實驗目的：
• 如何從軟盤讀取並加載一個Loader程序到操作
系統，然后轉交系統控制權
• 對應章節：第四章
實驗內容：
1. 向軟盤鏡像文件寫入一個你指定的文件，手
工讀取在磁盤中的信息
2. 在軟盤中找到指定的文件，讀取其扇區信息
3. 將指定文件裝入指定內存區，並執行
4. 學會在bochs中使用xxd讀取反匯編信息
完成本次實驗要思考的問題：
1.FAT12格式是怎樣的？
2.如何讀取一張軟盤的信息
3.如何在軟盤中找到指定的文件
4.如何在系統引導過程中，從讀取並加載一個可執行文件
到內存，並轉交控制權？
5.為什么需要這個Loader程序不包含dos系統調用？
關鍵技術：
引導扇區，loader與控制權轉交。
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。也就是說，在內核開始執行之前不但要加載內 核，而且還有准備保護模式等一系列工作，如果全都交給引導扇區來做，512字節很可能是不夠用的，所以，把這個過程交給另外的模塊來完成，我們把這個模塊叫做Loader。引導扇區負責把Loader加載入內存並且把控制權交給它，其他工作交給 Loader來做，因為它沒有512字節的限制，將會靈活得多。
在這里，為了操作方便，把軟盤做成FAT12格式，這樣對Loader以及今后的Kernel（內核）的操作將會非常簡單易行。
實驗步驟：
1. 向軟盤鏡像文件寫入一個你指定的文件，手工讀取在磁盤中的信息
（1）修改引導扇區
增加BPB等信息以被識別。修改boot.asm，生成boot.bin，寫入已引導扇區。（boot.asm在第一章出現）
把生成的Boot.bin寫入磁盤引導扇區，運行的效果沒有變，仍然會是圖1.1的樣子。但是，現在的軟盤已經能夠被DOS以及 Linux識別了，我們已經可以方便地往上添加或刪除文件了。
修改bochsrc:
修改vgaromimage對應的文件位置，以你的實際安裝位置為准
注釋掉keyboard_mapping一行
增加display_library: sdl
（2）一個簡單的loader
Loader.asm。編譯為loader.bin
（3）讀軟盤，根目錄部分得loader起始扇區號
為加載loader.bin到軟盤，需要讀軟盤。
核心思想為修改boot.asm，引導扇區，使其功能改為讀軟盤，尋找loader.bin
用bios中斷 int 13h讀軟盤。
中斷需要的參數不是原來提到的從第0扇區開始的扇區號，而是柱面號、磁頭號以及在當前柱面上的扇區號3個分量，所以需要我們自己來轉換一下。對於1.44MB的軟盤來講，總共有兩面（磁頭號0和1），每面80個磁道（磁道號0～79），每個 磁道有18個扇區（扇區號1～18）。下面的公式就是軟盤容量的由來： 2×80×18×512=1.44MB
於是，磁頭號、柱面（磁道）號和起始扇區號可以用圖所示的方法來計算。
注意如Q=0,1,2,3,4，0與1為柱面0，在兩面為磁道0.0為磁頭0,1為磁頭1.
