这里在实验之前需要下载 Bochs-win32-2.6.11 作者使用的是Linux版本的，在Linux写代码不太舒服，所以最好在Windows上做实验，下载好虚拟机以后还需要下载Nasm汇编器，以及GCC编译器，为了能够使用DD命令实现磁盘拷贝，这里你可以安装windows 10 下面的子系统Ubuntu，需要使用命令时可以直接切换。
**注释：**该系列笔记是在学习《操作系统真相还原》时通过阅读后简化并适当描述整理的学习笔记，首先，致敬作者郑刚博士，在读本书时能深刻的感觉到作者写书时一丝不苟的态度，书很厚写的，讲解细致幽默，很能让人愿意继续读下去，同时也不得不佩服作者计算机底层功力的深厚，转载本文请一并附带郑刚版权信息。
BIOS 基本输入输出系统,BIOS代码所做的工作是一成不变的,所以他是被固化到ROM中的一块只读区域中,在开机时此ROM会被映射到低端1MB内存的顶部,原因是系统在开启时默认是实地址模式(该模式最大寻址范围0-fffff),所以其寻址范围也就被限制在了0xF0000-x0xFFFFF区域中,这64KB的内存就是BIOS的执行代码.
在开机的一瞬间,CPU的CS:IP寄存器会被强制初始化为0xF000:0xFFF0,在实地址模式下该地址需要乘以16也就是左移四位加上偏移地址得到,于是0xF000:0xFFF0就等效于0xFFFF0此处的地址距离0xFFFFF只有16个字节的空间,里面存放着一条jmp far f000:e05b = fe05b的汇编指令,该指令将跳转到真正的BIOS开始的位置.
接着BIOS将会通过自身的代码对硬件进行自检测,在初始化硬件后,则开始向内存0x000-0x3ff中初始化数据结构以及拷贝中断向量表,紧接着BIOS将会通过调用int 19h中断,此中断用以检测计算机中的硬盘,如果检测到0盘0道1扇区末尾的两个字节是0x55,0xaa则认为此扇区确实存在,于是就会将此区域中的内容,加载到内存7c00的位置,并通过一条jmp far 0:0x7c00h的指令跳转到该位置执行,这样BIOS就将CPU控制权交给了MBR了,而BIOS将会再次睡去.
此处的7c000就是MBR代码的开始位置,之所以是7C00是因为,DOS中要求最小内存是32KB,而MBR大小必须是512字节(1KB),所以选择32kB中的最后1KB的位置最为合适,32KB(0x8000)-1KB(0x400)=>0x7c00,这就是7C00的由来,同时还需要保证第510-511字节必须为0x55,0xaa才可以.
保存以下汇编代码,并使用 nasm -o mbr.bin mbr.asm编译简易版MBR文件.
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax mov ss,ax mov fs,ax mov sp,0x7c00 mov ax,Message mov bp,ax ; 保存字符串地址 mov cx,15 ; 保存字符串长度 mov ax,01301h ; 子功能号13是显示字符及属性 mov bx,000ch ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色 mov dl,0 int 10h ; 10h中断,用来显示字符 ret Message: db "hello lyshark !" times 510-($-$$) db 0 ; 填充510字节为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
进入Bochs目录下执行bximage.exe生成一个映像文件,默认是a.img,你可以改名为其他的，这里我定义为linux.img
并将编译好的mbr.bin写入到镜像中
dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc复制
在Bochs目录下新建并编辑bosh.src保存,然后执行bochs.exe -f bosh.src模拟执行MBR代码.
