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自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——23.从硬盘读取文件
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对着作业唱咆哮 •
2023-03-25
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学习操作系统原理最好的方法是自己写一个简单的操作系统。 本讲代码文件为boot.asm，要读取的文件为data.txt。 一、在FAT16文件系统中读取文件的流程在GrapeOS中用到的文件少且小，所有文件都放在了根目录下，数量不会超过16个，占用的簇不会超过254个。所以读取目录项只需要读取根目录的第1个扇区即可，读取FAT表项也只需读取FAT1表的第1个扇区即可。 以下是读取文件的流程图： 二、代码及讲解boot.asm中的代码如下： ;--------------------定义常量-------------------- ;FAT16目录项中各成员的偏移量： ;名称 偏移 长度 描述 DIR_Name equ 0 ;11 文件名8B，扩展名3B DIR_Attr equ 11 ;1 目录项属性 ;保留位 12 10 保留位 DIR_WrtTime equ 22 ;2 最后一次写入时间 DIR_WrtDate equ 24 ;2 最后一次写入日期 DIR_FstClus equ 26 ;2 起始簇号 DIR_FileSize equ 28 ;4 文件大小 BOOT_ADDRESS equ 0x7c00 ;boot程序加载到内存的地址。 FILE_ADDRESS equ 0x1000 ;文件读到内存中的地址。 DISK_BUFFER equ 0x7e00 ;读磁盘临时存放数据用的缓存区，放到boot程序之后。 DISK_SIZE_M equ 4 ;磁盘容量，单位M。 FAT1_SECTORS equ 32 ;FAT1占用扇区数 ROOT_DIR_SECTORS equ 32 ;根目录占用扇区数 SECTOR_NUM_OF_FAT1_START equ 1 ;FAT1表起始扇区号 SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START equ 33 ;根目录区起始扇区号 SECTOR_NUM_OF_DATA_START equ 65 ;数据区起始扇区号，对应簇号为2。 SECTOR_CLUSTER_BALANCE equ 63 ;簇号加上该值正好对应扇区号。 FILE_NAME_LENGTH equ 11 ;文件名8字节加扩展名3字节共11字节。 DIR_ENTRY_SIZE equ 32 ;目录项为32字节。 DIR_ENTRY_PER_SECTOR equ 16 ;每个扇区能存放目录项的数目。 ;--------------------MBR开始-------------------- org BOOT_ADDRESS jmp boot_start nop ;FAT16参数区： BS_OEMName db 'GrapeOS ' ;厂商名称（8字节，含空格） BPB_BytesPerSec dw 0x0200 ;每扇区字节数 BPB_SecPerClus db 0x01 ;每簇扇区数 BPB_RsvdSecCnt dw 0x0001 ;保留扇区数（引导扇区的扇区数） BPB_NumFATs db 0x01 ;FAT表的份数 BPB_RootEntCnt dw 0x0200 ;根目录可容纳的目录项数 BPB_TotSec16 dw 0x2000 ;扇区总数(4MB) BPB_Media db 0xf8 ;介质描述符 BPB_FATSz16 dw 0x0020 ;每个FAT表扇区数 BPB_SecPerTrk dw 0x0020 ;每磁道扇区数 BPB_NumHeads dw 0x0040 ;磁头数 BPB_hiddSec dd 0x00000000 ;隐藏扇区数 BPB_TotSec32 dd 0x00000000 ;如果BPB_TotSec16是0，由这个值记录扇区数。 BS_DrvNum db 0x80 ;int 13h的驱动器号 BS_Reserved1 db 0x00 ;未使用 BS_BootSig db 0x29 ;扩展引导标记 BS_VolID dd 0x00000000 ;卷序列号 BS_VolLab db 'Grape OS ';卷标（11字节，含空格） BS_FileSysType db 'FAT16 ' ;文件系统类型（8字节，含空格） ;通过以上参数可知硬盘容量为4MB，共8K个扇区。扇区具体分布如下： ;区域名 扇区数 扇区号 字节偏移 说明 ;引导扇区 1个扇区 扇区0 0x0000~0x01ff ;FAT1表 32个扇区 扇区1~32 0x0200~0x41ff 可记录8K-2个簇 ;FAT2表 无 无 无 无 ;根目录区 32个扇区 扇区33~64 0x4200~0x81ff 可容纳512个目录项 ;数据区 8127个扇区 扇区65~0x1fff 0x8200~0x3fffff ;--------------------程序开始-------------------- boot_start: ;初始化寄存器 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax ;cmpsb会用到ds:si和es:di ;读取文件开始 ;读取根目录的第1个扇区（1个扇区可以存放16个目录项，我们用到的文件少，不会超过16个。） mov esi,SECTOR_NUM_OF_ROOT_DIR_START mov di,DISK_BUFFER call func_read_one_sector ;在16个目录项中通过文件名查找文件 cld ;cld将标志位DF置0，在串处理指令中控制每次操作后让si和di自动递增。std相反。下面repe cmpsb会用到。 mov bx,0 ;用bx记录遍历第几个目录项。 