入到挂载点，最后卸载 data.img。

　　　　　　

　　　　　　在 Bochs 中查看 B 盘就看到了刚才写入的 test.txt 文件，表明文件写入成功。后面按照同样的方式将 Loader 写入到 data.img 中。

　　　　　　

4. Boot 查找目标文件（Loader）

　　把 Loader 按照上面的方式写入到 FAT12 格式的虚拟软盘中，下一步的工作就是：Boot 查找目标文件（Loader），并读取文件的内容！

4.1 深入 FAT12 文件系统

　　FAT12 文件系统由引导区、FAT 表、根目录项表和文件数据区组成。

　　　　

4.2 FAT12 的主引导区

　　主引导区存储的比较重要的信息是文件系统的类型、文件系统逻辑扇区总数、每簇包含的扇区数等。

　　主引导区最后以 0x55AA 两个字节作为结束，共占用一个扇区（第 0 扇区）。

　　第 0 扇区中的部分内容如下表所示：

　　　　

4.3 实验：读取 data.img 中的文件系统信息

　　— 步骤：

• • 创建 Fat12Header 结构体类型（根据上面表格的内容而来）
  • 使用文件流读取前 512 字节的内容
  • 解析并打印相关的信息　　

【编程实验：读取 FAT12 文件系统信息】

 　　在 QT 中使用下面的代码查看 FAT12 文件系统第 0 扇区的内容，并对照上面的表格进行验证。

#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QFile>
#include <QDataStream>
#include <QDebug>

#pragma pack(push)
#pragma pack(1)

struct Fat12Header
{
    char BS_OEMName[8];
    ushort BPB_BytsPerSec;
    uchar BPB_SecPerClus;
    ushort BPB_RsvdSecCnt;
    uchar BPB_NumFATs;
    ushort BPB_RootEntCnt;
    ushort BPB_TotSec16;
    uchar BPB_Media;
    ushort BPB_FATSz16;
    ushort BPB_SecPerTrk;
    ushort BPB_NumHeads;
    uint BPB_HiddSec;
    uint BPB_TotSec32;
    uchar BS_DrvNum;
    uchar BS_Reserved1;
    uchar BS_BootSig;
    uint BS_VolID;
    char BS_VolLab[11];
    char BS_FileSysType[8];
};

#pragma pack(pop)

void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{
    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(3);

        in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&rf), sizeof(rf));

        rf.BS_OEMName[7] = 0;
        rf.BS_VolLab[10] = 0;
        rf.BS_FileSysType[7] = 0;

        qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;
        qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;
        qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;
        qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;
        qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;
        qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;
        qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;
        qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;
        qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;
        qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;
        qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;
        qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;
        qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;
        qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;
        qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;
        qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;
        qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;
        qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;
        qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;

        file.seek(510);

        uchar b510 = 0;
        uchar b511 = 0;

        in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b510), sizeof(b510));
        in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b511), sizeof(b511));

        qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;
        qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;
    }

    file.close();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    Fat12Header f12;

    PrintHeader(f12, "E:\data.img");
    
    return a.exec();
}

 　　　　

　　扇区 0 中除了保存 FAT12 文件系统的信息外，还有一个主引导程序（FreeDOS 中的 format 程序格式化时生成），从上面的表格中也可以看到，扇区 0 的第一条指令就是跳转到 BOOT_CODE 上（表格左侧蓝色的箭头），有两个方法可以进行验证。

　　方法1：查看 data.img 的内容

　　　　

　　方法2：在 Bochs 中将data.img 作为启动软盘，查看打印信息，红色部分就是 format 程序生成的主引导程序。

　　　　

【实验结论】

　　（1）FreeDos 中的 format 程序在格式化软盘的时候自动在第 0扇区生成了一个主引导程序，这个主引导程序只打印一个字符串。

　　（2）文件格式和文件系统都是用于定义数据如何存放的规则，只要遵循这个规则就能够成功读写目标数据。

5. 小结

　　（1）主引导程序的代码量不能超过 512 字节

　　（2）可以通过主引导程序加载新程序的方式突破限制

　　（3）加载新程序需要依赖于文件系统

　　（4）FAT12 是一种早期用于软盘的简单文件系统

　　（5）FAT12 文件系统的重要信息存储于 0 扇区

注：本文整理于《狄泰12月提升计划》课程内容

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