彙編語言的硬盤編程

【 以下文字轉載自 Board 討論區 】
發信人: hfut (bluecode), 信區: Board
標  題: [範文]彙編語言的硬盤編程
發信站: BBS 水木清華站 (Wed Nov  5 15:25:55 2003), 轉信

第一部分  簡  介
1,1
一. 硬盤結構簡介
  1. 硬盤參數釋疑
    到目前爲止, 人們常說的硬盤參數還是古老的 CHS (Cylinder/
Head/Sector)參數. 那麼爲什麼要使用這些參數, 它們的意義是什麼?
它們的取值範圍是什麼?
    很久以前, 硬盤的容量還非常小的時候, 人們採用與軟盤類似的結
構生產硬盤. 也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區數. 由此
產生了所謂的3D參數 (Disk Geometry). 既磁頭數(Heads), 柱面數
(Cylinders), 扇區數(Sectors),以及相應的尋址方式.
    其中:
    磁頭數(Heads) 表示硬盤總共有幾個磁頭,也就是有幾面盤片, 最大
爲 255 (用 8 個二進制位存儲);
    柱面數(Cylinders) 表示硬盤每一面盤片上有幾條磁道, 最大爲 1023
(用 10 個二進制位存儲);
    扇區數(Sectors) 表示每一條磁道上有幾個扇區, 最大爲 63 (用 6
個二進制位存儲).
    每個扇區一般是 512個字節, 理論上講這不是必須的, 但好象沒有取
別的值的.
    所以磁盤最大容量爲:
    255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 GB ( 1M = 1048576 Bytes )
或硬盤廠商常用的單位:
    255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 GB ( 1M = 1000000 Bytes )
    在 CHS 尋址方式中, 磁頭, 柱面, 扇區的取值範圍分別爲 0 到 Heads - 1,
 0 到 Cylinders - 1, 1 到 Sectors (注意是從 1 開始).
  2. 基本 Int 13H 調用簡介
    BIOS Int 13H 調用是 BIOS 提供的磁盤基本輸入輸出中斷調用, 它可以
完成磁盤(包括硬盤和軟盤)的復位, 讀寫, 校驗, 定位, 診斷, 格式化等功能.
它使用的就是 CHS 尋址方式, 因此最大識能訪問 8 GB 左右的硬盤 ( 本文中
如不作特殊說明, 均以 1M = 1048576 字節爲單位).
  3. 現代硬盤結構簡介
    在老式硬盤中, 由於每個磁道的扇區數相等, 所以外道的記錄密度要遠低
於內道, 因此會浪費很多磁盤空間 (與軟盤一樣). 爲了解決這一問題, 進一
步提高硬盤容量, 人們改用等密度結構生產硬盤. 也就是說, 外圈磁道的扇區
比內圈磁道多. 採用這種結構後, 硬盤不再具有實際的3D參數, 尋址方式也改
爲線性尋址, 即以扇區爲單位進行尋址.
    爲了與使用3D尋址的老軟件兼容 (如使用BIOS Int13H接口的軟件), 在硬
盤控制器內部安裝了一個地址翻譯器, 由它負責將老式3D參數翻譯成新的線性
參數. 這也是爲什麼現在硬盤的3D參數可以有多種選擇的原因 (不同的工作模
式, 對應不同的3D參數, 如 LBA, LARGE, NORMAL).
  4. 擴展 Int 13H 簡介
    雖然現代硬盤都已經採用了線性尋址, 但是由於基本 Int 13H 的制約, 使
用 BIOS Int 13H 接口的程序, 如 DOS 等還只能訪問 8 G 以內的硬盤空間.
爲了打破這一限制, Microsoft 等幾家公司制定了擴展 Int 13H 標準
(Extended Int13H), 採用線性尋址方式存取硬盤, 所以突破了 8 G 的限制,
而且還加入了對可拆卸介質 (如活動硬盤) 的支持.
