песочница

Урок ОСдева №4: работа с RAM, адресация в 16-битном режиме, регистры процессора.

Поздравим себя. В прошлый раз мы добавили блок параметров BIOS, после чего винда перестала

ругаться на дискету. Пора начинать писать загрузчик. Но перед этим надо подробнее

разобраться в специфике программирования на ассемблере. Всё-таки он сильно отличается от языков

высокого уровня. Давайте вспомним, как выглядела программа в конце прошлого поста.

.386p

CSEG segment use16

ASSUME cs:CSEG, ds:CSEG, es:CSEG, fs:CSEG, gs:CSEG, ss:CSEG

begin:            jmp short execute                   ;Точка входа. Перейти к исполняемой части.

                     nop                                       ;Пустой оператор. Заполняет 3-й байт перед BPB.

;БЛОК ПАРАМЕТРОВ BIOS===================================================================;

;=======================================;

;Блок параметров BIOS, 33 байта.

;Здесь хранятся характеристики

;носителя. Должен быть в 3-х байтах

;от начала загрузочного сектора.

;=======================================;

BPB_OEMname    db 'BOOTDISK'    ;0-7. Имя производителя. Может быть любым.

BPB_bytespersec  dw 512              ;8-9. Размер сектора в байтаx.

BPB_secperclust   db 1                  ;10. Количество секторов в кластере.

BPB_reserved      dw 1                  ;11-12. Число зарезервированныx секторов (1, загрузочный).

BPB_numFATs     db 2                   ;13. Число FAT.

BPB_RDentries    dw 224               ;14-15. Число записей Корневой Директории.

BPB_sectotal       dw 2880             ;16-17. Всего секторов на носителе.

BPB_mediatype   db 0F0h              ;18. Тип носителя. 0F0 - 3,5-дюймовая дискета с 18 секторами в дорожке.

BPB_FATsize       dw 9                   ;19-20. Размер FAT в сектораx.

BPB_secpertrack dw 18                  ;21-22. Число секторов в дорожке.

BPB_numheads   dw 2                   ;23-24. Число головок (поверxностей).

BPB_hiddensec    dd 0                  ;25-28. Число скрытыx секторов перед загрузочным.

BPB_sectotal32    dd 0                  ;29-32. Число секторов, если иx больше 65535.

;===============================================;

;Расширенный блок параметров BIOS, 26 байт.

;Этот раздел используется в DOS 4.0.

;===============================================;

EBPB_drivenum   db 0                       ;0. Номер привода.

EBPB_NTflags      db 0                      ;1. Флаги в Windows NT. Бит 0 - флаг необxодимости проверки диска.

EBPB_extsign      db 29h                   ;2. Признак расшренного BPB по версии DOS 4.0.

EBPB_volID         dd 0                      ;3-6. "Серийный номер". Любое случайное число или ноль, без разницы.

EBPB_vollabel     db 'BOOTLOADER '  ;7-17. Название диска. Устарело.

EBPB_filesys       db 'FAT12   '           ;18-25. Имя файловой системы.

;ИСПОЛНЯЕМЫЙ БЛОК=====================================================================;

execute:                     cli

                                 hlt

           org 1FEh                              ;Заполняет память нулями до 511-го байта.

           dw 0AA55h                           ;Байты 511 и 512. Признак загрузочного сектора.

CSEG ends

end begin

Я снабдил всё подробными комментариями. Надеюсь, они помогут вам освежить память. Вкратце -

после запуска программы процессор выполняет переход к метке execute - и после этого останавливается

командами cli и hlt. Давайте добавим следующий код после execute, а потом разберём его.

execute:             mov ax,07C0h

                         mov ds,ax

                         mov es,ax

                         mov fs,ax

                         mov gs,ax

                         cli

                         mov ss,ax

                         mov sp,0FFFFh

                         sti

                         push ax

                         mov ax,offset stop

                         and ax,03FFh

                         push ax

                         retf

stop:                  cli

                         hlt

           org 1FEh                                     ;Заполняет память нулями до 511-го байта.

           dw 0AA55h                                  ;Байты 511 и 512. Признак загрузочного сектора.

