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; | 这是loader程序 |
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; Created by longjin, 2022/01/17
; 由于实模式下，物理地址为CS<<4+IP，而从boot的定义中直到，loader的CS为0x1000， 因此loader首地址为0x10000
org 0x10000
jmp Label_Start
%include 'fat12.inc' ; 将fat12文件系统的信息包含进来
Base_Of_Kernel_File equ 0x00
Offset_Of_Kernel_File equ 0x100000 ; 设置内核文件的地址空间从1MB处开始。（大于实模式的寻址空间）
Base_Tmp_Of_Kernel_Addr equ 0x00
Offset_Tmp_Of_Kernel_File equ 0x7e00 ; 内核程序的临时转存空间
Memory_Struct_Buffer_Addr equ 0x7e00 ; 内核被转移到最终的内存空间后，原来的临时空间就作为内存结构数据的存储空间
; ==== 临时的全局描述符表 =====
[SECTION gdt]
LABEL_GDT: dd 0,0
LABEL_DESC_CODE32: dd 0x0000FFFF,0x00CF9A00 ; 代码段和数据段的段基地址都设置在0x00000000处， 把段限长设置为0xffffffff，可以索引32位地址空间
LABEL_DESC_DATA32: dd 0x0000FFFF,0x00CF9200
GdtLen equ $ - LABEL_GDT
; GDTR寄存器是一个6B的结构，低2B保存GDT的长度， 高4B保存GDT的基地址
GdtPtr dw GdtLen - 1
dd LABEL_GDT
; 这是两个段选择子，是段描述符在GDT表中的索引号
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorData32 equ LABEL_DESC_DATA32 - LABEL_GDT
; === IA-32e模式的临时gdt表
[SECTION gdt64]
LABEL_GDT64: dq 0x0000000000000000
LABEL_DESC_CODE64: dq 0x0020980000000000
LABEL_DESC_DATA64: dq 0x0000920000000000
GdtLen64 equ $ - LABEL_GDT64
GdtPtr64 dw GdtLen64-1,
dd LABEL_GDT64
SelectorCode64 equ LABEL_DESC_CODE64 - LABEL_GDT64
SelectorData64 equ LABEL_DESC_DATA64 - LABEL_GDT64
[SECTION .s16] ;定义一个名为.s16的段
[BITS 16] ; 通知nasm，将要运行在16位宽的处理器上
Label_Start:
mov ax, cs
mov ds, ax ; 初始化数据段寄存器
mov es, ax ; 初始化附加段寄存器
mov ax, 0x00
mov ss, ax ;初始化堆栈段寄存器
mov sp, 0x7c00
;在屏幕上显示 start Loader
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0100 ;在第2行显示
mov cx, 23 ;设置消息长度
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Start_Loader
int 0x10
;jmp $
; 使用A20快速门来开启A20信号线
push ax
in al, 0x92 ; A20快速门使用I/O端口0x92来处理A20信号线
or al, 0x02 ; 通过将0x92端口的第1位置1，开启A20地址线
out 0x92, al
pop ax
cli ; 关闭外部中断
db 0x66
lgdt [GdtPtr] ; LGDT/LIDT - 加载全局/中断描述符表格寄存器
; 置位CR0寄存器的第0位，开启保护模式
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
; 为fs寄存器加载新的数据段的值
mov ax, SelectorData32
mov fs, ax
; fs寄存器加载完成后，立即从保护模式退出。 这样能使得fs寄存器在实模式下获得大于1MB的寻址能力。
mov eax, cr0
and al, 11111110b ; 将第0位置0
mov cr0, eax
sti ; 开启外部中断
; =========在文件系统中搜索 kernel.bin==========
mov word [SectorNo], SectorNumOfRootDirStart ;保存根目录起始扇区号
Label_Search_In_Root_Dir_Begin:
cmp word [RootDirSizeForLoop], 0 ; 比较根目录扇区数量和0的关系。 cmp实际上是进行了一个减法运算
jz Label_No_KernelBin ; 等于0，不存在kernel.bin
dec word [RootDirSizeForLoop]
mov ax, 0x00
mov es, ax
mov bx, 0x8000
mov ax, [SectorNo] ;向函数传入扇区号
mov cl, 1
call Func_ReadOneSector
mov si, Kernel_FileName ;向源变址寄存器传入Loader文件的名字
mov di, 0x8000
cld ;由于LODSB的加载方向与DF标志位有关，因此需要用CLD清零DF标志位
mov dx, 0x10 ; 每个扇区的目录项的最大条数是(512/32=16,也就是0x10)
Label_Search_For_LoaderBin:
cmp dx, 0
jz Label_Goto_Next_Sector_In_Root_Dir
dec dx
mov cx, 11 ; cx寄存器存储目录项的文件名长度， 11B，包括了文件名和扩展名，但是不包括 分隔符'.'
