loader.asm
AnthemK_OS-Course-Design/资料/ORANGE’S：一个操作系统的实现/（课设参考书）光盘附带源代码/Tinix/chapter5/d/loader.asm

org  0100h

	jmp	LABEL_START		; Start

; 下面是 FAT12 磁盘的头, 之所以包含它是因为下面用到了磁盘的一些信息
%include	"fat12hdr.inc"
%include	"load.inc"
%include	"pm.inc"


; GDT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
;                                                段基址            段界限     , 属性
LABEL_GDT:			Descriptor             0,                    0, 0						; 空描述符
LABEL_DESC_FLAT_C:		Descriptor             0,              0fffffh, DA_CR  | DA_32 | DA_LIMIT_4K			; 0 ~ 4G
LABEL_DESC_FLAT_RW:		Descriptor             0,              0fffffh, DA_DRW | DA_32 | DA_LIMIT_4K			; 0 ~ 4G
LABEL_DESC_VIDEO:		Descriptor	 0B8000h,               0ffffh, DA_DRW                         | DA_DPL3	; 显存首地址
; GDT ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GdtLen		equ	$ - LABEL_GDT
GdtPtr		dw	GdtLen - 1				; 段界限
		dd	BaseOfLoaderPhyAddr + LABEL_GDT		; 基地址

; GDT 选择子 ----------------------------------------------------------------------------------
SelectorFlatC		equ	LABEL_DESC_FLAT_C	- LABEL_GDT
SelectorFlatRW		equ	LABEL_DESC_FLAT_RW	- LABEL_GDT
SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT + SA_RPL3
; GDT 选择子 ----------------------------------------------------------------------------------


BaseOfStack	equ	0100h
PageDirBase	equ	100000h	; 页目录开始地址:	1M
PageTblBase	equ	101000h	; 页表开始地址:		1M + 4K


LABEL_START:			; <--- 从这里开始 *************
	mov	ax, cs
	mov	ds, ax
	mov	es, ax
	mov	ss, ax
	mov	sp, BaseOfStack

	mov	dh, 0			; "Loading  "
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串

	; 得到内存数
	mov	ebx, 0			; ebx = 后续值, 开始时需为 0
	mov	di, _MemChkBuf		; es:di 指向一个地址范围描述符结构（Address Range Descriptor Structure）
.MemChkLoop:
	mov	eax, 0E820h		; eax = 0000E820h
	mov	ecx, 20			; ecx = 地址范围描述符结构的大小
	mov	edx, 0534D4150h		; edx = 'SMAP'
	int	15h			; int 15h
	jc	.MemChkFail
	add	di, 20
	inc	dword [_dwMCRNumber]	; dwMCRNumber = ARDS 的个数
	cmp	ebx, 0
	jne	.MemChkLoop
	jmp	.MemChkOK
.MemChkFail:
	mov	dword [_dwMCRNumber], 0
.MemChkOK:

	; 下面在 A 盘的根目录寻找 KERNEL.BIN
	mov	word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory	
	xor	ah, ah	; ┓
	xor	dl, dl	; ┣ 软驱复位
	int	13h	; ┛
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
	cmp	word [wRootDirSizeForLoop], 0	; ┓
	jz	LABEL_NO_KERNELBIN		; ┣ 判断根目录区是不是已经读完, 如果读完表示没有找到 KERNEL.BIN
	dec	word [wRootDirSizeForLoop]	; ┛
	mov	ax, BaseOfKernelFile
	mov	es, ax			; es <- BaseOfKernelFile
	mov	bx, OffsetOfKernelFile	; bx <- OffsetOfKernelFile	于是, es:bx = BaseOfKernelFile:OffsetOfKernelFile = BaseOfKernelFile * 10h + OffsetOfKernelFile
	mov	ax, [wSectorNo]		; ax <- Root Directory 中的某 Sector 号
	mov	cl, 1
	call	ReadSector