Целая куча новых команд. Для того, чтобы их понять, придётся освоиться с новыми понятиями.

Регистр - ячейка памяти процессора, которая может выполнять какую-то конкретную задачу

или иметь общее назначение. Программируя на ассемблере, вы постоянно будете оперировать

регистрами: помещать в них данные, извлекать, модифицировать и т.д. В 16-битном режиме

процессор использует следующий набор регистров: AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, flags, CS, DS, ES,

FS, GS, SS. С функциями каждого из них будем разбираться по мере надобности.

Сегмент:смещение - устаревшая система адресации, применявшаяся в эпоху 16-битных процессоров.

Тем не менее, для нас она важна, так как ради обратной совместимости именно в этом

режиме BIOS оставляет систему перед запуском загрузчика.

Постараюсь объяснить. 16-битная разрядность процессора подразумевает, что за раз он может обработать

16 бит данных. Максимальное значение, которое можно передать 16 битами - 65535. Это ограничение

касается и адресации памяти. Выходит, процессору доступно всего (65536/1024) 64 килобайта RAM. Чтобы

обойти это ограничение, была придумана модель адресации segment:offset. Сегмент в ней - это базовый адрес,

от которого считается смещение. Регистры процессора CS, DS, ES, FS, GS и SS - сегментные. Они используются

для указания адреса в памяти, от какого отсчитывается смещение. Например, DS:0050h означает байт 0050h

от значения, помещённого в DS. Вернее, от значения в DS*16. Это называется гранулярностью. Единица,

помещённая в регистр DS, устанавливает основание сегмента не в 1-й байт, а в 16-й. За счёт этого нам

становится доступен целый мегабайт оперативной памяти! (или даже больше с некоторыми ухищрениями,

но рассказывать о них я большого смысла не вижу, т.к. мы всё равно скоро покинем 16-битное царство)

Стек - область памяти, через которую можно передавать параметры процедурам в си-подобных языках

или сохранять состояние регистров при вызове прерывания. В случае ассемблера в стеке можно хранить

промежуточные результаты работы процедуры, если не хватило регистров. Кроме того, стек аппаратно

используется некоторыми командами процессора.

Команда mov op1,op2 используется для того, чтобы переместить значение op2 в op1. В качестве

операнда op1 может выступать адрес ячейки памяти или регистр. В качестве op2 может быть ячейка

памяти, регистр или конкретное значение. Есть два ограничения: операнды должны совпадать по

разрядности (нельзя поместить содержимое 16-битного регистра в 32-битный, например) и в качестве

обоих операндов не могут быть адреса в памяти. Так что делает этот код?

mov ax,07C0h

mov ds,ax

mov es,ax

mov fs,ax

mov gs,ax

Правильно, он помещает значение 07С0h в регистр AX,  потом копирует AX в сегментные регистры

DS, ES, FS и GS. Зачем? Затем, что BIOS копирует загрузочный сектор в 07С0h:0000h. Так как

наш загрузчик находится по этому адресу, будет правильным установить значения сегментных регистров

так, чтобы они указывали туда же. По какой-то причине (ей-богу не помню!) присваивать значения

сегментным регистрам напрямую нельзя, но можно через другой регистр - поэтому сначала мы загружаем

его в AX, а уже AX копируем в сегментные регистры. Вы наверое уже обратили внимание, что сегментные

регистры здесь не все. Для модификации оставшихся надо немного поплясать с бубном.

cli

mov ss,ax

mov sp,0FFFFh

sti

Что происходит здесь? Пара команд cli и sti запрещает и разрешает прерывания. Прерывания - то, при помощи

чего разные устройства в компьютере общаются с процессором. Они могут поступать от таймеров, дисковых

контроллеров и из множества других источников. Позже мы ещё поговорим о них подробно, а сейчас достаточно

знать, что команда cli вешает на процессор знак "не беспокоить". sti, соответственно, его снимает.

