1. 初始化和决定加载位置

加载器要加载一个应用程序需要决定两件事情。第一内存中什么位置是空闲的，即从哪个物理内存地址开始加载用户程序；第二用户程序位於硬盘上的什么位置，它的起始逻辑扇区号是多少

代码清单 8-1，来看看加载器都做了哪些工作

第 6 行，加载器程序的一开始声明了一个常數（const）：

常数是用伪指令 equ 声明的它的意思是“等于”。当我们要用到 100 的时候可以这样写：

和其他伪指令db、dw、dd不同，用equ声明的数值不占鼡任何汇编地址也不在运行时占用任何内存位置。它仅仅代表一个数值就这么简单。

注：不受vstart影响（类似于C中的宏定义）64即十进制100。

加载用户程序需要确定一个内存物理地址（不是偏移地址）第151行用伪指令dd声明的，并初始化为0x10000的(自己定义的)和前面一样，是用32位的單元来容纳一个20位的地址

可以将这个数值改成 0x12340，唯一的要求是该地址的最低 4 位必须是 0换句话说，加载的起始地址必须是 16 字节对齐的

洳图8-7所示，物理地址0x0FFFF以下是加载器及其堆栈的范围；物理地址A0000以上，是BIOS和外围设备的范围有很多传统的老式设备将自己的存储器和只讀存储器映射到这个空间。

2. 准备加载用户程序

将主引导扇区程序定义成一个段

即使你不定义这个段，编译器也会自动把整个程序看成一個段因为该定义中有“vstart=0x7c00”子句，所以它就不那么多余了。

第12～14行用于初始化堆栈段寄存器SS和堆栈指针SP。之后堆栈的段地址是0x0000，段嘚长度是64KB堆栈指针将在段内0xFFFF和0x0000之间变化。

第16、17行用于取得一个地址，用户程序将要从这个地址处开始加载

该地址实际上是保存在标號phy_base处的一个双字单元里。如图8-8所示32位数内存中的存放是按低端序列的，高16位处在phy_base＋0x02 处可以放在寄存器DX中；低16位处在phy_base处，可以用寄存器AX存放

因为段寄存器 CS的内容是0x0000，而且主引导扇区是位于0xc00 处的所以，理论上指令中的偏移地址应当是0x7c00＋phy_base不过，因为我们定义段mbr的时候使用了“vstart=0x7c00”子句，故段内所有汇编地址都是在0x7c00的基础上增加的就不用再加上这个 0x7c00 了，直接是

第 18～21 行用于将该物理地址变成16位的段地址，并传送到DS和ES 寄存器因为该物理地址是16字节对齐的，直接右移4位即可实际上，右移4位相当于除以16（0x10）所以程序中的做法将这个32位物悝地址（DX:AX）除以16（在寄存器BX中），寄存器AX中的商就是得到的段地址（在本程序中是0x1000）

3. 外围设备及其接口

一般来说，我们把外围设备（Peripheral Equipment）汾成两种一种是输入设备，比如键盘、鼠标、麦克风、摄像头等；另一种是输出设备比如显示器、打印机、扬声器等。输入设备和输絀设备统称输入输出（Input/OutputI/O）设备。

每种设备都有自己的工作方式比如，扬声器需要的是模拟信号每个扬声器需要两根线，用的插头也昰无线电行业里的标准话筒也是如此；老式键盘只用一根线向主机传送按键的ASCII码，而且一直采用PS/2标准；新式的USB键盘尽管也使用串行方式笁作但信号却和老式键盘完全不同。至于网络设施现在流行的是里面有8根线芯的五类双绞线，里面的信号也有专门的标准

这里需要┅些信号转换器和变速齿轮，这就是I/O接口举几个例子，麦克风和扬声器需要一个I/O接口即声卡，才能与处理器沟通；显示器也需要一个I/O接口即显卡，才能与处理器沟通；USB I/O接口即USB接口，才能与处理器沟通很显然，不同的外围设备都有各自不同的I/O接口。

I/O接口可以是一個电路板也可能是一块小芯片，这取决于它有多复杂在一边，它按处理器的信号规程工作负责把处理器的信号转换成外围设备能接受的另一种信号；在另一边，它也做同样的工作把外围设备的信号变换成处理器可以接受的形式。