可知寫軟盤時先寫一個柱面，上下磁道都寫滿了再切換柱面。
對應，寫讀軟盤函數到boot.asm。
由於上述代碼用到堆棧，故有初始化堆棧，初始化ss和esp
之后寫查找loader.bin的函數
遍歷根目錄區所有的扇區，將每一個扇區加載入內存，然后從中尋找文件名為Loader.bin的條目，直到找到為止。找到的那一刻，es:di是指向條目中字母N后面的那個字符。其中宏定義與變量
由於在讀取過程中打印一些字符串，我們需要一個函數來做這項工作。為了節省代碼長度，字符串的長度都設為9字節，不夠則用空格補齊，這樣就相當於一個二維數組，定位的時候通過數字就可以了。顯示字符串的函數DispStr，調用它的時候只要保證寄存器dh的值是字符串的序號就可以了。
（4）寫入boot.bin，loader.bin到軟盤並反匯編調試
寫入：
但此時boot.bin只是找到了loader.bin，運行不會有效果，所以加斷點反匯編調試。
b 0x7c00 是因為bios把boot sector加載到0x7c00處。見boot.asm
N 單步執行，遇到函數則跳過。這里跳過了BPB
U 反匯編。/45 為count，反匯編的指令個數。用help x可以查看信息
然后書上b 0x7cb4是在boot.bin的jmp $處下斷點，根據實際情況(0x7cad處是jmp.-2,jmp $)，我在b 0x7cad處下斷點，然后
x /32xb es:di - 16 ←查看es:di 前后的內存
x /13xcb es:di - 11 ←容易發現es:di 前乃我們要找的文件名
sreg ←查看es
r查看di
可見拷貝成功。
（5）根據（3）讀根目錄得到的扇區號，讀FAT將loader加載到內存
繼續修改boot.asm。
現在我們已經有了Loader.bin的起始扇區號，我們需要用這個扇區號來做兩件事：一件是把起始扇區裝入內存，另一件則是通過它找到FAT中的項，從而找到Loader占用的其余所有扇區。
在這里，我們把Loader裝入內存的BaseOfLoader:OffsetOfLoader處
寫一個函數來找到FAT中的項。函數的輸入就是扇區號，輸出則是其對應的FAT項的值
新增加了宏SectorNoOfFAT1，它與前面提到的RootDirSectors、SectorNoOfRootDirectory等宏一起，與FAT12有關的幾個數字我們都定義成了宏，而不是在程序中進行計算。一方面，這是為縮小引導扇區代碼考慮；
另一方面，這些數字一般情況下是不會變的，寫代碼計算它們其實是一種浪費。
由於一個FAT項可能跨越兩個扇區，所以在代碼中一次總是讀兩個扇區，以免在邊界發生錯誤。
之后加載loader
新的宏DeltaSectorNo。根據下面的例子來看，文件RIVER.TXT對應的目錄條目中的開始簇號是2。實際上，開始簇號是2對應的是數據區的第一個扇區。所以，我們需要有一個方法來計算簇號為X代表從引導扇區開始算起是第幾個扇區。 根目錄區占用RootDirSectors也即14個扇區，根目錄區的開始扇區號是19，於是用“X+RootDirSectors+19-2”來算出“33”這個正確的扇區號。所以，我們又定義了一個宏DeltaSectorNo為17（即19-2）來幫助計算正確的扇區號： DeltaSectorNo equ 17
（6）向loader移交控制權
上面的代碼調試通過后，我們就已經成功地將Loader加載入內存，下面讓我們來一個跳轉，開始執行Loader
（7）整理boot.asm 測試
為了在執行時實現更好的效果，增加如下代碼
2首先清屏，然后顯示字符串“Booting”。這樣，加載Loader時打印的圓點也會出現在這個字符串的后面。 屏幕上的圓點數目表明我們讀了幾個扇區就把Loader加載完畢。
在加載完畢跳入loader前打印ready
更新引導扇區和loader。運行
修改bochsrc
運行，成功
（8）總結
Loader.bin本質上是個.COM文件，最大也不可能超過64KB。但是，我們已經成功突破512字節限制，這個進步無疑是巨大的。
