Gdy już choć średnio znacie asemblera, to po pewnym czasie pojawiają się pytania (mogą one być spowodowane tym, co usłyszeliście lub Waszą własną ciekawością):
Odpowiedź na pytanie 2 brzmi: nie wie. Odpowiedź na pytanie 3 brzmi: wcale. Wszystkie Wasze wątpliwości rozwieje odpowiedź na pytanie 1.
Gdy zakończył się POST (Power-On Self Test), wykrywanie dysków i innych urządzeń,
BIOS przystępuje do czytania pierwszych sektorów tych urządzeń, na których ma być szukany system
operacyjny (u mnie jest ustawiona kolejność: CD-ROM,
stacja dyskietek, dysk twardy).
Gdy znajdzie sektor odpowiednio zaznaczony: bajt nr 510 = 55h i bajt 511 = AAh
(pamiętajmy, że 1 sektor ma 512 bajtów, a liczymy od zera), to wczytuje go pod adres
bezwzględny 07C00h i uruchamia kod w nim zawarty (po prostu wykonuje skok pod ten adres). Nie należy
jednak polegać na tym, że segment kodu CS = 0, a adres instrukcji IP=7C00h (choć najczęściej tak jest).
To właśnie boot-sektor jest odpowiedzialny za ładowanie odpowiednich części właściwego systemu operacyjnego. Na komputerach z wieloma systemami operacyjnymi sprawa też nie jest tak bardzo skomplikowana. Pierwszy sektor dysku twardego, zwany Master Boot Record (MBR), zawiera program ładujący (Boot Manager, jak LILO czy GRUB), który z kolei uruchamia boot-sektor wybranego systemu operacyjnego.
My oczywiście nie będziemy operować na dyskach twardych, gdyż byłoby to niebezpieczne. Z
dyskietkami zaś można eksperymentować do woli...
A instrukcja jest
prosta: umieszczamy nasz programik w pierwszym sektorze dyskietki, zaznaczamy go
odpowiednimi ostatnimi bajtami i tyle. No właśnie... niby proste, ale jak o tym pomyśleć
to ani to pierwsze, ani to drugie nie jest sprawą banalną.
Do zapisania naszego bootsektorka na dyskietkę możemy oczywiście użyć
gotowców - programów typu dd itp. Ma to pewne zalety - program był już używany
przez dużą liczbę osób, jest sprawdzony i działa.
Przykładowy sposób użycia (po skompilowaniu bootsektora):
dd count=1 if=boot.bin of=/dev/fd0
Ale coś by było nie tak, gdybym w kursie programowania w asemblerze kazał Wam używać cudzych programów. Do napisania swojego własnego programu zapisującego dany plik w pierwszym sektorze dyskietki w zupełności wystarczy Wam wiedza uzyskana po przeczytaniu części mojego kursu poświęconej operacjom na plikach.
Schemat działania jest taki:
Sprawa jest tak prosta, że tym razem nie podam gotowca.
Gdy już mamy program zapisujący bootsektor na dyskietkę, trzeba się postarać o to, aby
nasz programik (który ma stać się tym bootsektorem) miał dokładnie 512 bajtów i aby 2 ostatnie
jego bajty to 55h, AAh.
Oczywiście, nie będziemy ręcznie dokładać tylu bajtów, ile trzeba, aby dopełnić nasz program
do tych 512. Zrobi to za nas kompilator. Wystarczy po całym kodzie i wszystkich danych, na
szarym końcu, umieścić takie coś:
times 510 - ($ - start) db 0 dw 0aa55h
To wyrażenie mówi tyle: od bieżącej pozycji w kodzie odejmij pozycję początku kodu (tym samym obliczając długość całego kodu), otrzymaną liczbę odejmij od 510 - i dołóż tyle właśnie bajtów zerowych. Gdy już mamy program długości 510 bajtów, to dokładamy jeszcze znacznik i wszystko jest dobrze.
Jest jednak jeszcze jedna sprawa, o której nie wspomniałem - ustawienie DS i wartości ORG
dla naszego kodu. Otóż, jeśli stwierdzimy, że nasz kod powinien zaczynać się od offsetu
0 w naszym segmencie, to ustawmy sobie org 0
i DS=07C0h (tak, liczba zer się zgadza), ale
możemy też mieć org 7C00h
i DS=0. Żadne z tych nie wpływa w żaden sposób na długość
otrzymanego programu, a należy o to zadbać, gdyż nie mamy gwarancji, że DS będzie pokazywał
na nasze dane po uruchomieniu bootsektora.
