📝本文介绍
本文主要从系统系统的启动流程开始，中间介绍一些所用工具的使用方法，最后将完成一个启动区的制作。此次的启动区只涉及到汇编代码。
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由于本人的知识所限，如果文章有问题，欢迎大家联系并指出，博主会在第一时间修正。
文章目录
- 📕系统的启动
- 📖BIOS是什么
- 📖如何启动
- 📙部分基础知识和工具的使用
- 📖各类重要寄存器
- 📖nasm使用
- 📖dd使用
- 📖qemu简单使用
- 📖Makefile编写
- 📘启动区的制作
- 📖完整代码
- 📖ipl的解析
- 📖boot_info解析
- 📗实际效果
开始之前，先跟大家说明：本文会涉及到较多地默认设置，也就是从最开始做计算机，做操作系统等等的前辈们留下来的。一些感到疑惑或者博主没有说清楚的地方可以搜索一下，说不定是固定设置或者遗留问题，也可以在评论区提问。
📕系统的启动
📖BIOS是什么
BIOS是英文"Basic Input Output System"的缩略词，直译过来后中文名称就是"基本输入输出系统"。在IBM PC兼容系统上，是一种业界标准的固件接口。BIOS是个人电脑启动时加载的第一个软件。
其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。此外，BIOS还向作业系统提供一些系统参数。系统硬件的变化是由BIOS隐藏，程序使用BIOS功能而不是直接控制硬件。现代作业系统会忽略BIOS提供的抽象层并直接控制硬件组件。
其实，计算机开始时，将执行的第一个程序，就可以认为是这个程序。（除了最开始的一个跳转指令）。
📖如何启动
在讲述如何启动之前，或许需要先讲述我自己对于计算机硬件的理解：硬件是一台巨大的状态机。这里会涉及到一个状态机的概念。状态机实际上就是条件的改变可能会引起状态的改变。学过数逻应该会更加清楚一点。硬件实际上也差不多。根据pc寄存器的值，一条条从内存的地方取出指令，之后译码，去执行，根据所执行的指令，就会改变相应寄存器的状态（值），最终可以实现整个计算机像另一状态的变化。
这个问题还会涉及到内存布局的问题，在实模式底下，到底内存如何分配呢？这里有篇博客,用来防止照片失效。
在实模式底下，我们能操作的内存只有1M（为什么大家可以自行搜索）。
现在，我们正式开始介绍系统启动的4个跳跃。
第一跳 ：系统启动时会先跳转到0xFFFF0这个位置。这里是BIOS程序的入口。
第二条我们可以发现，这个位置到0xFFFFF只剩下16字节的空间，大概率只能放得下一条指令，所以我们用来跳转，跳到一个更加大的空间，去执行我们需要的任务。这里跳转指令会跳转到0xfe05b。
第三跳：这里就开始执行一些硬件自检等活动，完成后，**加载（从外存中复制到内存）启动区的程序到0x7c00（规定）**并跳转到该位置。
第四跳：启动区的程序主要是加载操作系统内核，之后会跳转到内核存储处开始执行。
更加详细的内容，大家也可以查看这篇博客
📙部分基础知识和工具的使用
📖各类重要寄存器
8位寄存器：
- AL——累加寄存器低位（accumulator low）
- CL——计数寄存器低位（counter low）
- DL——数据寄存器低位（data low）
- BL——基址寄存器低位（base low）
- AH——累加寄存器高位（accumulator high）
- CH——计数寄存器高位（counter high）
- DH——数据寄存器高位（data high）
16位寄存器：
- AX——accumulator，累加寄存器
- CX——counter，计数寄存器
- DX——data，数据寄存器
- BX——base，基址寄存器
- SP——stack pointer，栈指针寄存器
- BP——base pointer，基址指针寄存器
- SI——source index，源变址寄存器
- DI——destination index，目的变址寄存器
32位寄存器是在16位寄存器前添加上e，如eax，ebx，ecx等.64位则变e为r，rax，rcx等。当然64位也有r0，r1，r2等等的写法，具体内容可自行了解。
📖nasm使用
nasm这里就只介绍最简单的用法目前来说足够本文使用。nasm主要是一些参数等的使用，用多了熟悉后会更加顺手。这就不是把一些参数贴上来能解决的。
nasm -o xxx.bin xxx.asm
或
nasm xxx.asm -o xxx.bin
这里的-o指的是将目标文件命名为什么。后面的asm文件就是我们所写的汇编文件。其余的一些参数可自行了解
📖dd使用
dd命令，可以往磁盘中写相应的数据。
dd if=? of=? seek=? bs=? count=?