二. Boot Sector 結構簡介
  1. Boot Sector 的組成
    Boot Sector 也就是硬盤的第一個扇區, 它由 MBR (Master Boot Record),
DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID  三部分組成.
    MBR 又稱作主引導記錄佔用 Boot Sector 的前 446 個字節 ( 0 to 0x1BD ),
存放系統主引導程序 (它負責從活動分區中裝載並運行系統引導程序).
    DPT 即主分區表佔用 64 個字節 (0x1BE to 0x1FD), 記錄了磁盤的基本分區
信息. 主分區表分爲四個分區項, 每項 16 字節, 分別記錄了每個主分區的信息
(因此最多可以有四個主分區).
    Boot Record ID 即引導區標記佔用兩個字節 (0x1FE and 0x1FF), 對於合法
引導區, 它等於 0xAA55, 這是判別引導區是否合法的標誌.
    Boot Sector 的具體結構如下圖所示 (參見 NightOwl 大俠的文章):
      0000  |------------------------------------------------|
            |                                                |
            |                                                |
            |             Master Boot Record                 |
            |                                                |
            |                                                |
            |             主引導記錄(446字節)                |
            |                                                |
            |                                                |
            |                                                |
      01BD  |                                                |
      01BE  |------------------------------------------------|
            |                                                |
      01CD  |             分區信息  1(16字節)                |
      01CE  |------------------------------------------------|
            |                                                |
      01DD  |             分區信息  2(16字節)                |
      01DE  |------------------------------------------------|
            |                                                |
      01ED  |             分區信息  3(16字節)                |
      01EE  |------------------------------------------------|
            |                                                |
      01FD  |             分區信息  4(16字節)                |
            |------------------------------------------------|
            | 01FE                | 01FF                     |
            |         55          |           AA             |
            |------------------------------------------------|
  2. 分區表結構簡介
    分區表由四個分區項構成, 每一項的結構如下:
    BYTE State       : 分區狀態, 0 = 未激活, 0x80 = 激活 (注意此項)
    BYTE StartHead   : 分區起始磁頭號
    WORD StartSC     : 分區起始扇區和柱面號, 底字節的低6位爲扇區號,
                     高2位爲柱面號的第 9,10 位, 高字節爲柱面號的低 8 位
    BYTE Type        : 分區類型, 如 0x0B = FAT32, 0x83 = Linux 等,
                     00 表示此項未用
    BYTE EndHead     : 分區結束磁頭號
    WORD EndSC       : 分區結束扇區和柱面號, 定義同前
    DWORD Relative   : 在線性尋址方式下的分區相對扇區地址
                       (對於基本分區即爲絕對地址)
    DWORD Sectors    : 分區大小 (總扇區數)
    注意: 在 DOS / Windows 系統下, 基本分區必須以柱面爲單位劃分
( Sectors * Heads 個扇區), 如對於 CHS 爲 764/255/63 的硬盤, 分區的
最小尺寸爲  255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844 MB.
  3. 擴展分區簡介
    由於主分區表中只能分四個分區, 無法滿足需求, 因此設計了一種擴展
分區格式. 基本上說, 擴展分區的信息是以鏈表形式存放的, 但也有一些特
別的地方.
    首先, 主分區表中要有一個基本擴展分區項, 所有擴展分區都隸屬於它,
也就是說其他所有擴展分區的空間都必須包括在這個基本擴展分區中. 對於
DOS / Windows 來說, 擴展分區的類型爲 0x05.
    除基本擴展分區以外的其他所有擴展分區則以鏈表的形式級聯存放, 後
一個擴展分區的數據項記錄在前一個擴展分區的分區表中, 但兩個擴展分區
的空間並不重疊.
    擴展分區類似於一個完整的硬盤, 必須進一步分區才能使用. 但每個擴
展分區中只能存在一個其他分區. 此分區在 DOS/Windows 環境中即爲邏輯盤.
因此每一個擴展分區的分區表 (同樣存儲在擴展分區的第一個扇區中)中最多
只能有兩個分區數據項(包括下一個擴展分區的數據項).