	mov	si, KernelFileName	; ds:si -> "KERNEL  BIN"
	mov	di, OffsetOfKernelFile	; es:di -> BaseOfKernelFile:???? = BaseOfKernelFile*10h+????
	cld
	mov	dx, 10h
LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN:
	cmp	dx, 0					; ┓
	jz	LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR	; ┣ 循环次数控制, 如果已经读完了一个 Sector, 就跳到下一个 Sector
	dec	dx					; ┛
	mov	cx, 11
LABEL_CMP_FILENAME:
	cmp	cx, 0			; ┓
	jz	LABEL_FILENAME_FOUND	; ┣ 循环次数控制, 如果比较了 11 个字符都相等, 表示找到
	dec	cx			; ┛
	lodsb				; ds:si -> al
	cmp	al, byte [es:di]	; if al == es:di
	jz	LABEL_GO_ON
	jmp	LABEL_DIFFERENT
LABEL_GO_ON:
	inc	di
	jmp	LABEL_CMP_FILENAME	;	继续循环

LABEL_DIFFERENT:
	and	di, 0FFE0h		; else┓	这时di的值不知道是什么, di &= e0 为了让它是 20h 的倍数
	add	di, 20h			;     ┃
	mov	si, KernelFileName	;     ┣ di += 20h  下一个目录条目
	jmp	LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN;   ┛

LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
	add	word [wSectorNo], 1
	jmp	LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN

LABEL_NO_KERNELBIN:
	mov	dh, 2			; "No KERNEL."
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串
%ifdef	_LOADER_DEBUG_
	mov	ax, 4c00h		; ┓
	int	21h			; ┛没有找到 KERNEL.BIN, 回到 DOS
%else
	jmp	$			; 没有找到 KERNEL.BIN, 死循环在这里
%endif

LABEL_FILENAME_FOUND:			; 找到 KERNEL.BIN 后便来到这里继续
	mov	ax, RootDirSectors
	and	di, 0FFF0h		; di -> 当前条目的开始

	push	eax
	mov	eax, [es : di + 01Ch]		; ┓
	mov	dword [dwKernelSize], eax	; ┛保存 KERNEL.BIN 文件大小
	pop	eax

	add	di, 01Ah		; di -> 首 Sector
	mov	cx, word [es:di]
	push	cx			; 保存此 Sector 在 FAT 中的序号
	add	cx, ax
	add	cx, DeltaSectorNo	; 这时 cl 里面是 LOADER.BIN 的起始扇区号 (从 0 开始数的序号)
	mov	ax, BaseOfKernelFile
	mov	es, ax			; es <- BaseOfKernelFile
	mov	bx, OffsetOfKernelFile	; bx <- OffsetOfKernelFile	于是, es:bx = BaseOfKernelFile:OffsetOfKernelFile = BaseOfKernelFile * 10h + OffsetOfKernelFile
	mov	ax, cx			; ax <- Sector 号

LABEL_GOON_LOADING_FILE:
	push	ax			; ┓
	push	bx			; ┃
	mov	ah, 0Eh			; ┃ 每读一个扇区就在 "Loading  " 后面打一个点, 形成这样的效果:
	mov	al, '.'			; ┃
	mov	bl, 0Fh			; ┃ Loading ......
	int	10h			; ┃
	pop	bx			; ┃
	pop	ax			; ┛

	mov	cl, 1
	call	ReadSector
	pop	ax			; 取出此 Sector 在 FAT 中的序号
	call	GetFATEntry
	cmp	ax, 0FFFh
	jz	LABEL_FILE_LOADED
	push	ax			; 保存 Sector 在 FAT 中的序号
	mov	dx, RootDirSectors
	add	ax, dx
	add	ax, DeltaSectorNo
	add	bx, [BPB_BytsPerSec]
	jmp	LABEL_GOON_LOADING_FILE
LABEL_FILE_LOADED:

	call	KillMotor		; 关闭软驱马达

	mov	dh, 1			; "Ready."
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串
	
; 下面准备跳入保护模式 -------------------------------------------

; 加载 GDTR
	lgdt	[GdtPtr]