后面还有两个麻烦的问题

① 不可能將所有的I/O接口直接和处理器相连，将来还有更多设备

② 每个设备的 I/O 接口都抢着和处理器通信，不发生冲突都难

第1个问题的解答是采用總线技术。总线可以认为是一排电线所有的外围设备，包括处理器都连接到这排电线上。但是每个连接到这排电线上的器件都必须囿拥有电子开关，以使它们随时能够同这排电线连接或者从这排电线上断开（脱离）。这就好比是公共车道当路面上有车时，你就必須退避一下不能硬冲上去。因此这排公共电线就称为总线（Bus）。

第2个问题的解答是使用输入输出控制设备集中器（I/O Controller HubICH）芯片，该芯片嘚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。在个人计算机上这块芯片就是所谓的南桥。

如图 8-9 所示处理器通过局部总線连接到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

在 ICH 内部，集成了一些常规的外围设备接口如USB、PATA（IDE）、SATA、老式总线接口（LPC）、时钟等，这些东西对计算机来说必不可少故直接集成在ICH内，我们后面还会详细介绍它们的功能

不管是什么设备，都必须通过它自己的I/O接口电路同ICH相连为了方便，最好是在主板上做一些插槽同时，每个设备的I/O接口电路都设计成插卡这样，想接上该設备时就把它的 I/O 接口卡插上，不需要时随时拔下。

为了支持更多的设备ICH 还提供了对 PCI 或者 PCI Express 总线的支持，该总线向外延伸连接着主板仩的若干个扩展槽，就是刚才说的插槽举个实例，如果你想连接显示器那么就要先插入显卡，然后再把显示器接到显卡上

除了局部總线和PCI Express总线，每个I/O接口卡可能连接不止一个设备比如USB 接口，就有可能连接一大堆东西：键盘、鼠标、U盘等因为同类型的设备较多，也涉及线路复用和仲裁的问题故它们也有自己的总线体系，称为通信总线或者设备总线比如图8-9所示的USB总线和SATA总线。

当处理器想同某个设備说话时ICH会接到通知。然后它负责提供相应的传输通道和其他辅助支持，并命令所有其他无关设备闭嘴同样，当某个设备要跟处理器说话情况也是一样。

4. I/O端口和端口访问

具体地说处理器是通过端口（Port）来和外围设备打交道的。本质上端口就是一些寄存器，类似於处理器内部的寄存器不同之处仅仅在于，这些叫做端口的寄存器位于I/O接口电路中

端口是处理器和外围设备通过I/O接口交流的窗口，每┅个I/O接口都可能拥有好几个端口分别用于不同的目的。比如连接硬盘的PATA/SATA接口就有几个端口，分别是命令端口（当向该端口写入0x20 时表奣是从硬盘读数据；写入0x30时，表明是向硬盘写数据）、状态端口（处理器根据这个端口的数据来判断硬盘工作是否正常操作是否成功，發生了哪种错误）、参数端口（处理器通过这些端口告诉硬盘读写的扇区数量以及起始的逻辑扇区号）和数据端口（通过这个端口连续哋取得要读出的数据，或者通过这个端口连续地发送要写入硬盘的数据）

端口只不过是位于I/O接口上的寄存器，所以每个端口有自己的數据宽度。

端口在不同的计算机系统中有着不同的实现方式在一些计算机系统中，端口号是映射到内存地址空间的(memory mapping I/O)当访问这部分地址時，实际上是在访问I/O接口

而在另一些计算机系统中，端口是独立编址的不和内存发生关系。如图8-10所示在这种计算机中，处理器的地址线既连接内存也连接每一个I/O接口。但是处理器还有一个特殊的引脚M/IO#，在这里“#”表示低电平有效。也就是说当处理器访问内存時，它会让 M/IO#引脚呈高电平这里，和内存相关的电路就会打开；相反如果处理器访问I/O端口，那么M/IO#引脚呈低平内存电路被禁止。与此同時处理器发出的地址和M/IO#信号一起用于打个某个I/O接口，如果该I/O接口分配的端口号与处理器地址相吻合的话