    擴展分區和邏輯盤的示意圖如下:
  |-----------------------|             --------
  | 主擴展分區(/dev/hda2) |                    ^
  |-----------------------|                    |
  |  擴  展  |  分區項 1  |--\                 |
  |          |------------|  |                 |
  |  分區表  |  分區項 2  |--+--\              |
  |-----------------------|  |  |              |
  |                       |  |  |              |
  | 邏輯盤 1 (/dev/hda5)  |<-/  |              |
  |                       |     |              |
  |-----------------------|     |             主
  |      擴展分區 2       |<----/
  |-----------------------|                   擴
  |  擴  展  |  分區項 1  |--\
  |          |------------|  |                展
  |  分區表  |  分區項 2  |--+--\
  |-----------------------|  |  |             分
  |                       |  |  |
  | 邏輯盤 2 (/dev/hda6)  |<-/  |             區
  |                       |     |              |
  |-----------------------|     |              |
  |      擴展分區 3       |<----/              |
  |-----------------------|                    |
  |  擴  展  |  分區項 1  |--\                 |
  |          |------------|  |                 |
  |  分區表  |  分區項 2  |  |                 |
  |-----------------------|  |                 |
  |                       |  |                 |
  | 邏輯盤 3 (/dev/hda7)  |<-/                 |
  |                       |                    |
  |-----------------------|            ---------
三. 系統啓動過程簡介
    系統啓動過程主要由一下幾步組成(以硬盤啓動爲例):
    1. 開機 :-)
    2. BIOS 加電自檢 ( Power On Self Test -- POST )
       內存地址爲 0ffff:0000
    3. 將硬盤第一個扇區 (0頭0道1扇區, 也就是Boot Sector)
       讀入內存地址 0000:7c00 處.
    4. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等於 0xaa55, 若不等於
       則轉去嘗試其他啓動介質, 如果沒有其他啓動介質則顯示
       "No ROM BASIC" 然後死機.
    5. 跳轉到 0000:7c00 處執行 MBR 中的程序.
    6. MBR 首先將自己複製到 0000:0600 處, 然後繼續執行.
    7. 在主分區表中搜索標誌爲活動的分區. 如果發現沒有活動
       分區或有不止一個活動分區, 則轉停止.
    8. 將活動分區的第一個扇區讀入內存地址 0000:7c00 處.
    9. 檢查 (WORD) 0000:7dfe 是否等於 0xaa55, 若不等於則
       顯示 "Missing Operating System" 然後停止, 或嘗試
       軟盤啓動.
    10. 跳轉到 0000:7c00 處繼續執行特定系統的啓動程序.
    11. 啓動系統 ...
    以上步驟中 2,3,4,5 步是由 BIOS 的引導程序完成. 6,7,8,9,10
步由MBR中的引導程序完成.
    一般多系統引導程序 (如 SmartFDISK, BootStar, PQBoot 等)
都是將標準主引導記錄替換成自己的引導程序, 在運行系統啓動程序
之前讓用戶選擇要啓動的分區.
    而某些系統自帶的多系統引導程序 (如 lilo, NT Loader 等)
則可以將自己的引導程序放在系統所處分區的第一個扇區中, 在 Linux
中即爲 SuperBlock (其實 SuperBlock 是兩個扇區).
    注: 以上各步驟中使用的是標準 MBR, 其他多系統引導程序的引導
過程與此不同.
    第二部分 技術資料
第一章 擴展 Int13H 技術資料
一. 簡介
    設計擴展 Int13H 接口的目的是爲了擴展 BIOS 的功能, 使其支持
多於1024柱面的硬盤, 以及可移動介質的瑣定, 解鎖及彈出等功能.