Дело в том, что SS - это сегментный регистр стека. При манипуляциях с ним лучше убедиться, что в

неподходящий момент не произойдёт переключение задачи. Обратите внимание: сегмент стека у нас там же,

где и загрузчик. Получается, помещая данные в стек, мы затрём часть собственного кода? Нет. Позиция стека

передаётся парой регистров SS:SP. SS - сегмент, а SP - смещение. mov sp, 0FFFFh устанавливает начало

стека в конец сегмента. Получается, ему некуда расти? Тоже нет. Стек растёт в обратном направлении.

Если мы командой push отправим в стек 16-битное слово, то указатель изменит значение на 0FFFDh. Таким

образом, загрузчик и стек находятся в разных концах 64-килобайтного сегмента, и расстояние между ними

вполне приличное.

push ax

mov ax,offset stop

and ax,03FFh

push ax

retf

Соберитесь, последний на сегодня кусок кода. Здесь мы модифицируем сегментный регистр кода, CS. К нему

тоже нужен особый подход. Кстати, самое время поговорить о том, как процессор узнаёт, какую команду выполнять

следующей. Как и в случае стека, существует указатель в виде пары регистров CS:IP. Каждый раз после

считывания из памяти инструкции IP увеличивается на её размер в байтах. Все модели BIOS помещают загрузчик

в 07C0h:0000h, но вот состояние CS:IP может быть разным: например, 07C0h:0000h и 0000h:7C00h указывают на

один и тот же байт в памяти, но во втором случае у нас могут быть проблемы. В каком именно состоянии

оказались регистры CS:IP при старте загрузчика, мы не знаем, поэтому лучше перестраховаться и установить

своё значение.

Как установить значение CS:IP? Например, при помощи инструкции дальнего возврата retf. Обычно она

используется для возврата из процедур, но подойдёт и нам, так кк делает именно то, что нужно: меняет

значения CS:IP. Сегмент и смещение для возврата должны быть в стеке. В AX у нас значение сегмента, 07C0h,

так что командой push отправляем его в стек. А вот с IP придётся повозиться. Щас объясню. CS в данный момент

может быть установлен либо в 07C0h, либо в 0000h. Значит, любое считанное нами смещение относительно его

начала будет равно или X или X+7C00h. Нам нужно однозначно привести его к X. Как это сделать? Команда

mov AX,offset stop помещает в AX смещение метки stop (то есть, конечно, команды cli, сами метки

в исполняемом файле физически не присутствуют и места не занимают). 7С00h, если его перевести в

двоичный вид, будет равно 111110000000000b. Соответственно, искомый X помещается в восьми нулях в начале

значения.  обнуление старших пяти единиц будет эквивалентно уменьшению значения на 7С00h, что нам и нужно.

Про логические операции поговорим позже, но пока знайте, что команда and AX,03FFh делает как раз это:

обнуляет все старшие разряды AX, начиная с первой единицы в 111110000000000b. 03FFh, кстати, в

двоичном виде будет выглядеть так: 1111111111b. Заметили связь? В общем, если кто-то не разбирается в

логических операциях, то ДЗ на сегодня - просветиться по этой теме.

Фух, чёрт возьми, на сегодня всё! Теперь наш загрузчик будет работать в предсказуемой среде, что сэкономит

нам море усилий.

Здарова, Реахтур! Сегодня своими руками мы будем делать  ̶к̶о̶р̶м̶у̶ш̶к̶и̶  электрогитару по типу "стратокастер" в подвальных условиях. Косяков в готовом весле довольно много, но гитара держит строй и неплохо показывает себя в диванных условиях. Проект выполнен в стиле "relic",  ̶ч̶т̶о̶б̶ы̶ ̶с̶к̶р̶ы̶т̶ь̶ ̶к̶о̶с̶я̶к̶и̶ ̶п̶о̶ ̶п̶о̶к̶р̶а̶с̶к̶е̶  потому что так модно. На все про все ушло тыщ 12-14 (хотя можно и в 7 уложиться) и месяц ленивой работы. Далее будет много фоток процесса, фотографировал на фрезер:

WARNING: на заднем плане страшный бардак, впечатлительным любителям порядка просмотр не рекомендуется

Собсна, результат на диванном покрывале

э, есть чо?