Linux的的引導扇區代碼Boot.s比我們的代碼簡單，它直接把內核移動到目標內存。我們的代碼之所以復雜一些，是因為我們想和MSDOS的磁盤格式兼容，以便調試的時候容易一些。比如現在，我們就完全可以把第3章中的代碼pmtest9.asm編譯一下，將編譯后的二進制命名為Loader.bin並復制到剛剛引導過 的軟盤中覆蓋掉原來簡陋的Loader.bin。你會發現程序馬上可以執行，結果如圖所示。
現在的Loader僅僅是個Loader，它不是操作系統內核，也不能當做操作系統內核。我們希望自己的操作系統內核至少應該可以在Linux下用GCC編譯鏈接，要不然，永遠用匯編一點一點地寫下去實在是太痛苦了。
那么，現在我們假設已經有了一個內核，Loader肯定要加載它入內存，而且內核開始執行的時候肯定已經在保護模式下了，所以，Loader要做的事情至少有兩件：
加載內核入內存。 跳入保護模式。
2.在軟盤中找到指定的文件，讀取其扇區信息
見1.（3）讀軟盤，根目錄部分得loader起始扇區號
3.將指定文件裝入指定內存區，並執行
見1.（5）根據（3）讀根目錄得到的扇區號，讀FAT將loader加載到內存
4.學會在bochs中使用xxd讀取反匯編信息
見1.（4）寫入boot.bin，loader.bin到軟盤並反匯編調試
完成本次實驗要思考的問題：
1.FAT12格式是怎樣的？
FAT12 是DOS時代就開始使用的文件系統（File System），直到現在仍然在軟盤上使用。
幾乎所有的文件系統都會把磁盤划分為若干層次以方便組織和管理，這些層次包括：
扇區（Sector）：磁盤上的最小數據單元。
簇（Cluster）：一個或多個扇區。
分區（Partition）：通常指整個文件系統。
引導扇區是整個軟盤的第0個扇區，在這個扇區中有一個很重要的數據結構
叫做BPB（BIOS ParameterBlock），引導扇區的格式如表所示，其中名稱以BPB_開頭的域屬於BPB，以BS_開頭的域不屬於BPB， 只是引導扇區（Boot Sector）的一部分。
緊接着引導扇區的是兩個完全相同的FAT表，每個占用9個扇區。第二個FAT之后是根目錄區的第一個扇區。根目錄區的后面是數據區，如圖所示。
要把Loader復制到軟盤上並讓引導扇區找到並加載它，來看一下引導扇區通過怎樣的步驟才能找到文件，以及如何能夠把文件內容全都讀出來並放進內存里。 為簡單起見，我們規定Loader只能放在根目錄中，而根目錄信息存放在FAT2后面的根目錄區中。
根目錄區。 根目錄區位於第二個FAT表之后，開始的扇區號為19，它由若干個目錄條目（Directory Entry）組成，條目最多有BPB_RootEntCnt個。由於根目錄區的大小是依賴於BPB_RootEntCnt的，所以長度不固定。
根目錄區中的每一個條目占用32字節，格式如表所示。
主要定義了文件的名稱、屬性、大小、日期以及在磁盤中的位置。
舉例：
創建一個虛擬軟盤，假設是x.img，把它作為FreeDos的B盤，格式化后就可以往其中添加文件和目錄了（比如使用FreeDos 里的edit.exe）。這樣，當我們想查看它的格式時，只需用二進制查看器打開x.img就可以。
通過FreeDos在這張虛擬軟盤中添加以下幾個文本文件：
RIVER.TXT，內容為riverriverriver。
FLOWER.TXT，內容為300個單詞flower，用來測試文件跨越扇區的情況。（可以先建一個小文件，最后再把它改長，這 樣可以讓它對應的簇不連續，便於觀察和理解。）
TREE.TXT，內容為treetreetree。
再添加一個HOUSE目錄，然后在目錄nHOUSE下添加兩個文本文件：
179CAT.TXT，內容為catcatcat。
DOG.TXT，內容為dogdogdog。
由於根目錄區從第19扇區開始，每個扇區512字節，所以其第一個字節位於偏移19*512=9728=0x2600處。用二 進制查看器來看看x.img的偏移0x2600處是什么，如下