if指向要输入的文件，of指向要输出的文件。（通俗就是把if的文件写入of）。seek是否要跳过前几个部分。如seek=1，就会跳过512个字节。bs用于指定块大小，默认情况下都为512字节。count指的是处理多少块数据。
📖qemu简单使用
qemu的用法也很多，但我们这里主要用来模拟x86的64位系统就可以，当然其他系统可以启动应该也行。
首先要介绍的是创建磁盘映像的功能。
qemu-img create -f xxx name（eg：os.raw） size
eg：qemu-img create -f raw os.raw 1440k
接下来是使用我们制作好的磁盘映像来启动
qemu-system-x86_64 os.raw
qemu-system-x86_64 -derive file=? if=floppy
如果我们制作的是软盘映像，最好指明是floppy，否则读取磁盘时可能会出现问题。（博主就因为这个问题困扰了很久）
📖Makefile编写
这里涉及到另一个工具，make。 大家可以自行去网络上搜索下载一个，并如同之前一样，将其添加进环境变量。这样之后不论在哪个文件夹下都可以方便使用。这个工具是为了方便使用和规范化整理。
使用这个工具涉及到了Makefile的书写，这里放上本文使用到的makefile，不够用正规，不过目前足够使用。
ipl.bin: ipl.asm
nasm -o ipl.bin ipl.asm
boot_info.bin:boot_info.asm
nasm -o boot_info.bin boot_info.asm
os.raw: ipl.bin boot_info.bin
qemu-img create -f raw os.raw 1440k
dd if=ipl.bin of=os.raw bs=512 count=1
dd if=boot_info.bin of=os.raw seek=1 bs=512 count=31 seek=1
run:
make -r os.raw
make clean
qemu-system-x86_64 -drive file=os.raw,if=floppy,index=0,media=disk,format=raw
clean:
del ipl.bin
del boot_info.bin
这样，我们在命令行时就无需每次都手打这些指令，直接make run就可以了，就会主动去执行这些指令。
那么这个是怎么执行的呢？我们可以看到，run中首先要制作一个os.raw，但所以会去上面寻找os.raw的制作方法，需要什么？冒号后面可以看到，需要ipl.bin boot_info.bin，但目前没有，那就再找。找到这两个，分别需要其asm文件，这两个文件是我们一早就写好的，于是就开始制作两个bin，制作完成后，回来制作os.raw，先创建一个空映像，之后用dd将其写入。之后回来执行，clean，clean里主要是清除一些中间中间文件，让整个文件夹看起来清爽一些。由于是在window下，所以我们使用del命令。linux就使用rm。之后启动qemu就可以了。
跟着这个不太规范的makefile写个一两次，大致理解之后就可以开始玩自己的makefile了。
📘启动区的制作
📖完整代码
我们这里先放上一份完整的代码，再逐一去说明
ipl.asm:
;告诉BIOS把启动区加载到内存的该位置。
ORG 0x7c00
CYLS equ 10
;调用BIOS 清屏
mov ax,0x0600
mov bx,0x700
mov cx,0
mov dx,0x184f
int 0x10
;清屏完后，输出os介绍信息
entry:
;先设置各种寄存器
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x9000
mov si,msg
print_loop:
mov al,[si]
add si,1
cmp al,0
je read_disk
mov ah,0x0e
mov bx,15
int 0x10
jmp print_loop
read_disk:
mov ax,0x0820
mov es,ax
mov ch,0 ;磁道号
mov cl,2 ;扇区号
mov dh,0 ;磁头号
mov bx,0 ;读入内存哪块区域,同时需要看es的值
read_disk_loop:
mov si,0 ;记录失败次数
retry:
;设置入口参数
mov ah,0x02 ;设置功能号，0x02标识读，03为写
