第3天 進入32位模式并導入C語言

1 制作真正的IPL

到昨天為止我們講到的啟動區，雖然也稱為IPL（Initial Program Loader，啟動程序裝載器），但它實質上并沒有裝載任何程序。而從今天起，我們要真的用它來裝載程序了。

把我們的操作系統叫作hello-os很不給勁，干脆改個名字吧。我們就叫它“紙娃娃操作系統”。所謂紙娃娃，意思就是說那是用紙糊起來的，虛有其表，不是真娃娃，就像拍電影時用的巖石等道具，其實都是中間空空的冒牌貨。也就是說我們現在要開發的操作系統，只是看上去像操作系統，而其實是個沒有內容的紙娃娃，所以大家不用想得太困難，輕輕松松來做就好了。

雖然今后我們要一直稱它為“紙娃娃操作系統”，而且在相當長的一段時間里也只是把它當作一種演示程序，但到最后我們肯定能開發出一個像模像樣的操作系統，這一點請大家放心。

稍微扯遠點，其實仔細想一想，這種虛有其表的“紙娃娃”又何止是操作系統呢。就說CPU吧，其實它根本就不懂什么“數”的概念，只是我們設計了一個電路，只要同時傳給它電信號0011和0110，它就能輸出結果為1001的電信號，而這種電路我們就稱之為加法電路。只有人才會把這個結果解讀為3+6=9, CPU只是處理這些電信號。換句話說，雖然CPU根本就不懂什么數字，但卻能給出正確的計算結果，這就是筆者所謂的“紙娃娃”。

開發過游戲程序的人就會明白，比如我們和計算機下象棋的時候，可能會覺得計算機水平很高，但實際上計算機對象棋規則一竅不通，僅僅是在執行一個程序而已。就算計算機走出了一著妙棋，也根本不是因為它下手毫不留情啊，或者聰明啊，或者求勝心切什么的，這些都是表象，其實它只是按部就班地執行程序而已。也就是說它本身沒有內涵，只有一個唬人的外殼，所以才叫“紙娃娃”。“紙娃娃”太厲害了！……操作系統就算是虛有其表、虛張聲勢又怎樣？沒什么不好的，這樣就可以了！

■■■■■

那么我們先從簡單的程序開始吧。因為磁盤最初的512字節是啟動區，所以要裝載下一個512字節的內容。我們來修改一下程序。改好的程序就是projects/03_day下的harib00a，像以前一樣，我們把它復制到tolset里來。

這次添加的內容大致如下。

本次添加的部分

MOV      AX,0x0820
MOV      ES, AX
MOV      CH,0              ; 柱面0
MOV      DH,0              ; 磁頭0
MOV      CL,2              ; 扇區2

MOV      AH,0x02          ; AH=0x02 : 讀盤
MOV      AL,1              ; 1個扇區
MOV      BX,0
MOV      DL,0x00          ; A驅動器
INT      0x13              ; 調用磁盤BIOS
JC       error

新出現的指令只有JC。真好，講起來也輕松了。所謂JC，是“jump if carry”的縮寫，意思是如果進位標志（carry flag）是1的話，就跳轉。這里突然冒出來“進位標志”這么個新詞，不過大家不用擔心，很快就會明白的。

■■■■■

至于“INT 0x13”這個指令，我們雖然知道這是要調用BIOS的0x13號函數，但還不明白它到底是干什么用的，那就來查一下吧。

我們可以找到如下的內容：

? 磁盤讀、寫，扇區校驗（verify），以及尋道（seek）

AH=0x02;（讀盤）

AH=0x03;（寫盤）

AH=0x04;（校驗）

AH=0x0c;（尋道）

AL=處理對象的扇區數；（只能同時處理連續的扇區）

CH=柱面號 &0xff；

CL=扇區號（0-5位）|（柱面號&0x300）>>2；

DH=磁頭號；

DL=驅動器號；

ES:BX=緩沖地址；(校驗及尋道時不使用)

返回值：

FLACS.CF==0：沒有錯誤，AH==0

FLAGS.CF==1：有錯誤，錯誤號碼存入AH內（與重置（reset）功能一樣）

我們這次用的是AH=0x02，哦，原來是“讀盤”的意思。

■■■■■

返回值那一欄里的FLAGS.CF又是什么意思呢？這就是我們剛才講到的進位標志。也就是說，調用這個函數之后，如果沒有錯，進位標志就是0；如果有錯，進位標志就是1。這樣我們就能明白剛才為什么要用JC指令了。

進位標志是一個只能存儲1位信息的寄存器，除此之外，CPU還有其他幾個只有1位的寄存器。像這種1位寄存器我們稱之為標志。標志在英文中為flag，是旗幟的意思。標志之所以叫flag是因為它的開和關就像升旗降旗的狀態一樣。

所謂進位標志，本來是用來表示有沒有進位（carry）的，但在CPU的標志中，它是最簡單易用的，所以在其他地方也經常用到。這次就是用來報告BIOS函數調用是否有錯的。

其他幾個寄存器我們也來依次看一下吧。CH、CL、DH、DL分別是柱面號、扇區號、磁頭號、驅動器號，一定不要搞錯。在上面的程序中，柱面號是0，磁頭號是0，扇區號是2，磁盤號是0。

■■■■■

在有多個軟盤驅動器的時候，用磁盤驅動器號來指定從哪個驅動器的軟盤上讀取數據。現在的電腦，基本都只有1個軟盤驅動器，而以前一般都是2個。既然現在只有一個，那不用多想，指定0號就行了。