; 关中断
	cli

; 打开地址线A20
	in	al, 92h
	or	al, 00000010b
	out	92h, al

; 准备切换到保护模式
	mov	eax, cr0
	or	eax, 1
	mov	cr0, eax

; 真正进入保护模式
	jmp	dword SelectorFlatC:(BaseOfLoaderPhyAddr+LABEL_PM_START)

	jmp	$


;============================================================================
;变量
;----------------------------------------------------------------------------
wRootDirSizeForLoop	dw	RootDirSectors	; Root Directory 占用的扇区数
wSectorNo		dw	0		; 要读取的扇区号
bOdd			db	0		; 奇数还是偶数
dwKernelSize		dd	0		; KERNEL.BIN 文件大小

;============================================================================
;字符串
;----------------------------------------------------------------------------
KernelFileName		db	"KERNEL  BIN", 0	; KERNEL.BIN 之文件名
; 为简化代码, 下面每个字符串的长度均为 MessageLength
MessageLength		equ	9
LoadMessage:		db	"Loading  "
Message1		db	"Ready.   "
Message2		db	"No KERNEL"
;============================================================================

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: DispStrRealMode
;----------------------------------------------------------------------------
; 运行环境:
;	实模式（保护模式下显示字符串由函数 DispStr 完成）
; 作用:
;	显示一个字符串, 函数开始时 dh 中应该是字符串序号(0-based)
DispStrRealMode:
	mov	ax, MessageLength
	mul	dh
	add	ax, LoadMessage
	mov	bp, ax			; ┓
	mov	ax, ds			; ┣ ES:BP = 串地址
	mov	es, ax			; ┛
	mov	cx, MessageLength	; CX = 串长度
	mov	ax, 01301h		; AH = 13,  AL = 01h
	mov	bx, 0007h		; 页号为0(BH = 0) 黑底白字(BL = 07h)
	mov	dl, 0
	add	dh, 3			; 从第 3 行往下显示
	int	10h			; int 10h
	ret
;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: ReadSector
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	从序号(Directory Entry 中的 Sector 号)为 ax 的的 Sector 开始, 将 cl 个 Sector 读入 es:bx 中
ReadSector:
	; -----------------------------------------------------------------------
	; 怎样由扇区号求扇区在磁盘中的位置 (扇区号 -> 柱面号, 起始扇区, 磁头号)
	; -----------------------------------------------------------------------
	; 设扇区号为 x
	;                           ┌ 柱面号 = y >> 1
	;       x           ┌ 商 y ┤
	; -------------- => ┤      └ 磁头号 = y & 1
	;  每磁道扇区数     │
	;                   └ 余 z => 起始扇区号 = z + 1
	push	bp
	mov	bp, sp
	sub	esp, 2			; 辟出两个字节的堆栈区域保存要读的扇区数: byte [bp-2]

	mov	byte [bp-2], cl
	push	bx			; 保存 bx
	mov	bl, [BPB_SecPerTrk]	; bl: 除数
	div	bl			; y 在 al 中, z 在 ah 中
	inc	ah			; z ++
	mov	cl, ah			; cl <- 起始扇区号
	mov	dh, al			; dh <- y
	shr	al, 1			; y >> 1 (其实是 y/BPB_NumHeads, 这里BPB_NumHeads=2)
	mov	ch, al			; ch <- 柱面号
	and	dh, 1			; dh & 1 = 磁头号
	pop	bx			; 恢复 bx
	; 至此, "柱面号, 起始扇区, 磁头号" 全部得到 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
	mov	dl, [BS_DrvNum]		; 驱动器号 (0 表示 A 盘)
.GoOnReading:
	mov	ah, 2			; 读
	mov	al, byte [bp-2]		; 读 al 个扇区
	int	13h
	jc	.GoOnReading		; 如果读取错误 CF 会被置为 1, 这时就不停地读, 直到正确为止