mov al,1 ;读入扇区数
mov dl,0 ;驱动器号
int 0x13 ;调用磁盘BIOS
JNC next ;，没出错，就接着读下一个
;JC error
mov ah,0x00 ;能到这里就说明一定有出错
mov dl,0x00
int 0x13 ;重置驱动器
inc si
cmp si,5
jbe retry
jmp error;;出错超过5次就跳转到error
next:
mov ax,es
add ax,0x0020 ; 512/16=32 这里寻址是[ES:BX] 所以原本512字节要除16
mov es,ax
add cl,1
cmp cl,18 ;一个道18个扇区
jbe read_disk_loop
mov cl,1 ;重置扇区号
add dh,1 ;磁头号，两面
cmp dh,2
jb read_disk_loop
mov dh,0 ;
add ch,1
cmp CH,CYLS ;总读取磁道数
JB read_disk_loop
jmp 0x8200
fin:
hlt
jmp fin
error:
mov si,error_info
error_loop:
mov al,[si]
add si,1
cmp al,0
je fin
mov ah,0x0e
mov bx,15
int 0x10
jmp error_loop
msg:
DB 0x0a ;换行
DB "hello-os"
DB 0
error_info:
DB 0x0a ;换行
DB "read_disk_error"
DB 0
resb 510-($-$$);将剩下的空间用0填满
DB 0x55,0xaa
boot_info.asm:
CYLS equ 0x0ff0
LEDS equ 0x0ff1
VMODE equ 0x0ff2
SCRNX equ 0x0ff4
SCRNY equ 0x0ff6
VRAM equ 0x0ff8
org 0xc200 ; 这个程序将要被装载到内存的什么地方呢？
mov al,0x13 ; VGA显卡，320x200x8位彩色
mov ah,0x00
int 0x10
mov byte[VMODE],8
mov word[SCRNX],320
mov word[SCRNY],200
mov dword [VRAM],0x000a0000
;用BOIS取得键盘上各种LED指示灯的状态
mov ah,0x02
int 0x16 ;键盘BIOS
mov [LEDS],al
fin:
HLT
JMP fin
📖ipl的解析
看完完整代码之后，我们再来逐一分析。
ORG 0x7c00
CYLS equ 10
ORG是Origin的缩写：起始地址，源。在汇编语言源程序的开始通常都用一条ORG伪指令来实现规定程序的起始地址。如果不用ORG规定则汇编得到的目标程序将从0000H开始。也就是cs：0处。
第二条的CYLS实际上就只是一个常量的定义，equ实际上就是equal，也就是我们把CYLS定义为10这个数。
;调用BIOS 清屏
mov ax,0x0600
mov bx,0x700
mov cx,0
mov dx,0x184f
int 0x10
这里和底下的一些具有int的代码片段都大致相同，根据调用BIOS程序的规定，设置好指定的寄存器值后，调用BIOS中断。int就是interrupt。
;先设置各种寄存器
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x9000
这一段，实际上就是在初始化一些寄存器。xor异或，同一个数异或实际上就相当于清零。所以也有使用mov ax，0的写法。mov指令这个就相当于copy吧，或者用c语言的=来理解也可以，因为mov后原寄存器的值不会变化。
mov si,msg
print_loop:
mov al,[si]
add si,1
cmp al,0
je read_disk
mov ah,0x0e
mov bx,15
int 0x10
jmp print_loop
msg:
DB 0x0a ;换行
DB "hello-os"
DB 0
这一段就是输出一个字符串了。这里我们把msg拿上来一起看。db就是define byte，dw是define word。而dd 是define double word。使用DB作为数据类型的时候，字符串长度不受限制，默认字符串的每一个字符占一个字节，并且存储过程中，是按照一个字符占一个字节的方式，顺序依次存储的。这里讲msg赋值给si，那么si指向的就是该字符串的首地址。之后一个一个输出就可以了。同样的，设置好寄存器后，调用BIOS10号中断程序来处理。