megs:32 romimage:file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest vgaromimage:file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest floppya:1_44=linux.img,status=inserted boot:floppy log:bochsout.txt mouse:enabled=0 keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-de.map复制
上方屏幕会比较混乱，这里我们先来进行清屏操作，清屏中断调用也是int10
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax mov ss,ax mov fs,ax mov sp,0x7c00 mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov ax,Message mov bp,ax ; 保存字符串地址 mov cx,15 ; 保存字符串长度 mov ax,01301h ; 子功能号13是显示字符及属性 mov bx,000ch ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色 mov dl,0 int 10h ; 调用10h号中断,用来显示字符 ret Message: db "hello lyshark !" times 510-($-$$) db 0 ; 填充510字节为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
执行结果，如下，但是，打印字符串，在底部，因为光标在底部。
设置光标到顶部，这里百度一下光标中断，发现了。
接着改进代码
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax mov ss,ax mov fs,ax mov sp,0x7c00 mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 mov dl,0x0 ; 设置光标行号 mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 mov ax,Message mov bp,ax ; 保存字符串地址 mov cx,15 ; 保存字符串长度 mov ax,01301h ; 子功能号13是显示字符及属性 mov bx,000ch ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色 mov dl,0 int 10h ; 调用10h号中断,用来显示字符 ret Message: db "hello lyshark !" times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
完美结果。
mbr.asm
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax mov ss,ax mov fs,ax mov sp,0x7c00 mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 mov dl,0x0 ; 设置光标行号 mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 mov ax,Message mov bp,ax ; 保存字符串地址 mov cx,15 ; 保存字符串长度 mov ax,01301h ; 子功能号13是显示字符及属性 mov bx,000ch ; 页号位0,使用黑色为背景色,红色为字体颜色 mov dl,0 int 10h ; 调用10h号中断,用来显示字符 hlt ret Message: db "hello lyshark !" times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
mbr.src
megs:32
romimage:file=./BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=./VGABIOS-lgpl-latest
boot:disk
mouse:enabled=0
ata0-master: type=disk, path="linux.img", mode=flat, status=inserted
keyboard: keymap=./x11-pc-de.map
复制填充数据
dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc
dd if=/dev/zero of=linux.img seek=1 bs=512 count=2879
复制运行
bochsdbg -q -f mbr.src
vb sp:0x7c00
c
复制上面我们通过调用BIOS提供的int 0x10中断来实现打印字符操作，但我们在后期必须要借助显卡来输出图像，而显卡是外部设备，必须通过总线来操作。
由于CPU使用的信号是TTL电平，而外部设备都是机械设备，故他们不会使用该电平驱动，这就导致CPU与硬件设备没有办法实现沟通，硬件工程师们提供的方法是，在这两者之间架起一座桥，也就是在CPU和外设之间加上一层IO接口，该接口的作用就是实现CPU和外设之间相互做协调转换。
其次外部设备的种类也是多种多样的，其输出的信号可能是数字信号，也可能是模拟信号，而我们的CPU只能处理数字信号，数字信号需要经过数模转换器<D/A>成模拟量才能送到外设来驱动硬件工作，模拟量也同样需要经过模数转换器<A/D>转换成数字量才能被CPU直接处理，所以接口电路中需要包括A/D转换器和D/A转换器。
转换后的数字信号，会经过总线进行传递，总线的别名是BUS，之所以叫做BUS是因为其是公共线路，所有硬件设备都会走此线路，但同一时刻，CPU只能和一个IO接口(寄存器/端口)通信，当有多个IO接口同时想和CPU通信时，那么IO仲裁模块会对其进行竞争与选优，仲裁模块固化到，输入输出控制中心(ICH)也就是南桥芯片上的。
多数情况下，南桥和北桥是成对出现的，南桥主要负责连接PCI,PCI-Express,AGP等低速设备，而北桥则用于链接高速设备，如内存等。
IO接口都是串行口，其在设计之初就是负责与CPU进行通信的，我们想要与CPU通信，其实是向这些接口中写入数据，同时为了区别CPU中的寄存器，所以把IO接口叫做端口，某些外设可以通过内存映射来访问，即把某些端口映射到指定内存中，访问某个内存区域就相当于访问了指定的端口。
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov sp,0x7c00 mov ax,0xb800 mov gs,ax mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 mov dl,0x0 ; 设置光标行号 mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 mov byte [gs:0x00],'M' mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 显示A=绿色闪烁 4=红色 mov byte [gs:0x02],'B' mov byte [gs:0x03],0xa5 mov byte [gs:0x04],'R' mov byte [gs:0x05],0xa6 ret times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
Bochs调试命令常用的有以下几种.