Teraz, uzbrojeni w niezbędną wiedzę, zasiadamy do pisania kodu naszego bootsektora. Nie musi to być coś wielkiego - tutaj pokażę coś, co w lewym górnym rogu ekranu pokaże cyfrę jeden (o bezpośredniej manipulacji ekranem możecie przeczytać w moim innym artykule) i po naciśnięciu dowolnego klawisza zresetuje komputer (na jeden ze sposobów podanych w jeszcze innym artykule...).
Oto nasz kod (NASM):
; nasm -o boot.bin -f bin boot.asm org 7c00h ; lub "org 0" start: mov ax, 0b800h mov es, ax ; ES = segment pamięci ekranu mov byte [es:0], "1" ; piszemy "1" xor ah, ah int 16h ; czekamy na klawisz mov bx, 40h mov ds, bx mov word [ds:72h], 1234h ; 40h:72h = 1234h - ; wybieramy gorący reset jmp 0ffffh:0000h ; reset times 510 - ($ - start) db 0 ; dopełnienie do 510 bajtów dw 0aa55h ; znacznik
Nie było to długie ani trudne, prawda? Rzecz jasna, nie można w bootsektorach używać żadnych funkcji systemowych, na przykład linuksowego int 80h, bo żaden system po prostu nie jest uruchomiony i załadowany. Tak napisany programik kompilujemy do formatu binarnego. Po kompilacji umieszczamy go na dyskietce przy użyciu programu napisanego już przez nas wcześniej. Resetujemy komputer (i upewniamy się, że BIOS spróbuje uruchomić system z dyskietki), wkładamy dyskietkę i.... cieszymy się swoim dziełem (co prawda ta jedynka może być mało widoczna, ale rzeczywiście znajduje się na ekranie).
Zauważcie też, że system nie rozpoznaje już naszej dyskietki, mimo iż przedtem była
sformatowana. Dzieje się tak dlatego, że w bootsektorze umieszczane są informacje o dysku.
Bootsektor typu FAT12
(vfat) powinien się zaczynać mniej-więcej tak:
org 7c00h ; lub org 0, oczywiście start: jmp short kod nop db " " ; nazwa OS i wersja OEM (8B) dw 512 ; bajtów/sektor (2B) db 1 ; sektory/jednostkę alokacji (1B) dw 1 ; zarezerwowane sektory (2B) db 2 ; liczba tablic alokacji (1B) dw 224 ; liczba pozycji w katalogu głównym (2B) ; 224 to typowa wartość dw 2880 ; liczba sektorów (2B) db 0f0h ; Media Descriptor Byte (1B) dw 9 ; sektory/FAT (2B) dw 18 ; sektory/ścieżkę (2B) dw 2 ; liczba głowic (2B) dd 0 ; liczba ukrytych sektorów (4B) dd 0 ; liczba sektorów (część 2), ; jeśli wcześniej było 0 (4B) db 0 ; numer dysku (1B) db 0 ; zarezerwowane (1B) db 0 ; rozszerzona sygnatura bloku ładującego dd 0bbbbddddh ; numer seryjny dysku (4B) db " "; etykieta (11B) db "FAT 12 " ; typ FAT (8B), zwykle "FAT 12 " kod: ; tutaj dopiero kod bootsektora
Ta porcja danych oczywiście uszczupla ilość kodu, którą można umieścić w bootsektorze. Nie jest to jednak duży problem, gdyż i tak jedyną rolą większości bootsektorów jest uruchomienie innych programów (second stage bootloaders), które dopiero zajmują się ładowaniem właściwego systemu.
Jeszcze ciekawostka: co wypisuje BIOS, gdy dysk jest niewłaściwy (niesystemowy)?
Otóż - nic! BIOS bardzo chętnie przeszedłby do kolejnego urządzenia.
Dlaczego więc tego nie robi i skąd ten napis o niewłaściwym dysku systemowym??
Odpowiedź jest prosta - sformatowana dyskietka posiada bootsektor!
Dla BIOSu jest wszystko OK, uruchamia więc ten bootsektor.
Dopiero ten wypisuje informację
o niewłaściwym dysku, czeka na naciśnięcie klawisza, po czym uruchamia int 19h. O tym, co
robi przerwanie 19h możecie przeczytać w artykule o resetowaniu.