二. 數據結構
1. 數據類型約定
    BYTE    1 字節整型 (  8 位 )
    WORD    2 字節整型 ( 16 位 )
    DWORD   4 字節整型 ( 32 位 )
    QWORD   8 字節整型 ( 64 位 )
2. 磁盤地址數據包 Disk Address Packet (DAP)
    DAP 是基於絕對扇區地址的, 因此利用 DAP, Int13H 可以輕鬆地逾
越 1024 柱面的限制, 因爲它根本就不需要 CHS 的概念.
    DAP 的結構如下:
    struct DiskAddressPacket
    {
        BYTE PacketSize;     // 數據包尺寸(16字節)
        BYTE Reserved;       // ==0
        WORD BlockCount;     // 要傳輸的數據塊個數(以扇區爲單位)
        DWORD BufferAddr;    // 傳輸緩衝地址(segment:offset)
        QWORD BlockNum;      // 磁盤起始絕對塊地址
    };
    PacketSize 保存了 DAP 結構的尺寸, 以便將來對其進行擴充. 在
目前使用的擴展 Int13H 版本中 PacketSize 恆等於 16. 如果它小於
16, 擴展 Int13H 將返回錯誤碼( AH=01, CF=1 ).
    BlockCount 對於輸入來說是需要傳輸的數據塊總數, 對於輸出來說
是實際傳輸的數據塊個數. BlockCount = 0 表示不傳輸任何數據塊.
    BufferAddr 是傳輸數據緩衝區的 32 位地址 (段地址:偏移量). 數據
緩衝區必須位於常規內存以內(1M).
    BlockNum 表示的是從磁盤開始算起的絕對塊地址(以扇區爲單位),
與分區無關. 第一個塊地址爲 0. 一般來說, BlockNum 與 CHS 地址的關係
是:
    BlockNum = cylinder * NumberOfHeads +
               head * SectorsPerTrack +
               sector - 1;
    其中 cylinder, head, sector 是 CHS 地址, NumberOfHeads 是磁盤
的磁頭數, SectorsPerTrack 是磁盤每磁道的扇區數.
    也就是說 BlockNum 是沿着 扇區->磁道->柱面 的順序記數的. 這一順
序是由磁盤控制器虛擬的, 磁盤表面數據塊的實際排列順序可能與此不同
(如爲了提高磁盤速度而設置的間隔因子將會打亂扇區的排列順序).
3. 驅動器參數數據包 Drive Parameters Packet
   驅動器參數數據包是在擴展 Int13H 的取得驅動器參數子功能調用中
使用的數據包. 格式如下:
    struct DriveParametersPacket
    {
        WORD InfoSize;          // 數據包尺寸 (26 字節)
        WORD Flags;             // 信息標誌
        DWORD Cylinders;        // 磁盤柱面數
        DWORD Heads;            // 磁盤磁頭數
        DWORD SectorsPerTrack;  // 每磁道扇區數
        QWORD Sectors;          // 磁盤總扇區數
        WORD SectorSize;        // 扇區尺寸 (以字節爲單位)
    };
    信息標誌用於返回磁盤的附加信息, 每一位的定義如下:
    0 位:
        0 = 可能發生 DMA 邊界錯誤
        1 = DMA 邊界錯誤將被透明處理
        如果這位置 1, 表示 BIOS 將自動處理 DMA 邊界錯誤, 也就是說
        錯誤代碼 09H 永遠也不會出現.
    1 位:
        0 = 未提供 CHS 信息
        1 = CHS 信息合法
        如果塊設備的傳統 CHS 幾何信息不適當的話, 該位將置 0.
    2 位:
        0 = 驅動器不可移動
        1 = 驅動器可移動
    3 位: 表示該驅動器是否支持寫入時校驗.
    4 位:
        0 = 驅動器不具備介質更換檢測線
        1 = 驅動器具備介質更換檢測線
    5 位:
        0 = 驅動器不可鎖定
        1 = 驅動器可以鎖定
        要存取驅動器號大於 0x80 的可移動驅動器, 該位必須置 1
        (某些驅動器號爲 0 到 0x7F 的設備也需要置位)
    6 位:
        0 = CHS 值是當前存儲介質的值 (僅對於可移動介質), 如果
        驅動器中有存儲介質, CHS 值將被返回.