Label_Cmp_FileName:
cmp cx, 0
jz Label_FileName_Found
dec cx
lodsb ; 把si对应的字节载入al寄存器中，然后，由于DF为0，si寄存器自增
cmp al, byte [es:di] ; 间接取址[es+di]。 也就是进行比较当前文件的名字对应字节和loader文件名对应字节
jz Label_Go_On ; 对应字节相同
jmp Label_Different ; 字节不同，不是同一个文件
Label_Go_On:
inc di
jmp Label_Cmp_FileName
Label_Different:
and di, 0xffe0 ;将di恢复到当前目录项的第0字节
add di, 0x20 ;将di跳转到下一目录项的第0字节
mov si, Kernel_FileName
jmp Label_Search_For_LoaderBin ;继续搜索下一目录项
Label_Goto_Next_Sector_In_Root_Dir:
add word [SectorNo], 1
jmp Label_Search_In_Root_Dir_Begin
Label_No_KernelBin:
; 在屏幕上显示 [ERROR] No Kernel Found.
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000c ; 红色闪烁高亮黑底
mov dx, 0x0200 ; 显示在第3行（前面已经显示过2行了）
mov cx, 24 ; 字符串长度
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_No_Loader
int 0x10
jmp $
; ========= 找到了 kernel.bin ===========
; 将内核加载到内存中
Label_FileName_Found:
mov ax, RootDirSectors
; 先取得目录项DIR_FstClus字段的值（起始簇号）
and di, 0xffe0
add di, 0x1a
mov cx, word [es:di]
push cx
add cx, ax
add cx, SectorBalance
mov eax, Base_Tmp_Of_Kernel_Addr ; 内核放置的临时地址
mov es, eax ;配置es和bx，指定kernel.bin在内存中的起始地址
mov bx, Offset_Tmp_Of_Kernel_File
mov ax, cx
Label_Go_On_Loading_File:
push ax
push bx
; 显示字符.
mov ah, 0x0e
mov al, "."
