《一個操作系統的實現》（四）：讓操作系統走進保護模式

一個操作系統從開機到開始運行，大致經歷“引導->加載內核入內存->跳入保護模式->開始執行內核”這樣一個過程。

幾乎所有的文件系統都會把磁盤劃分爲若干層次以方便組織和管理，這些層次包括扇區（磁盤上的最小數據單元），簇（一個或多個扇區），分區（通常指整個文件系統）。

對於FAT12文件系統來說，第0號扇區爲引導扇區，其中有一個叫做BPB（BIOS Parameter Block）的數據結構，格式如下表，其中BPB_開頭的屬於BPB，其餘的只是引導扇區的一部分。

FAT12引導扇區的格式

名稱	偏移	長度	內容	Orange's的值
BS_jmpBoot	0	3	一個短跳轉指令	jmp LABEL_START nop
BS_OEMName	3	8	廠商名	'ForrestY'
BPB_BytesPerSec	11	2	每扇區字節數	0x200
BPB_SecPerClus	13	1	每簇扇區數	0x1
BPB_RsvdSecCnt	14	2	Boot記錄佔用多少扇區	0x1
BPB_NumFATs	16	1	共有多少FAT表	0x2
BPB_RootEntCnt	17	2	根目錄文件最大值	0xE0
BPB_TotSec16	19	2	扇區總數	0xB40
BPB_Media	21	1	介質描述符	0xF0
BPB_FATSz16	22	2	每FAT扇區數	0x9
BPB_SecPerTrk	24	2	每磁道扇區數	0x12
BPB_NumHeads	26	2	磁頭數（面數）	0x2
BPB_HiddSec	28	4	隱藏扇區數	0
BPB_TotSec32	32	4	如果BPB_TotSec16是0,由這個值記錄扇區數	0
BS_DrvNum	36	1	中斷13的驅動器號	0
BS_Reserved1	37	1	未使用	0
BS_BootSig	38	1	擴展引導標記（29h）	0x29
BS_VolID	39	4	卷序列號	0
BS_VolLab	43	11	卷標	'OrangeS0.02'
BS_FileSysType	54	8	文件系統類型	'FAT12'
引導代碼及其他	62	448	引導代碼、數據及其他填充字符等	引導代碼（剩餘部分被0填充）
結束標誌	510	2	0xAA55	0xAA55

接下來扇區號1-9、10-18分別由兩個完全相同的表（FAT1和FAT2）佔用，接下來是根目錄區（長度非固定，需計算），剩餘的是數據區（截止到2879號）。

根目錄區由若干個目錄條目組成，每個條目佔32字節，條目最多有BPB_RootEntCht個，即根目錄區大小依賴於BPB_RootEntCht。

根目錄區中的條目格式

名稱	偏移	長度	描述
DIR_Name	0	0xB	文件名8字節，擴展名3字節
DIR_Attr	0xB	1	文件屬性
保留位	0xC	10	保留位
DIR_WrtTime	0x16	2	最後一次寫入時間
DIR_WrtDate	0x18	2	最後一次寫入日期
DIR_FstClus	0x1A	2	此條目對應的開始簇號
DIR_FileSize	0x1C	4	文件大小

注意，數據區的第一個簇號是2，而不是0或1。

實際上，對於小於512字節的文件來說，FAT表用處不大，但如果文件大於512字節，就需要FAT表來找到所有的簇（扇區）。通常FAT項的值代表的是文件下一個簇號。還需要注意的是一個FAT項可能會跨越兩個扇區。

引導扇區需要有BPB等頭信息才能被識別，書上BPB的代碼如下：

jmp short LABEL_START		; Start to boot.
	nop				; 這個 nop 不可少

	; 下面是 FAT12 磁盤的頭
	BS_OEMName	DB 'ForrestY'	; OEM String, 必須 8 個字節
	BPB_BytsPerSec	DW 512		; 每扇區字節數
	BPB_SecPerClus	DB 1		; 每簇多少扇區
	BPB_RsvdSecCnt	DW 1		; Boot 記錄佔用多少扇區
	BPB_NumFATs	DB 2		; 共有多少 FAT 表
	BPB_RootEntCnt	DW 224		; 根目錄文件數最大值
	BPB_TotSec16	DW 2880		; 邏輯扇區總數
	BPB_Media	DB 0xF0		; 媒體描述符
	BPB_FATSz16	DW 9		; 每FAT扇區數
	BPB_SecPerTrk	DW 18		; 每磁道扇區數
	BPB_NumHeads	DW 2		; 磁頭數(面數)
	BPB_HiddSec	DD 0		; 隱藏扇區數
	BPB_TotSec32	DD 0		; wTotalSectorCount爲0時這個值記錄扇區數
	BS_DrvNum	DB 0		; 中斷 13 的驅動器號
	BS_Reserved1	DB 0		; 未使用
	BS_BootSig	DB 29h		; 擴展引導標記 (29h)
	BS_VolID	DD 0		; 卷序列號
	BS_VolLab	DB 'OrangeS0.02'; 卷標, 必須 11 個字節
	BS_FileSysType	DB 'FAT12   '	; 文件系統類型, 必須 8個字節  

LABEL_START:

要加載一個文件如內存的話免不了要讀軟盤。這時候需要用到int 13h中斷，此中斷參數詳見這篇文章。中斷參數需要柱面號、磁頭號、當前柱面上的扇區號三個分量，這三個分量的計算方法如下：

扇區號/每磁道扇區數(18)，得商Q和餘數R。柱面號爲Q>>1，磁頭號爲Q&1，起始扇區號爲R+1。

Loader要做的事情至少有兩件：加載內核入內存；跳入保護模式。因爲內核開始執行的時候一定在保護模式下。.COM的內核可以直接放入內存，但是ELF格式的內核不能直接放進內存（下一章會講）。

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在編譯生成boot.bin後，還需要這樣做：首先用bximage生成一個軟盤映像（直接執行bximage），然後執行如下命令

nasm loader.asm -o loader.bin

dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc

sudo mount -o loop a.img /mnt/floppy/

sudo cp loader.bin /mnt/floppy/ -v

sudo umount /mnt/floppy/