        1 = CHS 值是驅動器支持的最大值 (此時驅動器中沒有介質).
    7 - 15 位: 保留, 必須置 0.
三. 接口規範
1. 寄存器約定
    在擴展 Int13H 調用中一般使用如下寄存器約定:
    ds:di ==> 磁盤地址數據包( disk address packet )
    dl    ==> 驅動器號
    ah    ==> 功能代碼 / 返回碼
    在基本 Int13H 調用中, 0 - 0x7F 之間的驅動器號代表可移動驅動器
0x80 - 0xFF 之間的驅動器號代表固定驅動器. 但在擴展 Int13H 調用中
0x80 - 0xFF 之間還包括一些新出現的可移動驅動器, 比如活動硬盤等.
這些驅動器支持先進的鎖定,解鎖等功能.
    ah 返回的錯誤碼除了標準 Int13H 調用規定的基本錯誤碼以外,又增加
了以下錯誤碼:
   B0h   驅動器中的介質未被鎖定
   B1h   驅動器中的介質已經鎖定
   B2h   介質是可移動的
   B3h   介質正在被使用
   B4h   鎖定記數溢出
   B5h   合法的彈出請求失敗
2. API 子集介紹
   1.x 版的擴展 Int13H 調用中規定了兩個主要的 API 子集.
   第一個子集提供了訪問大硬盤所必須的功能, 包括 檢查擴展 In13H
是否存在( 41h ), 擴展讀( 42h ), 擴展寫( 43h ), 校驗扇區( 44h ),
擴展定位( 47h ) 和 取得驅動器參數( 48h ).
   第二個子集提供了對軟件控制驅動器鎖定和彈出的支持, 包括 檢查擴展
Int13H 是否存在( 41h ), 鎖定/解鎖驅動器( 45h ), 彈出驅動器( 46h ),
取得驅動器參數( 48h ), 取得擴展驅動器改變狀態( 49h ), int 15h.
   如果使用了調用規範中不支持的功能, BIOS 將返回錯誤碼 ah = 01h,
CF = 1.
3. API 詳解
1) 檢驗擴展功能是否存在
入口:
    AH = 41h
    BX = 55AAh
    DL = 驅動器號
返回:
    CF = 0
       AH = 擴展功能的主版本號
       AL = 內部使用
       BX = AA55h
       CX = API 子集支持位圖
    CF = 1
       AH = 錯誤碼 01h, 無效命令
    這個調用檢驗對特定的驅動器是否存在擴展功能. 如果進位標誌置 1
則此驅動器不支持擴展功能. 如果進位標誌爲 0, 同時 BX = AA55h, 則
存在擴展功能. 此時 CX 的 0 位表示是否支持第一個子集, 1位表示是否
支持第二個子集.
    對於 1.x 版的擴展 Int13H 來說, 主版本號 AH = 1. AL 是副版本號,
但這僅限於 BIOS 內部使用, 任何軟件不得檢查 AL 的值.
2) 擴展讀
入口:
    AH = 42h
    DL = 驅動器號
    DS:DI = 磁盤地址數據包(Disk Address Packet)
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用將磁盤上的數據讀入內存. 如果出現錯誤, DAP 的 BlockCount
項中則記錄了出錯前實際讀取的數據塊個數.
3) 擴展寫
入口:
    AH = 43h
    AL
       0 位 = 0 關閉寫校驗
              1 打開寫校驗
       1 - 7 位保留, 置 0
    DL = 驅動器號
    DS:DI = 磁盤地址數據包(DAP)
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用將內存中的數據寫入磁盤. 如果打開了寫校驗選項, 但 BIOS
不支持, 則會返回錯誤碼 AH = 01h, CF = 1. 功能 48h 可以檢測BIOS是否
支持寫校驗.
    如果出現錯誤, DAP 的 BlockCount 項中則記錄了出錯前實際寫入的數
據塊個數.