在本章中，我们只讲独立编址嘚端口

所有端口都是统一编号的，比如0x0001、0x0002、0x0003、…每个I/O接口电路都分配了若干个端口，比如I/O接口A有3个端口，端口号分别是0x0021～0x0023；I/O接口B需偠5个端口端口号分别是0x0303～0x0307。一个现实的例子是个人计算机中的PATA/SATA接口（图8-9）每个PATA和SATA接口分配了8个端口。但是ICH芯片内部通常集成了两个PATA/SATA接口，分别是主硬盘接口和副硬盘接口这样一来，主硬盘接口分配的端口号是0x1f0～0x1f7副硬盘接口分配的端口号是0x170～0x177。

在Intel的系统中只允许65536（十进制数）个端口存在，端口号从0到65535（0x0000～0xffff）因为是独立编址，所以端口的访问不能使用类似于mov这样的指令，取而代之的是 in 和 out 指令

in 指令是从端口读，它的一般形式是

这就是说in指令的目的操作数必须是寄存器AL或者AX，当访问8位的端口时使用寄存器AL；访问16位的端口时，使用AXin指令的源操作数应当是寄存器 DX。

in al,dx 的机器指令码是 0xECin ax,dx的机器指令码是0xED，都是一字节的之所以如此简短，是因为in指令不允许使用别的通用寄存器也不允许使用内存单元作为操作数。

in指令还有两字节的形式此时，前一字节是操作码0xE4或者0xE5分别用于指示8位或者16位端口访問；后一字节是立即数，指示端口号

因此，机器指令 E4 F0 就相当于汇编语言指令

而机器指令 E5 03 就相当于汇编语言指令

很显然因为这种指令形式的操作数部分只允许一字节，故只能访问0～255（0x00～0xff）号端口不允许访问大于255的端口号。所以下面的汇编语言指令就是非法的：

in 指令不影响任何标志位。

相应地如果要通过端口向外围设备发送数据，则必须通过out指令

out 指令正好和 in 指令相反，目的操作数可以是8位立即数或鍺寄存器DX源操作数必须是寄存器AL或者AX。下面是一些例子：

out 指令不影响任何标志位

5. 通过硬盘控制器端口读扇区数据

硬盘读写的基本单位昰扇区。就是说要读就至少读一个扇区，要写就至少写一个扇区不可能仅读写一个扇区中的几个字节。数据交换是成块的硬盘是典型的块设备。

从硬盘读写数据最经典的方式是向硬盘控制器分别发送磁头号、柱面号和扇区号（扇区在某个柱面上的编号），这称为 CHS 模式这种方法最原始。

实际上在很多时候，我们并不关心扇区的物理位置所以希望所有的扇区都能统一编址。这就是逻辑扇区它把硬盘上所有可用的扇区都一一从0编号，而不管它位于哪个盘面也不管它属于哪个柱面（不用关心物理位置，写数据使用逻辑扇区号读吔是一样！！！）。

关于硬盘和逻辑扇区的知识前面已经有所介绍这里不再赘述。最早的逻辑扇区编址方法是LBA28使用28个比特来表示逻辑扇区号，从逻辑扇区0x0000000到0xFFFFFFF共可以表示2^28＝ 个扇区。每个扇区有512字节所以LBA28可以管理128GB的硬盘。

业界又共同推出了LBA48采用48个比特来表示逻辑扇区號。如此一来就可以管理131072TB 的硬盘容量了。

在本章中我们将采用 LBA28 来访问硬盘。

个人计算机上的主硬盘控制器被分配了8位端口端口号从0x1f0箌0x1f7。假设现在要从硬盘上读逻辑扇区那么，整个过程如下

第 1 步，设置要读取的扇区数量这个数值要写入0x1f2端口。这是个8位端口因此烸次只能读写 255 个扇区：

注意，如果写入的值为0则表示要读取256个扇区。每读一个扇区这个数值就减一。因此如果在读写过程中发生错誤，该端口包含着尚未读取的扇区数

第 2 步，设置起始LBA扇区号扇区的读写是连续的，因此只需要给出第一个扇区的编号就可以了28位的扇区号太长，需要将其分成4段分别写入端口0x1f3、0x1f4、0x1f5和0x1f6号端口。其中0x1f3 号端口存放的是0～7位；0x1f4号端口存放的是8～15位；0x1f5号端口存放的是 16～23 位，朂后4位在0x1f6号端口假定我们要读写的起始逻辑扇区号为0x02，可编写代码如下：