mov bl, 0x0f
int 0x10
pop bx
pop ax
; 读取一个扇区
mov cl, 1
call Func_ReadOneSector
pop ax
; ======逐字节将内核程序复制到临时空间，然后转存到内核空间===
push cx
push eax
push fs
push edi
push ds
push esi
mov cx, 0x0200 ; 指定计数寄存器的值为512， 为后面循环搬运这个扇区的数据做准备
mov ax, Base_Of_Kernel_File
mov fs, ax ; 这样在物理机上是行不通的，因为这样移动的话，fs就失去了32位寻址能力
mov edi, dword [OffsetOfKernelFileCount] ; 指定目的变址寄存器
mov ax, Base_Tmp_Of_Kernel_Addr
mov ds, ax
mov esi, Offset_Tmp_Of_Kernel_File ; 指定来源变址寄存器
Label_Move_Kernel:
; 真正进行数据的移动
mov al, byte [ds:esi] ; 移动到临时区域
mov byte [fs:edi], al ; 再移动到目标区域
inc esi
inc edi
loop Label_Move_Kernel
; 当前扇区数据移动完毕
mov eax, 0x1000
mov ds, eax
mov dword [OffsetOfKernelFileCount], edi ; 增加偏移量
pop esi
pop ds
pop edi
pop fs
pop eax
pop cx
call Func_GetFATEntry
cmp ax, 0x0fff
jz Label_File_Loaded
push ax
mov dx, RootDirSectors
add ax, dx
add ax, SectorBalance
; 继续读取下一个簇
jmp Label_Go_On_Loading_File
Label_File_Loaded:
;在屏幕上显示 kernel loaded
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0200 ;在第3行显示
mov cx, 20 ;设置消息长度
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Kernel_Loaded
int 0x10
; ======直接操作显示内存=======
; 从内存的0x0B800开始，是一段用于显示字符的内存空间。
; 每个字符占用2bytes，低字节保存要显示的字符，高字节保存样式
mov ax, 0xB800
mov gs, ax
mov ah, 0x0F ;黑底白字
mov al, '.'
mov [gs:((80 * 2 + 20) * 2)], ax ;在屏幕第0行，39列
Label_Kill_Motor:
; =====关闭软驱的马达======
; 向IO端口0x03f2写入0，关闭所有软驱
push dx
mov dx, 0x03F2
mov al, 0
out dx, al
pop dx
; =====获取物理地址空间====
; 显示 正在获取内存结构
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000F
mov dx, 0x0300 ; 在第四行显示
mov cx, 34
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Start_Get_Mem_Struct
int 0x10
mov ax, 0x00
mov es, ax
mov di, Memory_Struct_Buffer_Addr ; 设置内存结构信息存储的地址
mov ebx, 0 ;第一次调用0x15的时候，ebx要置为0 ebx存储的是下一个待返回的ARDS （Address Range Descriptor Structure）
Label_Get_Mem_Struct:
;==== 获取内存物理地址信息
; 使用0x15中断程序的功能号0xe820来获取内存信息
; 返回信息在[es:di]指向的内存中
; 一共要分5次才能把20个字节的信息获取完成
; 这些信息在内核初始化内存管理单元的时候，会去解析它们。
mov eax, 0xe820
mov ecx, 20 ; 指定ARDS结构的大小，是固定值20
mov edx, 0x534d4150 ; 固定签名标记，是字符串“SMAP”的ASCII码
int 0x15
jc Label_Get_Mem_Fail ; 若调用出错，则CF=1
add di, 20
cmp ebx, 0
jne Label_Get_Mem_Struct ; ebx不为0
jmp Label_Get_Mem_OK ; 获取内存信息完成
Label_Get_Mem_Fail:
; =====获取内存信息失败====
; 显示 正在获取内存结构
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000c
mov dx, 0x0400 ; 在第5行显示
mov cx, 33
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_Mem_Failed
int 0x10
jmp $
Label_Get_Mem_OK:
; ==== 成功获取内存信息 ===
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0400 ; 在第5行显示
mov cx, 38
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_Mem_Success
int 0x10