这里还有另一种方法，就是直接往显存中写数据。可以查看这篇博客，这里不再赘述。
read_disk:
mov ax,0x0820
mov es,ax
mov ch,0 ;磁道号
mov cl,2 ;扇区号
mov dh,0 ;磁头号
mov bx,0 ;读入内存哪块区域,同时需要看es的值
read_disk_loop:
mov si,0 ;记录失败次数
retry:
;设置入口参数
mov ah,0x02 ;设置功能号，0x02标识读，03为写
mov al,1 ;读入扇区数
mov dl,0 ;驱动器号
int 0x13 ;调用磁盘BIOS
JNC next ;，没出错，就接着读下一个
;JC error
mov ah,0x00 ;能到这里就说明一定有出错
mov dl,0x00
int 0x13 ;重置驱动器
inc si
cmp si,5
jbe retry
jmp error;;出错超过5次就跳转到error
next:
mov ax,es
add ax,0x0020 ; 512/16=32 这里寻址是[ES:BX] 所以原本512字节要除16
mov es,ax
add cl,1
cmp cl,18 ;一个道18个扇区
jbe read_disk_loop
mov cl,1 ;重置扇区号
add dh,1 ;磁头号，两面
cmp dh,2
jb read_disk_loop
mov dh,0 ;
add ch,1
cmp CH,CYLS ;总读取磁道数
JB read_disk_loop
jmp 0x8200
好了，到了启动区最重要的功能，读磁盘内容了。读磁盘有两种方式，一种是chs的方法，一种是使用lba地址的方法，两种方法需要设置的寄存器值有一些差别，大家要注意看其对应的要求。chs就是我们使用的物理结构，柱面，磁头，扇区。而lba就不管这个了，把磁盘看成一个大的空间，分成512个字节一小部分，计算时就是（柱面号*磁头数+磁头号）*扇区数+扇区编号-1。
当然，读磁盘有可能出现各种问题导致某一次失败，所以我们需要让其有重来的机会。我们这里将其设定为5次，5次及之前，出现错误都会重置后跳转到retry继续读取，如果超过五次，就会跳转到error，打印read_disk_error。而next之后实际上就是要继续读取的写法了，1440kb的软盘结构：2面、80道/面、18扇区/道、512字节/扇区。所以才会有后面的那些判断。
还有一个小问题，就是防止的地方，由于一次读进来一个扇区，512字节，所以每次之后都需要把内存防止位置在加上512字节，由于我们在es上操作，es实际计算地址时是[ES:BX],es需要左移4位也就是×16。（为什么，就是intel的遗留问题了，有兴趣可以搜索看看，没兴趣就算了。）所以512÷16=32，化为16进制就是0x20，所以才会每次给es加上0x20。但es又不能直接进行加减运算，所以只好先拿出来给ax，做完运算再放回去。
fin:
hlt
jmp fin
这里就是停止，hlt会让cpu停止，等待下一个操作，而不是一直运行着，浪费资源。
📖boot_info解析
org 0xc200 ; 这个程序将要被装载到内存的什么地方呢？
mov al,0x13 ; VGA显卡，320x200x8位彩色
mov ah,0x00
int 0x10
mov byte[VMODE],8
mov word[SCRNX],320
mov word[SCRNY],200
mov dword [VRAM],0x000a0000
部分注释已经在上面，里面的一些参数依照如下来设置的：
设置显卡模式（video mode）
AH=0x00;
AL=模式：（省略了一些不重要的画面模式）
0x03：16色字符模式，80 × 25
0x12：VGA 图形模式，640 × 480 × 4位彩色模式，独特的4面存
储模式
0x13：VGA 图形模式，320 × 200 × 8位彩色模式，调色板模式
0x6a：扩展VGA 图形模式，800 × 600 × 4位彩色模式，独特的4
面存储模式（有的显卡不支持这个模式）
返回值：无
所以这实际上也只是一个设置好寄存器调用的问题。
📗实际效果
这里还没有把boot_info写入到磁盘，所以虽然跳转了，但是没有发生什么。主要看一下没有调用画面前的状态。
调用后，光标应是消失状态。
