stage1.s源代碼分析(很詳盡): 文章出處:http://www.civilnet.cn/blog/browse.php?operation=display&type=blog&entryno=85
Stage1.s原始檔案是用古老的at&t彙編編寫而成，是大名鼎鼎的unix家族作業系統引導程式GRUB中的第一個檔。它編譯後產生的二進位碼正好是512位元組（故意的，也是必須的），剛好填充滿硬碟初始的一個磁區，也即0柱面、0磁軌、1磁區。人們稱之為MBR——主引導記錄。它的作用是載入stage2檔(GRLDR)。閱讀本段代碼，gemfield建議你首先具備以下能力：cpu寄存器、BIOS中斷、PC架構、at&t彙編、GRUB背景知識。幸運的，青島之光論壇（bbs.civilnet.cn）的嵌入系統版塊裏都或多或少包含了這些介紹。並且可以從青島之光論壇上查找stage1.s的源代碼，此處不一一羅列了。
程式剛開始處的巨集定義使用了和gcc相同的規範，定義的3個巨集變數在後面用到的地方再由gemfield詳細闡述。在定義了一個總體變數_start後，程式的真正入口就到了。事實上，在二進位碼中，開始部分的代碼是eb48，其中eb就是jmp的機器碼，在標號_start後，緊跟著的就是這個jmp指令，跳轉到after_BPB處。Jmp後的nop指令，恐怕永遠也不會執行了。注意,剛開機時cpu會調用int19h將第一個磁區的內容調到記憶體位址為0x0000:0x7coo處,你要問為什麼是這個地址或者為什麼會發生這樣的調用,原因大抵和usb為什麼是2根資料線是一樣的。
.=_start + 4是一個讓人困惑的語句，其實這個dot是一個特殊的標號，在as彙編規範中，就代表當前的地址。從開始處的_start處填充空間至_start+4處，相當於4個位元組的空間。但是，從_start開始後的jmp nop 和jmp的參數已經佔用了3個位元組的空間，相當於在它們的後面再用0填充1個位元組的空間即可。
後面緊跟的是一系列稱之為彙編directive的“虛擬指令”。這一部分是對磁片等一些參數進行設置。像起始的磁區、磁軌和柱面以及它們的起始地址、還有stage1的版本號、boot_drive變數、force_lba變數、stage2的位址、磁區、段等參數，這在後面的代碼中涉及的時候再由gemfield闡述，到時候gemfield會稱這部分為初始化參數部分，切記。但在這一系列的參數設置中，還有個相似的語句，就是.=_start+STAGE1_BPBEND，照樣是從上一條指令處填充0直至到達_start+0x3e處。
在jmp之後，清中斷允許位，然後陳列80ca這個二進位碼。80ca就相當於orb $ox80,%dl,意思是給dl寄存器賦值80，要知道，在開機初始， BIOS載入完啟動代碼會把%dl寄存器設置成啟動盤號(boot drive number)：
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DL = 00h 1st floppy disk ( "drive A:" )
DL = 01h 2nd floppy disk ( "drive B:" )
DL = 80h 1st hard disk
DL = 81h 2nd hard disk
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硬碟的代號是80，所以上面代表的是stage1裝到硬碟上的情形，如果是軟碟的話，就是orb $0x00，%dl，很顯然，軟盤機代號是0x00。關於boot_drive_mask這一部分，包含的ljmp $0,ABS(real_start)指令的意思是，跳轉到cs:ip = 0x0000:$ABS(real_start)這個地方執行指令。程式的開頭部分定義了ABS這個巨集，在此處就相當於real_start-_start+0x7c00。如果是“正常的”int19h中斷，這句就是廢話。因為物理位址是(Segment value * 16) + Offset value，正常情況下MBR被載入到cs:ip = 0x0000:0x7c00上，而有些糟糕的BIOS會將其載入到07c0：0000上，其實這兩個代表的物理位址是完全一樣的（你可以用上上行的公式計算）。有些人從來就不考慮這種事實，那就是大多數人常常把segment值設為0，這樣引導代碼就可以假定任何段寄存器都是0從而只對付ip裏的偏移量。所以，在grub裏，加上這麼一個長轉移，就防止了這類糟糕的BIOS帶來的大麻煩。 接著進入real_start了，ax清零，ds賦值0，ss賦值0，將STAGE1_STACKSEG（0x2000）賦值給sp，這樣就設置了實模式下的堆疊段位址（棧頂位置）ss:sp = 0x0000:0x2000。接著置中斷允許位，然後檢查是否設置了啟動的磁片。先用MOV_MEM_TO_AL宏將boot_drive量存到al中，然後與0xff進行比較，用的是cmpb $0xff,%al ;je 1f。cmpb指令是將兩個運算元進行相減，對標誌位元的影響同sub指令，但是不保存結果。