4) 校驗扇區
入口:
    AH = 44h
    DL = 驅動器號
    DS:DI = 磁盤地址數據包(Disk Address Packet)
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用校驗磁盤數據, 但並不將數據讀入內存.如果出現錯誤, DAP 的
BlockCount 項中則記錄了出錯前實際校驗的數據塊個數.
5) 鎖定/解鎖驅動器
入口:
    AH = 45h
    AL= 0 鎖定驅動器
        = 1 驅動器解鎖
        = 02 返回鎖定/解鎖狀態
        = 03h-FFh - 保留
    DL = 驅動器號
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用用來縮定指定驅動器中的介質.
    所有標號大於等於 0x80 的可移動驅動器必須支持這個功能. 如果
在支持可移動驅動器控制功能子集的固定驅動器上使用這個功能調用, 將
會成功返回.
    驅動器必須支持最大255次鎖定, 在所有鎖定被解鎖之前, 不能在物理上
將驅動器解鎖. 解鎖一個未鎖定的驅動器,將返回錯誤碼 AH= B0h. 如果鎖定一
個已鎖定了255次的驅動器, 將返回錯誤碼 AH = B4h.
    鎖定一個沒有介質的驅動器是合法的.
6) 彈出可移動驅動器中的介質
入口:
    AH = 46h
    AL = 0 保留
    DL = 驅動器號
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用用來彈出指定的可移動驅動器中的介質.
    所有標號大於等於 0x80 的可移動驅動器必須支持這個功能. 如果
在支持可移動驅動器控制功能子集的固定驅動器上使用這個功能調用, 將
會返回錯誤碼 AH = B2h (介質不可移動). 如果試圖彈出一個被鎖定的介質
將返回錯誤碼 AH = B1h (介質被鎖定).
    如果試圖彈出一個沒有介質的驅動器, 則返回錯誤碼 Ah = 31h (驅動器
中沒有介質).
    如果試圖彈出一個未鎖定的可移動驅動器中的介質, Int13h會調用 Int15h
(AH = 52h) 來檢查彈出請求能否執行. 如果彈出請求被拒絕則返回錯誤碼(同
Int15h). 如果彈出請求被接受,但出現了其他錯誤, 則返回錯誤碼 AH = B5h.
7) 擴展定位
入口:
    AH = 47h
    DL = 驅動器號
    DS:DI = 磁盤地址數據包(Disk Address Packet)
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用將磁頭定位到指定扇區.
8) 取得驅動器參數
入口:
    AH = 48h
    DL = 驅動器號
    DS:DI = 返回數據緩衝區地址
返回:
    CF = 0, AH = 0 成功
        DS:DI 驅動器參數數據包地址, (參見前面的文章)
    CF = 1, AH = 錯誤碼
    這個調用返回指定驅動器的參數.
9) 取得擴展驅動器介質更換檢測線狀態
入口:
    AH = 49h
    DL = 驅動器號
返回:
    CF = 0, AH = 0  介質未更換
    CF = 1, AH = 06h 介質可能已更換
    這個調用返回指定驅動器的介質更換狀態.
    這個調用與 Int13h AH = 16h 子功能調用相同, 只是允許任何驅動器
標號. 如果對一臺支持可移動介質功能子集的固定驅動器使用此功能,則永遠
返回 CF = 0, AH = 0.
    簡單地將可移動介質鎖定再解鎖就可以激活檢測線, 而無須真正更換介質.
10) Int 15h 可移動介質彈出支持
入口:
    AH = 52h
    DL = 驅動器號
返回:
    CF = 0, AH = 0 彈出請求可能可以執行
    CF = 1, AH = 錯誤碼 B1h 或 B3h  彈出請求不能執行
    這個調用是由 Int13h AH=46h 彈出介質功能調用內部使用的.


--
閑看庭前花開花落花滿天 笑言網上緣來緣去緣如水


※ 來源:·BBS 水木清華站 smth.org·[FROM: 210.35.91.249]