	add	esp, 2
	pop	bp

	ret

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: GetFATEntry
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	找到序号为 ax 的 Sector 在 FAT 中的条目, 结果放在 ax 中
;	需要注意的是, 中间需要读 FAT 的扇区到 es:bx 处, 所以函数一开始保存了 es 和 bx
GetFATEntry:
	push	es
	push	bx
	push	ax
	mov	ax, BaseOfKernelFile	; ┓
	sub	ax, 0100h		; ┣ 在 BaseOfKernelFile 后面留出 4K 空间用于存放 FAT
	mov	es, ax			; ┛
	pop	ax
	mov	byte [bOdd], 0
	mov	bx, 3
	mul	bx			; dx:ax = ax * 3
	mov	bx, 2
	div	bx			; dx:ax / 2  ==>  ax <- 商, dx <- 余数
	cmp	dx, 0
	jz	LABEL_EVEN
	mov	byte [bOdd], 1
LABEL_EVEN:;偶数
	xor	dx, dx			; 现在 ax 中是 FATEntry 在 FAT 中的偏移量. 下面来计算 FATEntry 在哪个扇区中(FAT占用不止一个扇区)
	mov	bx, [BPB_BytsPerSec]
	div	bx			; dx:ax / BPB_BytsPerSec  ==>	ax <- 商   (FATEntry 所在的扇区相对于 FAT 来说的扇区号)
					;				dx <- 余数 (FATEntry 在扇区内的偏移)。
	push	dx
	mov	bx, 0			; bx <- 0	于是, es:bx = (BaseOfKernelFile - 100):00 = (BaseOfKernelFile - 100) * 10h
	add	ax, SectorNoOfFAT1	; 此句执行之后的 ax 就是 FATEntry 所在的扇区号
	mov	cl, 2
	call	ReadSector		; 读取 FATEntry 所在的扇区, 一次读两个, 避免在边界发生错误, 因为一个 FATEntry 可能跨越两个扇区
	pop	dx
	add	bx, dx
	mov	ax, [es:bx]
	cmp	byte [bOdd], 1
	jnz	LABEL_EVEN_2
	shr	ax, 4
LABEL_EVEN_2:
	and	ax, 0FFFh

LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:

	pop	bx
	pop	es
	ret
;----------------------------------------------------------------------------


;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: KillMotor
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	关闭软驱马达
KillMotor:
	push	dx
	mov	dx, 03F2h
	mov	al, 0
	out	dx, al
	pop	dx
	ret
;----------------------------------------------------------------------------


; 从此以后的代码在保护模式下执行 ----------------------------------------------------
; 32 位代码段. 由实模式跳入 ---------------------------------------------------------
[SECTION .s32]

ALIGN	32

[BITS	32]

LABEL_PM_START:
	mov	ax, SelectorVideo
	mov	gs, ax
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	ds, ax
	mov	es, ax
	mov	fs, ax
	mov	ss, ax
	mov	esp, TopOfStack

	push	szMemChkTitle
	call	DispStr
	add	esp, 4

	call	DispMemInfo
	call	SetupPaging

	mov	ah, 0Fh				; 0000: 黑底    1111: 白字
	mov	al, 'P'
	mov	[gs:((80 * 0 + 39) * 2)], ax	; 屏幕第 0 行, 第 39 列。
	jmp	$


%include	"lib.inc"


; 显示内存信息 --------------------------------------------------------------
DispMemInfo:
	push	esi
	push	edi
	push	ecx

	mov	esi, MemChkBuf
	mov	ecx, [dwMCRNumber]	;for(int i=0;i<[MCRNumber];i++) // 每次得到一个ARDS(Address Range Descriptor Structure)结构
.loop:					;{
	mov	edx, 5			;	for(int j=0;j<5;j++)	// 每次得到一个ARDS中的成员，共5个成员
	mov	edi, ARDStruct		;	{			// 依次显示：BaseAddrLow，BaseAddrHigh，LengthLow，LengthHigh，Type
.1:					;
	push	dword [esi]		;
	call	DispInt			;		DispInt(MemChkBuf[j*4]); // 显示一个成员
	pop	eax			;
	stosd				;		ARDStruct[j*4] = MemChkBuf[j*4];
	add	esi, 4			;
	dec	edx			;
	cmp	edx, 0			;
	jnz	.1			;	}
	call	DispReturn		;	printf("\n");
	cmp	dword [dwType], 1	;	if(Type == AddressRangeMemory) // AddressRangeMemory : 1, AddressRangeReserved : 2
	jne	.2			;	{
	mov	eax, [dwBaseAddrLow]	;
	add	eax, [dwLengthLow]	;
	cmp	eax, [dwMemSize]	;		if(BaseAddrLow + LengthLow > MemSize)
	jb	.2			;
	mov	[dwMemSize], eax	;			MemSize = BaseAddrLow + LengthLow;
.2:					;	}
	loop	.loop			;}
					;
	call	DispReturn		;printf("\n");
	push	szRAMSize		;
	call	DispStr			;printf("RAM size:");
	add	esp, 4			;
					;
	push	dword [dwMemSize]	;
	call	DispInt			;DispInt(MemSize);
	add	esp, 4			;