其中，此處用到的是zf標誌位元（因為是je指令），這樣，當運算元相等（即相減為零時）zf被置1。所以，cmpb和je一起使用時，就是指，當運算元相等時，跳轉至je制定的標號。所以，在這裏，若boot_drive等於0xff，則使用BIOS傳遞過來的默認的驅動器進行啟動；如果不是，movb %al,%dl，將boot_drive的值保存至dl中，表示由boot_drive的值確定啟動設備。不管怎麼樣，現在開始正式啟動了……驅動器號資訊壓棧、輸出資訊“GRUB”，注意，在螢幕上輸出資訊時調用了MSG巨集。下面分析一下這個宏，#define MSG(X) movw $ABS(x),%si ;call message 輸出GRUB字樣時，變數是notification_string，相當於將notification_string位址上的16位元內容送入si寄存器，然後調用message函數，而message函數使用了int10中斷來在螢幕上顯示字元。涉及到串操作指令。message函數：lodsb，從%si指向的源位址中逐一讀取一個字元，送入al中，然後檢查al是否為零，如果為零，表示字元已經傳輸完成了（.string虛擬指令會在指定的字串後加入一個位元組的0），此時調用ret返回。而若不為零，表明字元還未傳輸完，此時跳轉到int 10h“中斷前夕”，用int 10h 的oeh子功能在螢幕上以telemode模式寫字元，其中，ah是子功能號，al是字元，bh是頁，bl是前背景色（在圖形模式下）。所以這裏movw $0x0001,%bx ; movb $0x0e,%ah ;int $0x10(顯示一個字元)就ok了。
在螢幕上顯示完GRUB後，要來決定是進入chs模式還是lba模式（也就是看硬碟是否支援LBA模式，因為兩種模式對硬碟的讀寫等操作有很不一樣的地方），但在這之前，你得首先判斷這裏是硬碟而不是軟碟或者根本就沒有盤（言下之意就是，如果不是硬碟，判斷LBA或者CHS模式就沒有意義了），所以，在判斷硬碟是否支援LBA時，先判斷是不是硬碟。這裏用testb $STAGE1_BIOS_HD_FLAG,%dl來判斷，dl寄存器裏裝載的是磁片號，有三大類情況：硬碟（0x80、0x81）、軟碟（0x00、0x01）、無效的盤（0xff）。而前面的宏就是0x80，所以通過testb和jz指令判斷，如果dl中不是80或81（也就是不是硬碟），就跳轉到chs_mode函數下面。另外，如果此處判斷出是硬碟的話，再接著判斷是否支援LBA，使用的工具就是BIOS的int 13h中斷。 通過 BIOS 調用 INT 0x13 來確定是否支援擴展，LBA 擴展功能分兩個子集 , 如下 : 第一個子集提供了訪問大硬碟所必須的功能 , 包括： ****************************************************************
1.檢查擴展是否存在 : ah = 41h , bx = 0x55aa , dl = drive( 0x80 ~ 0xff )
2.擴展讀 : ah = 42h
3.擴展寫 : ah = 43h
4.校驗磁區 : ah = 44h
5.擴展定位 : ah = 47h
6.取得驅動器參數 : ah = 48h
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第二個子集提供了對軟體控制驅動器鎖定和彈出的支援 ,包括： ****************************************************************
1.檢查擴展 : ah = 41h
2.鎖定/解鎖驅動器 : ah = 45h
3.彈出驅動器 : ah = 46h
4.取得驅動器參數 : ah = 48h
5.取得擴展驅動器改變狀態: ah = 49h ****************************************************************
下面開始具體檢測 , 首先檢測擴展是否存在。此時寄存器的值和 BIOS 調用分別是：AH = 0x41，BX = 0x55AA，DL = driver( 0x80 ~ 0xFF )，然後INT 13H，看返回結果：如果支持CF= 0；否則 CF = 1；CF = 0 (支持LBA) 時的寄存器值代表含義： ****************************************************************
ah：擴展功能的主版本號( major version of extensions )
al：內部使用( internal use )
bx ：AA55h ( magic number )
cx：Bits Description
0 extended disk access functions
1 removable drive controller functions supported
2 enhanced disk drive (EDD) functions (AH=48h,AH=4Eh) supported.