jmp Label_Get_SVGA_Info
Label_Get_SVGA_Info:
; ==== 获取SVGA芯片的信息
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0500 ; 在第6行显示
mov cx, 34
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Start_Get_SVGA_VBE_Info
int 0x10
; 使用INT0x10的主功能号0x4F00获取SVGA VBE信息
; For more information, please visit: https://longjin666.top/?p=1321
mov ax, 0x00
mov es, ax
mov di, 0x8000
mov ax, 0x4F00
int 0x10
cmp ax, 0x004F ; 获取成功
jz Label_Get_SVGA_VBE_Success
Label_Get_SVGA_VBE_Failed:
; 获取SVGA VBE信息失败
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x008c
mov dx, 0x0600 ; 在第7行显示
mov cx, 33
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_SVGA_VBE_Failed
int 0x10
jmp $
Label_Get_SVGA_VBE_Success:
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0600 ; 在第7行显示
mov cx, 38
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_SVGA_VBE_Success
int 0x10
Label_Get_SVGA_Mode_Info:
; ====== 获取SVGA mode信息 ======
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0700 ; 在第8行显示
mov cx, 35
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Start_Get_SVGA_Mode_Info
int 0x10
mov ax, 0x00
mov es, ax
mov si, 0x800e ; 根据文档可知，偏移量0Eh处， DWORD pointer to list of supported VESA and OEM video modes
;(list of words terminated with FFFFh)
mov esi, dword [es:si]
mov edi, 0x8200
Label_SVGA_Mode_Info_Get:
mov cx, word [es:esi]
; ===========显示SVGA mode的信息
;push ax
;mov ax, 0x00
;mov al, ch
;call Label_DispAL
;mov ax, 0x00
;mov al, cl
;call Label_DispAL
;pop ax
;============
; 判断是否获取完毕
cmp cx, 0xFFFF
jz Label_SVGA_Mode_Info_Finish
mov ax, 0x4f01 ; 使用4f01功能，获取SVGA的模式
int 0x10
cmp ax, 0x004f ; 判断是否获取成功
jnz Label_SVGA_Mode_Info_Fail
add esi, 2
add edi, 0x100 ; 开辟一个 256-byte 的 buffer
jmp Label_SVGA_Mode_Info_Get
Label_SVGA_Mode_Info_Fail:
; === 获取信息失败 ===
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x008c
mov dx, 0x0800 ; 在第9行显示
mov cx, 34
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_SVGA_Mode_Failed
int 0x10
jmp $
Label_SVGA_Mode_Info_Finish:
; === 成功获取SVGA mode信息 ===
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x000f
mov dx, 0x0800 ; 在第9行显示
mov cx, 39
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Get_SVGA_Mode_Success
int 0x10
jmp Label_Set_SVGA_Mode
Label_SET_SVGA_Mode_VESA_VBE_FAIL:
; 设置SVGA显示模式失败
mov ax, 0x1301
mov bx, 0x008c
mov dx, 0x0800 ; 在第10行显示
mov cx, 29
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, Message_Set_SVGA_Mode_Failed
int 0x10
jmp $
Label_Set_SVGA_Mode:
; ===== 设置SVGA芯片的显示模式(VESA VBE) ===
mov ax, 0x4f02 ; 使用int0x10 功能号AX=4f02设置SVGA芯片的显示模式
mov bx, 0x4180 ; 显示模式可以选择0x180(1440*900 32bit)或者0x143(800*600 32bit)