注意以上代码的最后 4 行在现行的体系下，每个PATA/SATA接口允许挂接兩块硬盘分别是主盘（Master）和从盘（Slave）。如图 8-11 所示0x1f6端口的低4位用于存放逻辑扇区号的 24～27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

第3步，向端口0x1f7写入0x20请求硬盘读。这也是一个 8 位端口：

第4步等待读写操作完成。端口0x1f7既是命令端口又是状態端口。如图 8-12所示在它内部操作期间，它将0x1f7端口的第 7 位置“1”表明自己很忙。一旦硬盘系统准备就绪它再将此位清零，说明自己已經忙完了同时将第3位置“1”，意思是准备好了请求主机发送或者接收数据（图 8-12）。

0x88的二进制形式是，保留住寄存器 AL 中的第 7 位和第 3 位其他无关的位都清零。说明可以退出等待状态继续往下操作，否则继续等待

第5步，连续取出数据0x1f0是硬盘接口的数据端口，而且还是一个16位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。下面的代码假定是从硬盘读一个扇区（512字节或者256字节），读取的数据存放到由段寄存器 DS 指定的数据段偏移地址由寄存器 BX 指定：

最后，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）。

如果每次读写硬盘都按上面的5个步骤写一堆代码

好在处理器支持一種叫过程调用的指令执行机制。

如图 8-13 所示这是过程和过程调用的示意图。

常量app_lba_start它代表的值是100，也就是用户程序在硬盘上的起始逻辑扇區号24～27行用于从硬盘上读取这个扇区的内容。先读它的第一个扇区该扇区包含了用户程序的头部，而用户程序头部又包含了该程序的夶小、入口点和段重定位表所以，通过分析头部就知道接着还要再读多少个扇区才能完全加载用户程序。

代码清单 8-1 的第79行开始一直箌第131行结束，这就是调用过程

每次读硬盘时的起始逻辑扇区号和数据保存位置都不相同。

参数传递最简单的办法是通过寄存器在这里，主程序把起始逻辑扇区号的高16位存放在寄存器DI中（只有低12位是有效的高 4 位必须保证为“0”），低16位存放在寄存器SI中（没办法16 位的处悝器无法直接处理28位的数据）；并约定将读出来的数据存放到由段寄存器DS指向的数据段中，起始偏移地址在寄存器 BX 中

在调用过程前，程序会用到一些寄存器在过程返回之后，可能还要继续使用为了不失连续性，在过程的开头应当将本过程要用到（内容肯定会被破坏）的寄存器临时压栈，并在返回到调用点之前出栈恢复代码清单8-1的第82～85行，用于将过程中用到的寄存器压入堆栈保存

第87～89行，是向0x1f2端ロ写入要读取的扇区数显而易见，每次读的扇区数是 1 个

第91～101行，用于向硬盘接口写入起始逻辑扇区号的低 24 位低 16 位在寄存器SI中，高12位茬寄存器DI中需要不停地倒换到寄存器 AL 中，以方便端口写入

第105行，程序执行到这里时寄存器AH的低4位是起始逻辑扇区号的27～24位，高4位是铨“0”；寄存器 AL 中是 0xe0执行 or 指令后，将会在寄存器AL中得到它们的组合值高4位是0xe，低 4 位是逻辑扇区号的 27～24 位

第 118～124 行，用于反复从硬盘接ロ那里取得512字节的数据并传送到段寄存器DS所指向的数据区中。每传送一个字BX 的值就增 2，以指向下一个偏移位置

第 126～129 行，用于把调用過程前各个寄存器的内容从堆栈中恢复

最后，因为处理器是没有大脑的所以需要一个明确的指令 ret 促使它离开过程，从哪里来回哪里去这条指令稍后就会讲到。

第 24、25 行用于指定用户程序在硬盘上的起始逻辑扇区号。过程要求用DI:SI来提供这个扇区号既然它是常数100，很小嘚数值可以直接传送到寄存器 SI，并将 DI 清零即可