next_dir_entry: mov si,bx shl si,5 ;乘以32（目录项的大小） add si,DISK_BUFFER ;源地址指向目录项中的文件名。 mov di,read_file_name_string ;目标地址指向文件在硬盘中的正确文件名。 mov cx,FILE_NAME_LENGTH ;字符比较次数为FAT16文件名长度，每比较一个字符，cx会自动减一。 repe cmpsb ;逐字节比较ds:si和es:di指向的两个字符串。 jcxz file_found ;当cx为0时跳转，cx为0表示上面比较的两个字符串相同。找到了文件。 inc bx cmp bx,DIR_ENTRY_PER_SECTOR jl next_dir_entry ;检查下一个目录项。 jmp file_not_found ;没有找到文件。 file_found: ;找到了文件 ;从目录项中获取文件的起始簇号 shl bx,5 ;乘以32 add bx,DISK_BUFFER mov bx,[bx+DIR_FstClus] ;文件的起始簇号 ;读取FAT1表的第1个扇区（我们用到的文件少且小，只用到了该扇区中的簇号。） mov esi,SECTOR_NUM_OF_FAT1_START mov di,DISK_BUFFER ;放到boot程序之后 call func_read_one_sector mov bp,FILE_ADDRESS ;文件内容读取到内存中的起始地址 ;按簇号读文件内容 read_file: xor esi,esi ;esi清零 mov si,bx ;簇号 add esi,SECTOR_CLUSTER_BALANCE mov di,bp call func_read_one_sector add bp,512 ;下一个目标地址 ;获取下一个簇号（每个FAT表项为2字节） shl bx,1 ;乘2，每个FAT表项占2个字节 mov bx,[bx+DISK_BUFFER] ;判断下一个簇号 cmp bx,0xfff8 ;大于等于0xfff8表示文件的最后一个簇 jb read_file ;jb无符号小于则跳转，jl有符号小于则跳转。 read_file_finish: ;读取文件结束 jmp stop file_not_found: ;没有找到文件 stop: hlt jmp stop ;读取硬盘1个扇区（主硬盘控制器主盘） ;输入参数：esi，ds:di。 ;esi LBA扇区号 ;ds:di 将数据写入到的内存起始地址 ;输出参数：无。 func_read_one_sector: ;第1步：检查硬盘控制器状态 mov dx,0x1f7 .not_ready1: nop ;nop相当于稍息 hlt相当于睡觉 in al,dx ;读0x1f7端口 and al,0xc0 ;第7位为1表示硬盘忙，第6位为1表示硬盘控制器已准备好，正在等待指令。 cmp al,0x40 ;当第7位为0，且第6位为1，则进入下一个步。 jne .not_ready1 ;若未准备好，则继续判断。 ;第2步：设置要读取的扇区数 mov dx,0x1f2 mov al,1 out dx,al ;读取1个扇区 ;第3步：将LBA地址存入0x1f3~0x1f6 mov eax,esi ;LBA地址7~0位写入端口0x1f3 mov dx,0x1f3 out dx,al ;LBA地址15~8位写入端口写入0x1f4 shr eax,8 mov dx,0x1f4 out dx,al ;LBA地址23~16位写入端口0x1f5 shr eax,8 mov dx,0x1f5 out dx,al ;第4步：设置device端口 shr eax,8 and al,0x0f ;LBA第24~27位 or al,0xe0 ;设置7~4位为1110，表示LBA模式，主盘 mov dx,0x1f6 out dx,al ;第5步：向0x1f7端口写入读命令0x20 mov dx,0x1f7 mov al,0x20 out dx,al ;第6步：检测硬盘状态 .not_ready2: nop ;nop相当于稍息 hlt相当于睡觉 in al,dx ;读0x1f7端口 and al,0x88 ;第7位为1表示硬盘忙，第3位为1表示硬盘控制器已准备好数据传输。 cmp al,0x08 ;当第7位为0，且第3位为1，进入下一步。 jne .not_ready2 ;若未准备好，则继续判断。 ;第7步：从0x1f0端口读数据 mov cx,256 ;每次读取2字节，一个扇区需要读256次。 mov dx,0x1f0 .go_on_read: in ax,dx mov [di],ax add di,2 loop .go_on_read ret read_file_name_string:db "DATA TXT",0 ;要读取的文件在硬盘中存储的文件名，共11个字节，含空格。 times 510-($-$$) db 0 db 0x55,0xaa关于代码的讲解基本都写在注释中了，结合之前讲的内容，大家应该能看懂。 三、通过Linux将文件复制到虚拟硬盘中本讲要读取的文件是data.txt，如何将该文件复制到虚拟硬盘的FAT16文件系统中呢？我们这里采用的方法是将该虚拟硬盘挂载到Linux系统上，然后就可以将data.txt复制到虚拟硬盘中了。前提是需要先将虚拟硬盘格式化，格式化的方法就是将boot程序写入到虚拟硬盘的第一个扇区。因为boot程序中含有FAT16的结构化数据，Linux系统就知道如何读写该文件系统了。 1.将boot程序写入到虚拟硬盘的第一个扇区 dd if=/dev/zero of=/media/VMShare/GrapeOS.img bs=1M count=4 nasm boot.asm -o boot.bin dd if=boot.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img conv=notrunc截图如下： 2.将虚拟硬盘挂载到Linux系统上并将data.txt复制到虚拟硬盘中 mount /media/VMShare/GrapeOS.img /mnt/ -t msdos -o loop ll /mnt/ cp data.txt /mnt/ sync #数据同步，立马把数据写入硬盘。 