Пишем свой загрузочный сектор

Мы будем писать загрузочный сектор для трехдюймовой дискеты с файловой системой FAT12. После окончания начальной загрузки программа POST находит активное устройство и загружает с него короткую программу загрузки ОС — загрузочный сектор. Загрузочный сектор это первый физический сектор устройства, в данном случае дискеты и его размет равен всего ничего 512 байт. С помощью этих 512 байт кода мы должны найти основную часть загрузчика операционной системы, загрузить его в память и передать ему управление. Заголовок файловой системы FAT находится в первом секторе дискеты, благодаря чему этот заголовок, содержащий всю необходимую информацию о файловой системе, загружается вместе нашим загрузчиком. Наш загрузочный сектор будет искать в корневом каталоге некоторый файл — загрузчик, загрузит его в память и передаст ему управление на его начало. А загрузчик уже сам разберется, что ему делать дальше. Я использую NASM, т.к. считаю, что он больше подходит для наших целей.
И так, приступим. Как я уже говорил, в начале нашего загрузочного сектора располагается заголовок FAT, опишем его:
; Общая часть для всех типов FAT
BS_jmpBoot:
jmp short BootStart ; Переходим на код загрузчика
nop
BS_OEMName db ‘*-v4VIHC’ ; 8 байт, что было на моей дискете, то и написал
BPB_BytsPerSec dw 0x200 ; Байт на сектор
BPB_SecPerClus db 1 ; Секторов на кластер
BPB_RsvdSecCnt dw 1 ; Число резервных секторов
BPB_NumFATs db 2 ; Количектво копий FAT
BPB_RootEntCnt dw 224 ; Элементов в корневом катологе (max)
BPB_TotSec16 dw 2880 ; Всего секторов или 0
BPB_Media db 0xF0 ; код типа устройства
BPB_FATsz16 dw 9 ; Секторов на элемент таблицы FAT
BPB_SecPerTrk dw 18 ; Секторов на дорожку
BPB_NumHeads dw 2 ; Число головок
BPB_HiddSec dd 0 ; Скрытых секторов
BPB_TotSec32 dd 0 ; Всего секторов или 0
; Заголовок для FAT12 и FAT16
BS_DrvNum db 0 ; Номер дика для прерывания int 0x13
BS_ResNT db 0 ; Зарезервировано для Windows NT
BS_BootSig db 29h ; Сигнатура расширения
BS_VolID dd 2a876CE1h ; Серийный номер тома
BS_VolLab db ‘X boot disk’ ; 11 байт, метка тома
BS_FilSysType db ‘FAT12 ‘ ; 8 байт, тип ФС
; Структура элемента каталога
struc DirItem
DIR_Name: resb 11
DIR_Attr: resb 1
DIR_ResNT: resb 1
DIR_CrtTimeTenth resb 1
DIR_CrtTime: resw 1
DIR_CrtDate: resw 1
DIR_LstAccDate: resw 1
DIR_FstClusHi: resw 1
DIR_WrtTime: resw 1
DIR_WrtDate: resw 1
DIR_FstClusLow: resw 1
DIR_FileSize: resd 1
endstruc ;DirItem

Большинство полей мы использовать не будем, и так мало места для полета. Загрузчик BIOS передает нам управление на начало загрузочного сектора, т.е. на BS_jmpBoot, поэтому в начале заголовка FAT на отводится 3 байта для короткой или длинной инструкции jmp. Мы в данном случае использовали короткую, указав модификатор short, и в третьем байте просто разместили однобайтовую инструкцию nop.

По инструкции jmp short BootStart мы переходим на наш код. Проведем небольшую инициализацию:
; Наши не инициализированные переменные
; При инициализации они затрут не нужные нам
; поля заголовка FAT: BS_jmpBoot и BS_OEMName
struc NotInitData
SysSize: resd 1 ; Размер системной области FAT
fails: resd 1 ; Число неудачных попыток при чтении
fat: resd 1 ; Номер загруженного сектора с элементами FAT
endstruc ;NotInitData
; По этому адресу мы будем загружать загрузчик
%define SETUP_ADDR 0x1000
; А по этому адресу нас должны были загрузить
%define BOOT_ADDR 0x7C00
%define BUF 0x500
BootStart:
cld
xor cx, cx
mov ss, cx
mov es, cx
mov ds, cx
mov sp, BOOT_ADDR
mov bp, sp
; Сообщим о том что мы загружаемся
mov si, BOOT_ADDR + mLoading
call print