Miłego bootowania systemu!
P.S. Jeśli nie chcecie przy najdrobniejszej zmianie kodu resetować komputera, możecie poszukać w Internecie programów, które symulują procesor (w tym fazę ładowania systemu). Jednym z takich programów jest Bochs.
Mimo iż bootsektor jest ograniczony do 512 bajtów, to może w dość łatwy sposób posłużyć do wczytania do pamięci o wiele większych programów. Wystarczy użyć funkcji czytania sektorów. W spisie Przerwań Ralfa Brown'a czytamy:
INT 13 - DISK - READ SECTOR(S) INTO MEMORY
AH = 02h
AL = number of sectors to read (must be nonzero)
CH = low eight bits of cylinder number
CL = sector number 1-63 (bits 0-5)
high two bits of cylinder (bits 6-7, hard disk only)
DH = head number
DL = drive number (bit 7 set for hard disk)
ES:BX -> data buffer
Return: CF set on error
CF clear if successful
Wystarczy więc wybrać nieużywany segment pamięci, na przykład ES=8000h i począwszy od offsetu BX=0, czytać sektory zawierające nasz kod, zwiększając BX o 512 za każdym razem. Kod do załadowania nie musi być oczywiście w postaci pliku na dyskietce, to by tylko utrudniło pracę (gdyż trzeba wtedy czytać tablicę plików FAT). Najłatwiej załadować kod tym samym sposobem, co bootsektor, ale oczywiście do innych sektorów. Najłatwiej to zrobić, sklejając skompilowany plik bootsektora ze skompilowanym kodem i potem nagrać na dyskietkę:
cat boot.bin system.bin > wszystko.bin dd if=wszystko.bin of=/dev/fd0
Po załadowaniu całego potrzebnego kodu do pamięci przez bootsektor, wystarczy wykonać skok:
jmp 8000h:0000h
Wtedy kontrolę przejmuje kod wczytany z dyskietki.
Ale jest jeden kruczek - trzeba wiedzieć, jakie numery cylindra, głowicy i sektora podać
do funkcji czytające sektory, żeby rzeczywiście odczytała te właściwe.
Struktura standardowej dyskietki jest następująca: 512 bajtów na sektor, 18 sektorów na ścieżkę,
2 ścieżki na cylinder (bo są dwie strony dyskietki, co daje 36 sektorów na cylinder),
80 cylindrów na głowicę. Razem 2880 sektorów po 512 bajtów, czyli 1.474.560 bajtów.
Mając numer sektora (bo wiemy, pod jakimi sektorami zapisaliśmy swój kod na dyskietce),
odejmujemy od niego 1 (tak by zawsze wszystkie numery sektorów zaczynały się od zera),
po czym dzielimy go przez 36. Uzyskany iloraz to numer cylindra (rejestr CH),
reszta zaś oznacza numer sektora w tymże cylindrze (rejestr CL). Jeśli ta reszta
jest większa bądź równa 18, należy wybrać głowicę numer 1 (rejestr DH), zaś od numeru
sektora (rejestr CL) odjąć 18. W przeciwnym przypadku należy wybrać głowicę numer 0 i nie robić nic
z numerem sektora.
W ten sposób otrzymujemy wszystkie niezbędne dane i możemy bez przeszkód w pętli czytać kolejne
sektory zawierające nasz kod.
Całą tę procedurę ilustruje ten przykładowy kod:
secrd: ;wejście: ax=sektor, es:bx wskazuje na dane dec ax ; z numerów 1-36 na 0-35 mov cl,36 ; liczba sektorów na cylinder = 36 xor dx,dx ; zakładamy na początek: głowica 0, dysk 0 (a:) div cl ; AX (numer sektora) dzielimy przez 36 mov ch,al ; AL=cylinder, AH=przesunięcie względem ; początku cylindra, czyli sektor cmp ah,18 ; czy numer sektora mniejszy od 18? jb .sec_ok ; jeśli tak, to nie robimy nic sub ah,18 ; jeśli nie, to odejmujemy 18 inc dh ; i zmieniamy głowicę .sec_ok: mov cl, ah ; CL = numer sektora mov ax,0201h ; odczytaj 1 sektor inc cl ; zwiększ z powrotem z zakresu 0-17 do 1-18 push dx ; niektóre biosy niszczą DX, nie ustawiają ; flagi CF, lub zerują flagę IF stc int 13h ; wykonaj czytanie sti pop dx