ll /mnt/ umount /mnt/截图如下： 上图中在复制完data.txt后，通过ll /mnt/查看虚拟硬盘根目录，此时虽然看到的文件名是小写“data.txt”，但实际上在虚拟硬盘里存储的文件名已经是全部大写的了，在下面的分析中可以看到。 3.虚拟硬盘数据分析通过hexdump查看虚拟硬盘数据： hexdump /media/VMShare/GrapeOS.img -C截图如下： 截图中的部分数据如下： 000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |..............U.| 00000200 00 00 00 00 00 00 04 00 05 00 ff ff 00 00 00 00 |................| 00000210 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................| * 00004200 44 41 54 41 20 20 20 20 54 58 54 20 00 00 00 00 |DATA TXT ....| 00004210 00 00 00 00 00 00 fa 4e 78 56 03 00 58 04 00 00 |.......NxV..X...| 00004220 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|前面我们计算过，FAT1表的起始扇区是扇区1，字节偏移是0x200，根目录区的起始扇区是扇区33，字节偏移是0x4200。 从上面的截图和数据可以看到： 在根目录区的第一个目录项就是我们要读的文件，文件名已是全大写。 从目录项中可以看到文件的起始簇号是0x0003。 在FAT表中第3个FAT表项的值是0x0004，表示该文件的第二个簇号是0x0004。 在FAT表中第4个FAT表项的值是0x0005，表示该文件的第三个簇号是0x0005。 在FAT表中第5个FAT表项的值是0xffff，表示该文件没有下一个簇了，到此结束。 这个文件的内容共占用3个簇的空间，依次是簇3、簇4、簇5，读取该文件就是依次将这3个簇中的数据读取出来。 四、程序演示在cmd命令行中启动QEMU的调试模式： C:\Users\CYJ>qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img -S -s在Linux命令行中启动GDB： [root@CentOS7 Lesson23]# gdb (gdb) target remote 你的Windows的IP地址:1234 (gdb) b *0x7c00 (gdb) c (gdb) x /32xb 0x1000 #在读文件前查看此时0x1000处的内存数据，可以看到都是0。 0x1000: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x1008: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x1010: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x1018: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 (gdb) c 运行几秒，然后Ctrl键+C键暂停运行，此时读取文件的程序已运行完毕。 (gdb) x /32xb 0x1000 #在读完文件后查看此时0x1000处的内存数据，可以看到已经不是0了。 0x1000: 0x78 0x38 0x36 0x20 0x28 0x61 0x6c 0x73 0x1008: 0x6f 0x20 0x6b 0x6e 0x6f 0x77 0x6e 0x20 0x1010: 0x61 0x73 0x20 0x38 0x30 0x78 0x38 0x36 0x1018: 0x20 0x6f 0x72 0x20 0x74 0x68 0x65 0x20 (gdb) x /32c 0x1000 #为了方便观察可以以字符形式展示数据。通过对比，下面的32个字符的确和data.txt中前32个字符相同。 0x1000: 120 'x' 56 '8' 54 '6' 32 ' ' 40 '(' 97 'a' 108 'l' 115 's' 0x1008: 111 'o' 32 ' ' 107 'k' 110 'n' 111 'o' 119 'w' 110 'n' 32 ' ' 0x1010: 97 'a' 115 's' 32 ' ' 56 '8' 48 '0' 120 'x' 56 '8' 54 '6' 0x1018: 32 ' ' 111 'o' 114 'r' 32 ' ' 116 't' 104 'h' 101 'e' 32 ' ' (gdb) x /32c 0x1440 #查看文件的最后二十多个字符。通过对比可以看到和data.txt中的相同。 0x1440: 105 'i' 116 't' 115 's' 32 ' ' 90 'Z' 105 'i' 108 'l' 111 'o' 0x1448: 103 'g' 32 ' ' 90 'Z' 45 '-' 56 '8' 48 '0' 32 ' ' 118 'v' 0x1450: 97 'a' 114 'r' 105 'i' 97 'a' 110 'n' 116 't' 41 ')' 46 '.' 0x1458: 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000' 0 '\000'通过上述演示说明读取文件成功。 视频版地址：https://www.bilibili.com/video/BV1xN411K7Lc/ 配套的代码与资料在：https://gitee.com/jackchengyujia/grapeos-course GrapeOS操作系统交流QQ群：643474045 GrapeOS上一篇 ：eval有时候也可以用，而且有奇效 下一篇 ：那些年那些神码 |
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