Extended drive parameter table is valid
3~15 reserved (0) CF = 1 (不支持LBA) 時的寄存器值 :
ah = 0x01 ( invalid function )
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現在stage1.s使用movb $0x41, %ah；movw $0x55aa, %bx；int $0x13； jc chs_mode來進行上述判斷。如果不支援LBA，則cf就是1，跳轉到chs_mode函數運行。有的bios的int 13h中斷會影響到dl，所以此處用pop和push指令將其保護起來。然而cf不等於1也不表示就支持LBA了，還得再判斷bx是不是aa55h，使用cmpb $0xaa55,%bx ;jne chs_mode再判斷一次，如果bx裏存的不是預期的返回值，同樣不支持lba，也要進入chs_mode函數。這裏有個強制LBA模式要注意下，就是說，當cf是1，bx也是aa55，那麼可以不用在判斷就進入強制LBA模式，代碼是這樣寫的，使用MOV_MEM_TO_AL巨集將force_lba變數值傳遞到al，判斷是否為0。不為零強行進入lba_mode函數。然後判斷cx，如果cx為0的話表明不支持擴展第一子集，這時也進入chs_mode函數。所以總結進入chs_mode的情況，如下： *****************************************************************
第一、 磁片號非80h或81h，進入chs_mode
第二、 int13h,41h子功能，返回cf為0，進入進入chs_mode
第三、 int13h,41h子功能，返回bx不為aa55，進入chs_mode
第四、 如果沒有設置強制LBA，而且也不支持擴展第一子集，進入chs_mode
第五、 其他情況，進入lba模式。 *****************************************************************
那我們就先來分析進入chs模式的代碼，你看，我們是以以上種種情況的發生而進入chs模式的，所以進入chs模式時，再來進行一些檢測，來確定具體的情況。首先就是int13h的08功能號的使用。使用08功能可以檢測chs模式中硬碟的參數，保存在各寄存器裏： *****************************************************************
DL:本機軟碟驅動器的數目
DH:最大磁頭號（或說磁面數目）。0表示有1個磁面，1表示有2個磁面
CH:存放10位元磁軌柱面數的低8位（高2位在CL的D7、D6中）。1表示有1個柱面，2表示有2個柱面，依次類推。
CL:0~5位元存放每磁軌的磁區數目。6和7位元表示10位元磁軌柱面數的高2位。
AX=0
BH=0
BL表示驅動器類型：
1=360K 5.25
2=1.2M 5.25
3=720K 3.5
4=1.44M 3.5
ES:SI 指向軟碟參數表
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如果成功返回參數，則進入final_init函數；但是如果調用失敗，進位元標誌CF=1，AH存放錯誤資訊碼。表明不支援硬碟的chs模式（前面也判斷了不支持lba），那就要考慮是不是軟碟了。再使用testb和jz指令，若dl是00或01，則認為是軟碟，就跳轉到floppy_probe函數執行（後文討論此函數）。但是若連軟碟也不是，只好準備報錯了。跳轉到hd_probe_error函數，這個函數調用MSG函數連同general_error函數一道輸出“hard disk error”的字元。
好了，現在我們回來。剛開始經過一些列的判斷，我們進入了LBA模式。然後，代碼做了以下工作，movl 0x10（%si），%ecx，這個代碼就是個廢話，ecx寄存器被置入了一個無意義的值；然後將標號disk_address_packet處的位址賦給si，再接著將[si-1]記憶體處置1（也就是mode被置1，表示LBA擴展讀；如果是0，就是CHS定址讀）、將stage2的磁區數賦予ebx、在[si]和[si+1]處存放10和00（movw $0x0010,(si)）、在[si+2]和[si+3]處存放01和00、在[si+4]和[si+5]處存放00和00、在[si+6]和[si+7]處存放0x00和0x70（這是stage1_bufferseg的值）、在[si+8][si+9][si+A][si+B]處存放0x01/0x00/0x00/0x00、在[si+c][si+d][si+e][si+f]處存放0x00/0x00/0x00/0x00。設置完畢後，開始調用int 13h的42功能中斷。如果出錯，就跳轉到chs_mode處。那麼中斷執行成功呢？