int 0x10
cmp ax, 0x004F
jnz Label_SET_SVGA_Mode_VESA_VBE_FAIL
; ===== 初始化GDT表，切换到保护模式 =====
cli ; 关闭外部中断
db 0x66
lgdt [GdtPtr]
db 0x66
lidt [IDT_POINTER]
mov eax, cr0
or eax, 1 ; 启用保护模式
mov cr0, eax
; 跳转到保护模式下的第一个程序
jmp dword SelectorCode32:GO_TO_TMP_Protect
[SECTION .s32]
[BITS 32]
GO_TO_TMP_Protect:
; ==== 切换到长模式 =====
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov ss, ax
mov esp, 0x7e00 ; 将栈指针设置在实模式获取到的数据的基地址上
call support_long_mode ; 检测是否支持长模式
test eax, eax ; 将eax自身相与，检测是否为0（test指令不会把结果赋值回去eax）
jz no_support ; 不支持长模式
; 初始化临时页表， 基地址设置为0x90000
; 设置各级页表项的值（页表起始地址与页属性组成）
mov dword [0x90000], 0x91007
mov dword [0x90004], 0x00000
mov dword [0x90800], 0x91007
mov dword [0x90804], 0x00000
mov dword [0x91000], 0x92007
mov dword [0x91004], 0x00000
mov dword [0x92000], 0x000083
mov dword [0x92004], 0x000000
mov dword [0x92008], 0x200083
mov dword [0x9200c], 0x000000
mov dword [0x92010], 0x400083
mov dword [0x92014], 0x000000
mov dword [0x92018], 0x600083
mov dword [0x9201c], 0x000000
mov dword [0x92020], 0x800083
mov dword [0x92024], 0x000000
mov dword [0x92028], 0xa00083
mov dword [0x9202c], 0x000000
; === 加载GDT ===
db 0x66
lgdt [GdtPtr64] ; 加载GDT
; 把临时gdt的数据段加载到寄存器中(cs除外)
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
mov esp, 0x7e00
; ====== 开启物理地址扩展 =====
; 通过bts指令，将cr4第5位置位，开启PAE
mov eax, cr4
bts eax, 5
mov cr4, eax
; 将临时页目录的地址设置到CR3控制寄存器中
mov eax, 0x90000
mov cr3, eax
; ==== 启用长模式 ===
; 参见英特尔开发手册合集p4360 volume4, chapter2 页码2-60 Vol. 4
; IA32_EFER寄存器的第8位是LME标志位，能启用IA-32e模式
mov ecx, 0xC0000080
rdmsr
bts eax, 8
wrmsr
; === 开启分页机制 ===
mov eax, cr0
bts eax, 0 ; 再次开启保护模式
bts eax, 31 ; 开启分页管理机制
mov cr0, eax
; === 通过此条远跳转指令，处理器跳转到内核文件进行执行，正式进入IA-32e模式
jmp SelectorCode64:Offset_Of_Kernel_File
support_long_mode:
; ===== 检测是否支持长模式 ====
mov eax, 0x80000000
cpuid ; cpuid指令返回的信息取决于eax的值。当前返回到eax中的是最大的输入参数值。 详见：英特尔开发人员手册卷2A Chapter3 (Page 304)
cmp eax, 0x80000001
setnb al ; 当cmp结果为不低于时，置位al
jb support_long_mode_done ; 当eax小于0x80000001时，跳转
mov eax, 0x80000001
cpuid ; 获取特定信息，参照开发人员手册卷2A p304
bt edx, 29 ; 将edx第29位的值移到CF上。该位指示了CPU是否支持IA-32e模式
; Bit 29: Intel® 64 Architecture available if 1.
setc al ; 若支持则al置位
support_long_mode_done:
movzx eax, al ; 将al，零扩展为32位赋值给eax
ret
no_support:
; 不支持长模式
jmp $
[SECTION .s16lib]
[BITS 16]
; 从软盘读取一个扇区
; AX=待读取的磁盘起始扇区号
; CL=读入的扇区数量
; ES:BX=>目标缓冲区起始地址
Func_ReadOneSector:
push bp
mov bp, sp
sub esp, 2
mov byte [bp-2], cl
push bx
mov bl, [BPB_SecPerTrk]
div bl ;用AX寄存器中的值除以BL，得到目标磁道号(商：AL)以及目标磁道内的起始扇区号(余数：AH)
inc ah ; 由于磁道内的起始扇区号从1开始计数，因此将余数+1
mov cl, ah
mov dh, al
shr al, 1 ;计算出柱面号