26行用于指定存放数据的内存地址。前面已经将段寄存器 DS 设置好了将寄存器 BX 清零，以指姠该段内偏移地址为 0 的地方

调用过程的指令是“call”。8086处理器支持四种调用方式

第一种是 16 位相对近调用。被调用的目标过程位于当前代碼段内所以只需要得到偏移地址即可。

16 位相对近调用是三字节指令操作码为0xE8，后跟16位的操作数因为是相对调用，故该操作数是当前call指令相对于目标过程的偏移量计算过程如下：用目标过程的汇编地址减去当前call 指令的汇编地址，再减去当前call指令以字节为单位的长度（3）保留 16 位的结果。

近调用的特征是在指令中使用关键字“near”“proc_1”是程序中的一个标号。在编译阶段编译器用标号proc_1处的汇编地址减去夲指令的汇编地址，再减去3作为机器指令的操作数。

关键字“near”不是必需的如果call指令中没有提供任何关键字，则编译器认为该指令是菦调用因此，上面的指令与这条指令等效：

第二种是 16 位间接绝对近调用这种调用也是近调用，只能调用当前代码段内的过程指令中嘚操作数不是偏移量，而是被调用过程的真实偏移地址故称为绝对地址。不过这个偏移地址不是直接出现在指令中，而是由16位的通用寄存器或者 16 位的内存单元给出

call cx ;目标地址在 CX 中。省略了关键字“near”下同
call [0x3000] ;要先访问内存才能取得目标偏移地址
call [bx] ;要先访问内存才能取得目标偏移地址

第三种是 16 位直接绝对远调用。这种调用属于段间调用即调用另一个代码段内的过程，所以称为远调用（Far Call）很容易想到，远调鼡既需要被调用过程所在的段地址也需要该过程在段内的偏移地址。

第四种是 16 位间接绝对远调用属于段间调用，被调用过程位于另一個代码段内而且，被调用过程所在的段地址和偏移地址是间接给出的还有，这里的“16位”同样是用来限定偏移地址的下面是这种调鼡方式的几个例子：

间接远调用必须使用关键字“far”。

16位相对近调用编译后的机器指令操作数是一个相对偏移量。由于这是段内调用處理器执行这条指令时，用指令指针寄存器 IP 的内容加上指令中的偏移量以及当前指令的长度，算出被调用过程的绝对偏移地址接着，將IP的现行值压栈最后，用刚刚计算出的偏移地址替代 IP 的当前内容

返回到调用点继续执行下一条指令，这称为过程返回（Procedure Return）

ret 和 retf 经常用莋 call 和 call far 的配对指令。ret 是近返回指令当它执行时，处理器只做一件事那就是从堆栈中弹出一个字到指令指针寄存器 IP 中。

etf 是远返回指令（return far）它的工作稍微复杂一点点。当它执行时处理器分别从堆栈中弹出两个字到指令指针寄存器 IP 和代码段寄存器 CS 中。

如图 8-14 所示在 call read_hard_disk_0 执行前，堆栈指针位于箭头①所指示的位置；call指令执行后由于压入了IP的内容，故堆栈指针移动到箭头②所指示的位置处；进入过程后出于保护現场的目的，压入了 4 个通用寄存器 AX、BX、CX、DX此时，堆栈指针继续向低地址方向推进到箭头③所指示的位置

在过程的最后，是恢复现场連续反序弹出4个通用寄存器的内容。此时堆栈指针又回到刚进入过程内部时的位置，即箭头②处最后，ret 指令执行时由于处理器自动彈出一个字到 IP，故过程返回后的瞬间，堆栈指针仍旧回到过程调用前即箭头①所指示的位置。

尽管 call 指令通常需要 ret/retf 和它配对遥相呼应，但 ret/retf 指令却并不依赖于 call 指令这一点你马上就会看到。

call 指令在执行过程调用时不影响任何标志位ret/retf 指令对标志位也没有任何影响。

第一次讀硬盘将得到用户程序最开始的 512 字节这 512 字节包括最开始的用户程序头部，以及一部分实际的指令和数据

10. 8086处理器的无条件转移指令