	pop	ecx
	pop	edi
	pop	esi
	ret
; ---------------------------------------------------------------------------

; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:
	; 根据内存大小计算应初始化多少PDE以及多少页表
	xor	edx, edx
	mov	eax, [dwMemSize]
	mov	ebx, 400000h	; 400000h = 4M = 4096 * 1024, 一个页表对应的内存大小
	div	ebx
	mov	ecx, eax	; 此时 ecx 为页表的个数，也即 PDE 应该的个数
	test	edx, edx
	jz	.no_remainder
	inc	ecx		; 如果余数不为 0 就需增加一个页表
.no_remainder:
	push	ecx		; 暂存页表个数

	; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址. 并且不考虑内存空洞.

	; 首先初始化页目录
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	es, ax
	mov	edi, PageDirBase	; 此段首地址为 PageDirBase
	xor	eax, eax
	mov	eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.1:
	stosd
	add	eax, 4096		; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.
	loop	.1

	; 再初始化所有页表
	pop	eax			; 页表个数
	mov	ebx, 1024		; 每个页表 1024 个 PTE
	mul	ebx
	mov	ecx, eax		; PTE个数 = 页表个数 * 1024
	mov	edi, PageTblBase	; 此段首地址为 PageTblBase
	xor	eax, eax
	mov	eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:
	stosd
	add	eax, 4096		; 每一页指向 4K 的空间
	loop	.2

	mov	eax, PageDirBase
	mov	cr3, eax
	mov	eax, cr0
	or	eax, 80000000h
	mov	cr0, eax
	jmp	short .3
.3:
	nop

	ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------


; SECTION .data1 之开始 ---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .data1]

ALIGN	32

LABEL_DATA:
; 实模式下使用这些符号
; 字符串
_szMemChkTitle:			db	"BaseAddrL BaseAddrH LengthLow LengthHigh   Type", 0Ah, 0
_szRAMSize:			db	"RAM size:", 0
_szReturn:			db	0Ah, 0
;; 变量
_dwMCRNumber:			dd	0	; Memory Check Result
_dwDispPos:			dd	(80 * 6 + 0) * 2	; 屏幕第 6 行, 第 0 列。
_dwMemSize:			dd	0
_ARDStruct:			; Address Range Descriptor Structure
	_dwBaseAddrLow:		dd	0
	_dwBaseAddrHigh:	dd	0
	_dwLengthLow:		dd	0
	_dwLengthHigh:		dd	0
	_dwType:		dd	0
_MemChkBuf:	times	256	db	0
;
;; 保护模式下使用这些符号
szMemChkTitle		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _szMemChkTitle
szRAMSize		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _szRAMSize
szReturn		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _szReturn
dwDispPos		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwDispPos
dwMemSize		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwMemSize
dwMCRNumber		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwMCRNumber
ARDStruct		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _ARDStruct
	dwBaseAddrLow	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwBaseAddrLow
	dwBaseAddrHigh	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwBaseAddrHigh
	dwLengthLow	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwLengthLow
	dwLengthHigh	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwLengthHigh
	dwType		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _dwType
MemChkBuf		equ	BaseOfLoaderPhyAddr + _MemChkBuf


; 堆栈就在数据段的末尾
StackSpace:	times	1000h	db	0
TopOfStack	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + $	; 栈顶
; SECTION .data1 之结束 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

