第8章 硬盘和显卡的访问与控制(1)

原 作者 高鹏 | 发表于 | 分类于 2021级

第8章 硬盘和显卡的访问与控制

本章把主引导扇区改造成一个程序加载器，功能是加载用户程序，并执行该程序（将处理器的控制权交给该程序）

8.2 用户程序的结构

分段、段的汇编地址和段内汇编地址

NASM编译器使用汇编指令“SECTION”或者“SEGMENT”来定义段。段只用来分隔程序中的不同内容
Intel要求端在内存中起始物理地址起码是16字节对齐的。物理地址必须能被16整除
段内对齐也有要求，用“align=”

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每个段的汇编地址是相对于整个程序开头（0）的。

为了方便取得该段的汇编地址，可以用section.段名称.start

段定义语句包含vstart=0子句时，标号的汇编地址要从它所在段的开头计算，而且从0开始计算。（即相对于当前段开始计算地址）

用户程序头部[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

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用户程序头部起码要包含以下信息：
1. 用户程序的尺寸
加载器需要根据这一信息决定读取多少个逻辑扇区
8行，program_end标号表示长度，在编译阶段，将代表的汇编地址填写在这里
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2. 应用程序的入口点，包括段地址和偏移地址。
11、12行，依次声明并初始化偏移地址和短地址。偏移地址取自代码段code_1标号“start”，段地址用表达式section.code_1.start得到
段地址是用伪指令dd声明的，是32位地址，它仅仅是编译阶段确定的汇编地址，在用户加载到内存后，需要根据加载的实际位置重新计算（浮动)。
3. 段重定位表
程序加载到内存后，每个段的地址必须重新确定。段的重定位是加载器的工作，它需要知道每个段在用户程序内的位置。需要一张段重定位表
声明并初始化段的重定位表的项目数，段重定位表在两个标号之间
即`(header_end - code_1_segment)/4`在编辑阶段计算，面是实际的段重定位表，每个表项用dd声明并初始化为1个双字

8.3 加载程序（器）的工作流程

初始化和决定加载位置

加载器要加载一个程序，并使之开始执行，需要决定两件事。第一，从哪个物理内存地址开始加载用户程序；第二，用户程序位于硬盘上的什么位置，它的起始逻辑扇区号是多少。

​ 8-1，6行，加载器程序的一开始声明了一个常数app_lba_start equ 100其作用类似于C语言中的#define A 100。和其他伪指令db、dw、dd不同，用equ声明的数值不占用任何汇编地址，也不在运行时占用任何内存位置。

phy_base dd 0x10000 ;用户程序被加载的物理起始地址,也可用其他位置。

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准备加载用户程序

主引导扇区定义成一个段，vstar=0x7c00
8-1,12-14行，用于初始化栈段寄存器SS和栈指针SP。
16,17行，起始地址是双字单元，在16位处理器上，只能用两个寄存器存放。

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外围设备及其接口

输入输出控制设备集中器（ICH）芯片，该芯片的作用是连接不同的总线，并协调各个I/O接口对处理器的访问。
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处理器通过局部总线连接到ICH内部的处理接口电路。然后，在ICH内部，又通过总线与各个I/O接口相连。

I/O端口和端口访问

具体地说，处理器是通过端口（Port）和外围设备打交道。本质上，端口就是一些寄存器，端口的寄存器位于I/O接口电路中。

端口有的是端口号映射到内存地址空间的，有的是独立编制的，不和内存发生关系。在独立编制中，处理器的地址既连接内存，也连接每一个I/O接口。有一个特殊的引脚M/IO#。当处理器访问I/O端口，那么M/IO#引脚呈高电平，和内存相关的电路就会打开；如果访问I/O端口，那么M/IO#引脚呈低平，内存电路被禁止。

in指令从端口读，目的操作数必须是寄存器AL或AX，源操作数是寄存器DX
out指令通过端口向外围设备发送数据。目的操作数是8位立即数或者寄存器DX，源操作数必须是寄存器AL或者AX。

通过硬盘控制器端口读扇区数据

硬盘读写的基本单位是扇区，主机和硬盘之间的数据交换是成块的，硬盘是典型的块设备。

以LBA28为例来访问硬盘（28个比特来表示逻辑扇区号，可以管理128GB的硬盘）
个人计算机上的主硬盘控制器被分配了8位端口，从0x1f0到0x1f7。假设现在要从硬盘上读逻辑扇区。

  1. 设置要读取的扇区数量，这个数量写到0x1f2端口。这是个8位端口，每次智能读写255个扇区
mov dx,0x1f2
mox al,0x01
out dx,al
  1. 设置起始LBA扇区号。扇区读写是连续的，因此只需要给出第一个扇区的编号。28位扇区号要分成4段，分别写入端口0x1f3（07位）,0x1f4（815位）,0x1f5（16~23）和0x1f6（最后四位）。假设读写其实逻辑扇区号为0x02，可编写代码：
mov dx,0x1f3
mov al,0x02
out dx,al
inc dx
mov al,0x00
out dx,al
inc dx
out dx,al
inc dx
mov al,0xe0
out dx,al

在现行体系下，每个PATA/SATA接口允许挂接两块硬盘，分别是主盘和从盘。

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0x1f6的低4位用于存放24到27位，第4位用于指示硬盘号，0表示主盘，1表示从盘。高3位是“111”，表示LBA模式

  1. 向端口0x1f7写入0x20，请求硬盘读
mov dx,0x1f7
mov al,0x20
out dx,al
  1. 等待读写操作完成。端口0x1f7既是命令端口，又是状态端口。

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在它内部操作期间，它将0x1f7端口的第7位置1,。一旦硬盘系统准备就绪，它将此位清零，同时第3位置1，表明已经准备好，请求主机发送或者接收数据

   mov dx,0x1f7
.waits:
   in al,dx
   and al,0x88  ；10001000 表明我们想保留第7位和第3位，其他无关的清零
   cmp al,0x08 
   jnz .waits
  1. 连续取出数据。0x1f0是硬盘接口的数据端口，而且是16位得到端口。一旦硬盘控制器空闲，且准备就绪，就可以连续从这个端口写入或者读取数据。
    从硬盘读一个扇区：
	mov cx,256      ;总共要读取的字数
	mov dx,0x1f0
.readw:
	in ax,dx
	mov [bx],ax
	add bx,2
	loop .readw

0x1f1端口是错误寄存器，包含硬盘驱动器最后一次执行命令后的状态（错误原因）