Все сегментные регистры настраиваем на начало физической памяти. Вершину стека настраиваем на начало нашего сектора, стек растет вниз (т.е. в сторону младших адресов), так что проблем быть не должно. Туда же указывает регистр bp — нам нужно обращаться к полям заголовка FAT и паре наших переменных. Мы используем базовую адресацию со смещением, для чего используем регистр bp т.к. в этом случае можно использовать однобайтовые смещения, вместо двухбайтовых адресов, что позволяет сократить код. Процедуру print, выводящую сообщение на экран, рассмотрим позже.

Теперь нам нужно вычислить номера первых секторов корневого каталога и данных файлов.

mov al, [byte bp+BPB_NumFATs]
cbw
mul word [byte bp+BPB_FATsz16]
add ax, [byte bp+BPB_HiddSec]
adc dx, [byte bp+BPB_HiddSec+2]
add ax, [byte bp+BPB_RsvdSecCnt]
adc dx, cx
mov si, [byte bp+BPB_RootEntCnt]
; dx:ax — Номер первого сектора корневого каталога
; si — Количество элементов в корневом каталоге
pusha
; Вычислим размер системной области FAT = резервные сектора +
; все копии FAT + корневой каталог
mov [bp+SysSize], ax ; осталось добавить размер каталога
mov [bp+SysSize+2], dx
; Вычислим размер корневого каталога
mov ax, 32
mul si
; dx:ax — размер корневого каталога в байтах, а надо в секторах
mov bx, [byte bp+BPB_BytsPerSec]
add ax, bx
dec ax
div bx
; ax — размер корневого каталога в секторах
add [bp+SysSize], ax ; Теперь мы знаем размер системной
adc [bp+SysSize+2], cx ; области FAT, и начало области данных
popa
; В dx:ax — снова номер первого сектора корневого каталога
; si — количество элементов в корневом каталоге

Теперь мы будем просматривать корневой каталог в поисках нужного нам файла
NextDirSector:
; Загрузим очередной сектор каталога во временный буфер
mov bx, 700h ; es:bx — буфер для считываемого сектора
mov di, bx ; указатель текущего элемента каталога
mov cx, 1 ; количество секторов для чтения
call ReadSectors
jc near DiskError ; ошибка при чтении
RootDirLoop:
; Ищем наш файл
; cx = 0 после функции ReadSectors
cmp [di], ch ; byte ptr [di] = 0?
jz near NotFound ; Да, это последний элемент в каталоге
; Нет, не последний, сравним имя файла
pusha
mov cl, 11 ; длина имени файла с расширением
mov si, BOOT_ADDR + LoaderName ; указатель на имя искомого файла
rep cmpsb ; сравниваем
popa
jz short Found ; Нашли, выходим из цикла
; Нет, ищем дальше
dec si ; RootEntCnt
jz near NotFound ; Это был последний элемент каталога
add di, 32 ; Переходим к следующему элементу каталога
; bx указывает на конец прочтенного сектора после call ReadSectors
cmp di, bx ; Последний элемент в буфере?
jb short RootDirLoop ; Нет, проверим следующий элемент
jmp short NextDirSector ; Да последний, загрузим следующий сектор

Из этого кода мы можем выйти одну из трех точек: ошибка при чтении DiskError, файл наден Found или файл не найден NotFound.

Если файл найден, то загрузим его в память и передадим управление на его начало.

