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

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

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

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

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

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.