<bochs:1> vbreak 0x0000:0x7c000 7c000设置断点 <bochs:1> pb 0x7c000 设置物理断点 <bochs:1> vb sp:0x7c00 设置虚拟断点(保护模式) <bochs:1> info break 显示所有断点状态 <bochs:1> delete num 删除一个断点 <bochs:1> c 运行遇到断点停下 <bochs:1> n 执行下一指令 <bochs:1> r 显示寄存器 <bochs:1> u/10 向下反汇编10条 <bochs:1> print-stack 打印堆栈 x /nuf addr 查看一个线性地址的内存 xp /nuf addr 查看一个物理地址的内存 n 显示多少个字节的内存 u 单位长度; one o单位f b 字节 h 半字(2 字节) w 字 (4 字节) g 双字 (8 字节) F 打印格式： x 打印十六进制 d 打印十进制 u 打印无符号十进制 o 打印八进制 t 打印二进制复制
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 mov ax,cs mov sp,0x7c00 mov ax,0xb800 mov gs,ax mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 mov dl,0x0 ; 设置光标行号 mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 mov byte [gs:0x00],'L' mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 显示A=绿色闪烁 4=红色 mov byte [gs:0x02],'y' mov byte [gs:0x03],0xa5 mov byte [gs:0x04],'S' mov byte [gs:0x05],0xa6 mov byte [gs:0x6],'h' mov byte [gs:0x7],0xa7 mov byte[gs:0x8],'a' mov byte [gs:0x9],0xa6 mov byte[gs:0xa],'r' mov byte [gs:0xb],0xa5 mov byte[gs:0xc],'k' mov byte [gs:0xd],0xa4 hlt ret times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
循环显存
_start: ; 清屏和设置光标位置 mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 mov dl,0x0 ; 设置光标行号 mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 ;初始化数据段，使其指向段基址0X7C0处，即Boot代码被加载的地方 mov ax, 0x07c0 ; 设置加载基址 mov ds, ax ;将文本显示内存段基址 放在ES中，供后面显示字符使用 mov ax, 0xb800 ; 设置显存地址 mov es, ax mov cx, msglen ; 获取字符串长度 mov si, message ; 设置字符串基址 xor di, di loop_str: mov al, [si] ; 每次取出一个字符 mov [es:di], al ; 将字符逐一赋值到显存中 inc si inc di mov byte [es:di], 0x07 ; 设置字体颜色 inc di loop loop_str hlt ; 程序在此处终止 message db "Loading MBR..." msglen db $ - message times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制
CPU加电后，会跳转到 0xffff0 处，我们可以反汇编这段内存地址，向下反汇编10条。
分别显示，CPU模式，中断，call调用源。
设置vb虚拟地址断点，pb设置物理地址断点。blist显示所有断点。
bpd禁用断点，bpe启用断点。del删除断点。
info idt = 显示中断向量表 ， gdt 全局描述符表，ldt 局部描述符表，tss 任务状态段，ivt 中断向量表
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告诉编译器加载到7c00内存处 ; 清屏和设置光标位置 mov ax,0x600 ; 清屏范围,也就是宽度 mov bx,0x0 mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0) mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18) int 0x10 mov dh,0x0 ; 设置光标列号 左上角(0,0) mov dl,0x0 ; 设置光标行号 右下角(0,0) mov bh,0x0 ; 页码 int 0x10 ; 初始化,使SP寄存器指向段基址0X7C0处,GS指向显存基地址 mov ax,cs mov sp,0x7c00 mov ax,0xb800 mov gs,ax ; 设置显存地址 ; 设置字符串长度与字符串基地址 mov cx, msglen ; 获取字符串长度 mov si, message ; 设置字符串基址 xor di, di ; 每次清空di寄存器 loop_str: mov al, [si] ; 每次取出一个字符 mov [gs:di], al ; 将字符逐一赋值到显存中 inc si inc di mov byte [gs:di], 000ch ; 设置字体颜色 inc di loop loop_str hlt ; 程序在此处终止 ;message db "Hello LyShark...",0ah,0dh message db "Hello LyShark..." msglen equ $ - message times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字节的空间为0 db 0x55,0xaa ; mbr的结束标志复制