Found:
; Загрузка загрузчика (извените, калабур)
mov bx, SETUP_ADDR
mov ax, [byte di+DIR_FstClusLow] ; Номер первого кластера файла
; Загружаем сектор с элемнтами FAT, среди которых есть FAT[ax]
; LoadFAT сохраняет значения всех регистров
call LoadFAT
ReadCluster:
; ax — Номер очередного кластера
; Загрузим его в память
push ax
; Первые два элемента FAT служебные
dec ax
dec ax
; Число секторов для чтения
; cx = 0 после ReadSectors
mov cl, [byte bp+BPB_SecPerClus] ; Секторов на кластер
mul cx
; dx:ax — Смещение кластера относительно области данных
add ax, [byte bp+SysSize]
adc dx, [byte bp+SysSize+2]
; dx:ax — Номер первого сектора требуемого кластера
; cx еще хранит количество секторов на кластер
; es:bx — конец прошлого кластера и начало нового
call ReadSectors ; читаем кластер
jc near DiskError ; Увы, ошибка чтения
pop ax ; Номер кластера
; Это конец файла?
; Получим значение следующего элемента FAT
pusha
; Вычислим адрес элемента FAT
mov bx, ax
shl ax, 1
add ax, bx
shr ax, 1
; Получим номер сектора, в котором находится текущий элемент FAT
cwd
div word [byte bp+BPB_BytsPerSec]
cmp ax, [bp+fat] ; Мы уже читали этот сектор?
popa
je Checked ; Да, читали
; Нет, надо загрузить этот сектор
call LoadFAT
Checked:
; Вычислим адрес элемента FAT в буфере
push bx
mov bx, ax
shl bx, 1
add bx, ax
shr bx, 1
and bx, 511 ; остаток от деления на 512
mov bx, [bx+0x700] ; а вот и адрес
; Извлечем следующий элемент FAT
; В FAT16 и FAT32 все немного проще 🙁
test al, 1
jnz odd
and bx, 0xFFF
jmp short done
odd:
shr bx, 4
done:
mov ax, bx
pop bx
; bx — новый элемент FAT
cmp ax, 0xFF8 ; EOF — конец файла?
jb ReadCluster ; Нет, читаем следующий кластер
; Наконец-то загрузили
mov ax, SETUP_ADDR>>4 ; SETUP_SEG
mov es, ax
mov ds, ax
; Передаем управление, наше дело сделано 🙂
jmp SETUP_ADDR>>4:0

LoadFAT ;proc
; Процедура для загрузки сектора с элементами FAT
; Элемент ax должен находится в этом секторе
; Процедура не должна менять никаких регистров
pusha
; Вычисляем адрес слова содержащего нужный элемент
mov bx, ax
shl ax, 1
add ax, bx
shr ax, 1
cwd
div word [byte bp+BPB_BytsPerSec]
; ax — смещение сектора относительно начала таблицы FAT
mov [bp+fat], ax ; Запомним это смещение, dx = 0
cwd ; dx:ax — номер сектора, содержащего FAT[?]
; Добавим смещение к первой копии таблицы FAT
add ax, [byte bp+BPB_RsvdSecCnt]
adc dx, 0
add ax, [byte bp+BPB_HiddSec]
adc dx, [byte bp+BPB_HiddSec+2]
mov cx, 1 ; Читаем один сектор. Можно было бы и больше, но не быстрее
mov bx, 700h ; Адрес буфера
call ReadSectors
jc DiskError ; Ошибочка вышла
popa
ret
;LoadFAT endp

В FAT12 на каждый элемент FAT отводится по 12 бит, что несколько усложняет нашу работу, в FAT16 и FAT32 на каждый элемент отводится по 16 и 32 бита соответственно и можно просто прочесть слово или двойное слово, а в FAT12 необходимо прочесть слово содержащее элемент FAT и правильно извлечь из него 12 бит.