mov ch, al
and dh, 1;计算出磁头号
pop bx
mov dl, [BS_DrvNum]
;最终，dh存储了磁头号，dl存储驱动器号
; ch存储柱面号，cl存储起始扇区号
Label_Go_On_Reading:
; 使用BIOS中断服务程序INT13h的主功能号AH=02h实现软盘读取操作
mov ah, 2
mov al, byte [bp-2]
int 0x13
jc Label_Go_On_Reading ;当CF标志位被复位时，说明数据读取完成，恢复调用现场
add esp, 2
pop bp
ret
; 解析FAT表项,根据当前FAT表项索引出下一个FAT表项
Func_GetFATEntry:
; AX=FAT表项号（输入、输出参数）
; 保存将要被修改的寄存器
push es
push bx
push ax
; 扩展段寄存器
mov ax, 00
mov es, ax
pop ax
mov byte [Odd], 0 ;将奇数标志位置0
; 将FAT表项号转换为总的字节号
mov bx, 3
mul bx
mov bx, 2
div bx
cmp dx, 0
jz Label_Even ; 偶数项
mov byte [Odd], 1
Label_Even:
xor dx, dx ;把dx置0
; 计算得到扇区号（商）和扇区内偏移（余数）
mov bx, [BPB_BytesPerSec]
div bx
push dx
; 读取两个扇区到[es:bx]
mov bx, 0x8000
add ax, SectorNumOfFAT1Start
mov cl, 2 ; 设置读取两个扇区，解决FAT表项跨扇区的问题
call Func_ReadOneSector
pop dx
add bx, dx
mov ax, [es:bx]
cmp byte [Odd], 1
jnz Label_Even_2 ;若是偶数项，则跳转
shr ax, 4 ; 解决奇偶项错位问题
Label_Even_2:
and ax, 0x0fff ; 确保表项号在正确的范围内 0x0003~0x0fff
pop bx
pop es
ret
; ==== 显示AL中的信息 ===
Label_DispAL:
push ecx
push edx
push edi
mov edi, [DisplayPosition]
mov ah, 0x0F
mov dl, al ; 为了先显示al的高4位，因此先将al暂存在dl中，然后把al往右移动4位
shr al, 4
mov ecx, 2 ; 计数为2
.begin:
and al, 0x0F
cmp al, 9
ja .1 ; 大于9，跳转到.1
add al, '0'
jmp .2
.1:
sub al, 0x0a
add al, 'A'
.2:
; 移动到显示内存中
mov [gs:edi], ax
add edi, 2
mov al, dl
loop .begin
mov [DisplayPosition], edi
pop edi
pop edx
pop ecx
ret
; === 临时的中断描述符表 ===
; 为临时的IDT开辟空间。
; 由于模式切换过程中已经关闭了外部中断，只要确保模式切换过程中不产生异常，就不用完整的初始化IDT。甚至乎，只要没有异常产生，没有IDT也可以。
IDT:
times 0x50 dq 0
IDT_END:
IDT_POINTER:
dw IDT_END - IDT - 1
dd IDT
;==== 临时变量 =====
RootDirSizeForLoop dw RootDirSectors
SectorNo dw 0
Odd db 0
OffsetOfKernelFileCount dd Offset_Of_Kernel_File
DisplayPosition dd 0
; 要显示的消息文本
Message_Start_Loader: db "[DragonOS] Start Loader"
Message_No_Loader: db "[ERROR] No Kernel Found."
Message_Kernel_Loaded: db "[INFO] Kernel loaded"
Message_Start_Get_Mem_Struct: db "[INFO] Try to get memory struct..."
Message_Get_Mem_Failed: db "[ERROR] Get memory struct failed."
Message_Get_Mem_Success: db "[INFO] Successfully got memory struct."
Message_Start_Get_SVGA_VBE_Info: db "[INFO] Try to get SVGA VBE info..."
Message_Get_SVGA_VBE_Failed: db "[ERROR] Get SVGA VBE info failed."
Message_Get_SVGA_VBE_Success: db "[INFO] Successfully got SVGA VBE info."
Message_Start_Get_SVGA_Mode_Info: db "[INFO] Try to get SVGA mode info..."
Message_Get_SVGA_Mode_Failed: db "[ERROR] Get SVGA Mode info failed."
Message_Get_SVGA_Mode_Success: db "[INFO] Successfully got SVGA Mode info."
Message_Set_SVGA_Mode_Failed: db "[ERROR] Set SVGA Mode failed."
Kernel_FileName: db "KERNEL BIN", 0