用C语言编写X86 DOS启动区
我一直对如何写OS很感兴趣。OS 有很多组件，其中为基础之一的是它的引导机制。如果让我去写产品级的 OS，我会采用 GNU GRUB 或 LILO包来直接实现，但从爱好者的角度，我对 PC 机在引导过程中的细节更感兴趣。（并且）我认为这也是学习一个简单操作系统（MS-DOS）的好途径。 MS-DOS 启动扇区所做的工作非常简单： 加载IO.SYS中指出的前3个扇区到内存，然后执行它。 BIOS 完成自检后， IBM PC compatible（IBM PC兼容机） 会读取将头512字节块从磁盘读入到内存中0x07C00的位置，并开始执行相应内容。 引导扇区的后2字节内容必须是0xAA55， 这个值被称为“引导签名”， （除引导签名之外）这里给代码留出了510个字节的空间。 MS-DOS需要你的磁盘采用FAT文件格式， 在加载启动扇区时，会识别出8字节的 OEM商名称和一个51字节数据结构，该结构被称为BIOS参数块数据结构， 其前3个字节应该是一个跳转指令。（除上述规定数据外）， 这里后会给代码留出448字节的空间。如果我写一个产品级别的DOS引导扇区，在这么局限的空间下，我应当使用汇编语言。但是，（考虑到本文）作为实验和教学的目的，我感到还是使用C语言易读一些。
图：MS-DOS 引导扇区中的空闲字节和预留字节（1字节 每块）
BIOS参数块包含关于文件系统分布的重要信息，我们用表格展示一下： LengthName 2Bytes per sector 1Sectors per cluster 2Number of reserved sectors 1Number of file allocation tables 2Number of root entries 2Number of sectors (if < 65 536) 1Media descriptor 2Sectors per file allocation table 2Sectors per track 2Number of heads 4Number of hidden sectors 4Number of sectors (if ≥ 65 536) 1Disk drive index 1Reserved 1Volume signature 4Volume ID 11Volume label 8Volume type 当引导扇区被加载的时候，CPU会处于实模式，这意味着，我们只能采用16位的指令集，以及大1MiB的寻址范围。 前640 KiB 是可供自由分配的内存空间，剩下的384KiB则用来完成各种系统制定的功能，这是我们熟知的常规内存区和高端内存区。 常规内存的一部分留给系统使用，前1024字节用来存放中断向量表， 下面256字节用来存放BIOS数据， 也是前文提到的启动的时候加载512B到 [0x07C00， 0x07E00)。我们可以安全地使用在[0×00500， 0x07C00) 的29.75KiB 和在 [0x07E00， 0×80000) 的480.5KiB， 这两块加起来总共 510.25KiB。在[0×80000， 0xA0000)中还有128KiB空闲， 但是一些系统会把它们作为扩展BIOS数据区域使用。 在我自己的引导扇区实现中，我使用[0x07E00， 0x07E05) 5B来存放磁盘中的扇区数，根目录以及IO.SYS的逻辑块地址， 我使用 [0×00500， 0x07C00) 29.75B来存放根目录索引， 每个根目录记录项要占用32B， 这意味着 IO.SYS 必须为开始的952个记录项中的一个。（MS-DOS 4.0 要求IO.SYS为root目录中的第一个记录）. 下表展示了根目录项的分布图。 Length Name 8 Filename 3 Extension 1 Attributes 1 Reserved 1 Creation time， microseconds part 2 Creation time 2 Creation date 2 Last access date 2 Reserved 2 Last modified time 2 Last modified date 2 Cluster offset 4 File size in bytes 日期是16位，小端（little-endian）模式以YYYYYYYMMMMDDDDD这种格式存储， 时间戳是16位，小端（little-endian）表示的值以HHHHHMMMMMMSSSSS这种格式存储。 找到IO.SYS后， 我将头3个扇区放在以 0×00700为首地址的空间里， 我认为这3个扇区必须是连续的，这样在[0×00500， 0×00700) 可以留出512字节的空间，稍后用来给IO.SYS存放引导扇区的完整内容。 我所面临的下一个挑战，是使用16-bit opcodes把代码编译为二进制机器码， 我很高兴地发现，通过使用GCC 和binutils，再加一点小技巧，能做到这一点. 首先，我在C代码中加了.code16gcc汇编指令声明， 还创建了一个自定义的连接器脚本。 用这个脚本创建的二进制码带有一个带代码段，一个只读数据段，和启动签名。同时也把指令指针指向了正确的内存偏移地址。 你可以在下面的连接中看到我的工作： LICENSE boot.c boot.ld Makefile 作者把代码放 Google Code，遵循 MIT 协议。