知道了從哪個軟盤驅動器讀取數據之后，我們接著看從那個軟盤的什么地方來讀取數據。

如果手頭有不用的軟盤，希望大家能把它拆開看看。拆開后可以看到，中間有一個8厘米的黑色圓盤，那是一層薄薄的磁性膠片。從外向內，一圈一圈圓環狀的區域，分別稱為柱面0，柱面1, ……，柱面79。一共有80個柱面。這并不是說工廠就是這樣一圈一圈地生產軟盤的，只是我們將它作為一個數據存儲媒體，是這樣組織它的數據存儲方式的。柱面在英文中是cylinder，原意是圓筒。磁盤的柱面，盡管高度非常低，但我們可以把它看成是一個套一個的同心圓筒，它正是因此得名的。

下面講一下磁頭。磁頭是個針狀的磁性設備，既可以從軟盤正面接觸磁盤，也可以從軟盤背面接觸磁盤。與光盤不同，軟盤磁盤是兩面都能記錄數據的。因此我們有正面和反面兩個磁頭，分別是磁頭0號和磁頭1號。

最后我們看一下扇區。指定了柱面和磁頭后，在磁盤的這個圓環上，還能記錄很多位信息，按照整個圓環為單位讀寫的話，實在有點多，所以我們又把這個圓環均等地分成了幾份。軟盤分為18份，每一份稱為一個扇區。一個圓環有18個扇區，分別稱為扇區1、扇區2、……扇區18。扇區在英文中是sector，意思是指領域、扇形。

綜上所述，1張軟盤有80個柱面，2個磁頭，18個扇區，且一個扇區有512字節。所以，一張軟盤的容量是：

80×2×18×512=1474 560 Byte=1440KB

含有IPL的啟動區，位于C0-H0-S1（柱面0，磁頭0，扇區1的縮寫），下一個扇區是C0-H0-S2。這次我們想要裝載的就是這個扇區。

■■■■■

剩下的大家還不明白的就是緩沖區地址了吧。這是個內存地址，表明我們要把從軟盤上讀出的數據裝載到內存的哪個位置。一般說來，如果能用一個寄存器來表示內存地址的話，當然會很方便，但一個BX只能表示0～0xffff的值，也就是只有0～65535，最大才64K。大家的電腦起碼也都有64M內存，或者更多，只用一個寄存器來表示內存地址的話，就只能用64K的內存，這太可惜了。

于是為了解決這個問題，就增加了一個叫EBX的寄存器，這樣就能處理4G內存了。這是CPU能處理的最大內存量，沒有任何問題。但EBX的導入是很久以后的事情，在設計BIOS的時代，CPU甚至還沒有32位寄存器，所以當時只好設計了一個起輔助作用的段寄存器（segment register）。在指定內存地址的時候，可以使用這個段寄存器。

我們使用段寄存器時，以ES:BX這種方式來表示地址，寫成“MOV AL, [ES:BX]”，它代表ES×16+BX的內存地址。我們可以把它理解成先用ES寄存器指定一個大致的地址，然后再用BX來指定其中一個具體地址。

這樣如果在ES里代入0xffff，在BX里也代入0xffff，就是1114 095字節，也就是說可以指定1M以內的內存地址了。雖然這也還是遠遠不到64M，但當時英特爾公司的大叔們，好像覺得這就足夠了。在最初設計BIOS的時代，這種配置已經很能滿足當時的需要了，所以我們現在也還是要遵從這一規則。因此，大家就先忍耐一下這1MB內存的限制吧。

這次，我們指定了ES=0x0820, BX=0，所以軟盤的數據將被裝載到內存中0x8200到0x83ff的地方。可能有人會想，怎么也不弄個整點的數，比如0x8000什么的，那多好。但0x8000～0x81ff這512字節是留給啟動區的，要將啟動區的內容讀到那里，所以就這樣吧。

那為什么使用0x8000以后的內存呢？這倒也沒什么特別的理由，只是因為從內存分布圖上看，這一塊領域沒人使用，于是筆者就決定將我們的“紙娃娃操作系統”裝載到這一區域。0x7c00～0x7dff用于啟動區，0x7e00以后直到0x9fbff為止的區域都沒有特別的用途，操作系統可以隨便使用。

■■■■■

到目前為止我們開發的程序完全沒有考慮段寄存器，但事實上，不管我們要指定內存的什么地址，都必須同時指定段寄存器，這是規定。一般如果省略的話就會把“DS:”作為默認的段寄存器。

以前我們用的“MOV CX, [1234]”，其實是“MOV CX, [DS:1234]”的意思。“MOV AL, [SI]”，也就是“MOV AL, [DS:SI]”的意思。在匯編語言中，如果每回都這樣寫就太麻煩了，所以可以省略默認的段寄存器DS。

因為有這樣的規則，所以DS必須預先指定為0，否則地址的值就要加上這個數的16倍，就會讀寫到其他的地方，引起混亂。

好，我們來執行這個程序看看吧。如果程序有什么錯，它就會顯示錯誤信息。但估計不會出什么問題吧。沒錯的話，它就什么都不做（笑）。所以，如果屏幕上不顯示任何錯誤信息的話，我們就成功了。

哎呀，有件事差點忘了，Makefile中可以使用簡單的變量，于是筆者用變量改寫了這次的Makefile。怎么樣，是不是比之前稍微容易理解一些？