Теперь разберем процедуру загрузки секторов. Процедура получает номер сектора в dx:ax (нумерация с нуля) и преобразует его к формату CSH (цилиндр, сектор, сторона), используемому прерыванием BIOS int 0x13.
; *************************************************
; * Чтение секторов с диска *
; *************************************************
; * Входные параметры: *
; * dx:ax — (LBA) номер сектора *
; * cx — количество секторов для чтения *
; * es:bx — адрес буфера *
; *************************************************
; * Выходные параметры: *
; * cx — Количество не прочтенных секторов *
; * es:bx — Указывает на конец буфера *
; * cf = 1 — Произошла ошибка при чтении *
; *************************************************
ReadSectors ;proc
next_sector:
; Читаем очередной сектор
mov byte [bp+fails], 3 ; Количество попыток прочесть сектор
try:
; Очередная попытка
pusha
; Преобразуем линейный адрес в CSH
; dx:ax = a1:a0
xchg ax, cx ; cx = a0
mov ax, [byte bp+BPB_SecPerTrk]
xchg ax, si ; si = Scnt
xchg ax, dx ; ax = a1
xor dx, dx
; dx:ax = 0:a1
div si ; ax = q1, dx = c1
xchg ax, cx ; cx = q1, ax = a0
; dx:ax = c1:a0
div si ; ax = q2, dx = c2 = c
inc dx ; dx = Sector?
xchg cx, dx ; cx = c, dx = q1
; dx:ax = q1:q2
div word [byte bp+BPB_NumHeads] ; ax = C (track), dx = H
mov dh, dl ; dh = H
mov ch, al
ror ah, 2
or cl, ah
mov ax, 0201h ; ah=2 — номер функции, al = 1 сектор
mov dl, [byte bp+BS_DrvNum]
int 13h
popa
jc Failure ; Ошибка при чтении
; Номер следующего сектора
inc ax
jnz next
inc dx
next:
add bx, [byte bp+BPB_BytsPerSec]
dec cx ; Все сектора прочтены?
jnz next_sector ; Нет, читаем дальше
return:
ret
Failure:
dec byte [bp+fails] ; Последняя попытка?
jnz try ; Нет, еще раз
; Последняя, выходим с ошибкой
stc
ret
;ReadSectors endp

Осталось всего ничего:
; Сообщения об ошибках
NotFound: ; Файл не найден
mov si, BOOT_ADDR + mLoaderNotFound
call print
jmp short die
DiskError: ; Ошибка чтения
mov si, BOOT_ADDR + mDiskError
call print
;jmp short die
die: ; Просто ошибка
mov si, BOOT_ADDR + mReboot
call print
_die: ; Бесконечный цикл, пользователь сам нажмет Reset
jmp short _die
; Процедура вывода ASCIIZ строки на экран
; ds:si — адрес строки
print: ; proc
pusha
print_char:
lodsb ; Читаем очередной символ
test al, al ; 0 — конец?
jz short pr_exit ; Да конец
; Нет, выводим этот символ
mov ah, 0eh
mov bl, 7
int 10h
jmp short print_char ; Следующий
pr_exit:
popa
ret
;print endp
; Перевод строки
%define endl 10,13,0
; Строковые сообщения
mLoading db ‘Loading…’,endl
mDiskError db ‘Disk I/O error’,endl
mLoaderNotFound db ‘Loader not found’,endl
mReboot db ‘Reboot system’,endl
; Выравнивание размера образа на 512 байт
times 499-($-$$) db 0
LoaderName db ‘BOOTOR ‘ ; Имя файла загрузчика
BootMagic dw 0xAA55 ; Сигнатура загрузочного сектора

Ну вот вроде бы и все. Компилируется все это до безобразия просто:
> nasm -f bin boot.asm -lboot.lst -oboot.bin

Осталось только как-то записать этот образ в загрузочный сектор вашей дискеты и разместить в корне этой дискеты файл загрузчика BOOTOR. Загрузочный сектор можно записать с помощью такой вот простой программы на Turbo (Borland) Pascal. Эта программа будет работать как в DOS, так и в Windows — пробовал на WinXP — работает как ни странно, но только с floopy. Но все же я рекомендую запускать эту утилиту из-под чистого DOS’а, т.к. WinXP обновляет не все поля в заголовке FAT и загрузочный сектор может работать некорректно.

var
fn:string;
f:file;
buf:array[0..511] of byte;
ok:boolean;
begin
fn:=ParamStr(1);
if fn=» then writeln(‘makeboot bootsect.bin’)
else
begin
writeln(‘Making boot floppy’);
{$I-}
assign(f,fn);
reset(f,sizeof(buf));
BlockRead(f,buf,1);
close(f);
{$I+}
if IOResult<>0 then
begin
Writeln(‘Failed to read file «‘,fn,'»‘);
Halt(1);
end;
ok:=false;
asm
mov ax, 0301h
mov cx, 1
mov dx, 0
mov bx, seg buf
mov es, bx
mov bx, offset buf
int 13h
jc @error
mov ok, true
@error:
end;
if ok then writeln(‘Done :)’)
else begin
writeln(‘Makeboot failed :(‘);
Halt(1);
end;
end;
end.

Реклама

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.