以RIVER.TXT為例，它的各項值如表所示。
當我們尋找Loader時，只要發現文件名正確就認為它是我們要找的那一個文件。最后剩下最重要的信息DIR_FstClus，即文件開始簇號，它告訴我們文件存
放在磁盤的什么位置，從而讓我們可以找到它。由於一簇只包含一個扇區，所以簡化了計算過程，而且下文中說到“簇”的地方， 你也可以將它替換成“扇區”。
需要注意的是，數據區的第一個簇的簇號是2，而不是0或者1。
RIVER.TXT的開始簇號就是2，也就是說，此文件的數據開始於數據區第一個簇。
計算根目錄區所占的扇區數:根目錄區條目最多有BPB_RootEntCnt個，扇區數假設根目錄區共占用RootDirSectors個扇區，則有：
之所以分子要加上(BPB_BytsPerSec—1)，是為了保證此公式在根目錄區無法填滿整數個扇區時仍然成立。
在本例中，容易算出RootDirSectors=14。所以：數據區開始扇區號=根目錄區開始扇區號+14=19+14=33
第33扇區的偏移量是0x4200（512×33），讓我們看一下這里的內容，如下：
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，我們需要FAT表來找到所有的簇（扇區）。FAT表有兩個，FAT2可看做是FAT1的備份，它們通常是一樣的。FAT1的開始扇區號是1，偏移為512字節（0x200），如下：
每12位稱為一個FAT項（FATEntry），代表一個簇。第 0個和第1個FAT項始終不使用，從第2個FAT項開始表示數據區的每一個簇，也就是說，第2個FAT項表示數據區第一個簇，依此類推。前文說過，數據區的第一個簇的簇號是2，和這里是相呼應的。
由於每個FAT項占12位，包含一個字節和另一個字節的一半。假設連續3個字節分別如圖所示，那么灰色框表示的是前一個FAT項（FATEntry1），BYTE1是FATEntry1的低8位，BYTE2的低4位是 FATEntry1的高4位；白色框表示的是后一個FAT項（FATEntry2），BYTE2的高4位是FATEntry2的低4位，BYTE3是FATEntry2的高8 位。
通常，FAT項的值代表的是文件下一個簇號，但如果值大於或等於0xFF8，則表示當前簇已經是本文件的最后一個簇。如果值為0xFF7，表示它是一個壞簇。
文件RIVER.TXT的開始簇號是2，對應FAT表中的值為0xFFF，表示這個簇已經是最后一個。 (FF 8F 00 注意是低地址，取ff和8F中的F)
我們來看一個長一點的文件FLOWER.TXT，它的DIR_FstClus值為3，對應第3個FAT項。結合我們打印出的FAT表內容我們知道，此FAT項值為0x008，也就是說，這個簇不是文件的最后一個簇，下一個簇號為8。我們再找到第8個FAT項，發現值為0x009， 接下來第9個FAT項值為0x00A，第0xA個FAT項值為0xFFF。所以，FLOWER.TXT占用了第3、8、9、10，共計4個簇。
這里需要注意一點，一個FAT項可能會跨越兩個扇區，這種情況在編碼實現的過程中要考慮在內。
2.如何讀取一張軟盤的信息
使用bios中斷 int 13h
3.如何在軟盤中找到指定的文件
先根據文件名遍歷根目錄區，找到起始扇區，然后根據起始扇區號查找對應FAT項
4.如何在系統引導過程中，從讀取並加載一個可執行文件
到內存，並轉交控制權？
在引導扇區boot sector中編寫函數，實現先根據文件名遍歷根目錄區，查找文件起始扇區號，然后根據起始扇區號找到對應起始FAT項，接着根據FAT項加載對應扇區到內存，直到加載完畢。（FAT值為FFF）
之后跳轉到加載內存的起始位置，開始執行，就移交了控制權。
5.為什么需要這個Loader程序不包含dos系統調用？
因為要用loader加載內核，跳入保護模式。
Loader調用的是bios的中斷。Dos是操作系統，要用loader裝入，裝入前無法調用。