由si及其偏移量指向的記憶體保存著磁片參數塊，如下： ******************************************************************
偏移量 大小 位數 描述
00h BYTE 8 資料塊的大小 (10h or 18h)
01h BYTE 8 保留，必須為0
02h WORD 16 傳輸資料塊數，傳輸完成後保存傳輸的塊數
04h DWORD 32 傳輸時的資料緩存位址
08h QWORD 64 起始絕對磁區號（即起始磁區的LBA號碼） ******************************************************************
所以，通過int13h（42）中斷的作用，硬碟上第二個磁區上的內容就被讀到由si偏移量為4h、5h、6h、7h確定的記憶體區域上了，此處是0x7000：0x0000。執行成功，將bx賦值0x7000，然後跳至copy_buffer子函數處。
LBA已完，gemfield在閱讀copy_buffer前再回頭看當初程式跳至chs_mode後是怎麼運行的。上文中已經指出了，到達chs_mode後經過條件判斷，一共產生了三種情況，第一是進入硬碟的chs子函數（final_init）；第二是進入軟碟副程式（floppy_probe）；第三種情況是進入報錯子函數，在螢幕上輸出一系列錯誤。那就由gemfield從第一種情況開始吧。程式運行到final_init後，將磁區數保存到si、設置mode為0、eax清零為存放磁頭數做準備、將dh中存放的磁頭數保存到al中、使用incw %ax指令（因為磁頭數是以0~n-1方式排列的，所以增1後才是真正的磁頭數）、將磁頭數保存至[si+4][si+5][si+6][si+7]記憶體位址上、清dx為存放磁區數做準備、cl中的0~5位元存放的是磁區數，所以dx邏輯左移2位元後在dh中出現的兩位就是柱面數的高2位，並且把這2位移到ah中，而ch存放的柱面數低8為移至al中，這樣ax裏就是柱面數了，這裏因為同樣的道理要進行incw %ax操作，並且把真正的柱面數放到位址為[si+8][si+9]的記憶體上、然後用同樣的移動方法產生真正的磁區數並保存在位址為[si][si+1][si+2][si+3]的記憶體上。
然後在使用int 13h（0x02）功能前要進行必備的參數設置：eax存放stage2的磁區編號（stage2_sector，默認為1）、清edx寄存器、然後通過（stage2磁區數）/（磁區數）獲得引導磁區數。注意對於div指令來說，eax恒定存放被除數，div後面的寄存器存放的是除數。餘數在edx中存放，第一個餘數（磁區數）放到位址為[si+10]的記憶體上並將edx清零、再用(上一步除法的商) /（磁頭數）得到的餘數為磁頭數，存放在[si+11]記憶體位址上。商為柱面數並存放在eax中並同時保存至[si+12][si+13]記憶體位址上。然後將之前中斷獲得的柱面數與此處stage2所占柱面數相比較，如果stage2柱面數大，那麼明顯錯誤，程式將跳至geometry_error處。
現在，將[si+13]的內容賦值給dl（柱面數的高2位）並且左移6位元、將磁區數放到cl中再增1、然後通過orb %dl，%cl和movb 12（%si），%dh指令達到這麼一種情況，即：cl中存放的是磁區數和柱面數的高2位，ch中存放的是柱面數的低8位、然後恢復驅動器號（popw %dx）、然後將磁頭數放置到dh中，然後將0x7000賦值給es並將bx清零，賦值0x0201給ax（獲得中斷功能號），參數現在設置完畢，開始調用int 13h中斷： ******************************************************************
%al = number of sectors（需要讀的磁區數）
%ah= 0x02（功能號）
%ch = cylinder（起始柱面數）
%cl = sector (bits 6-7 are high bits of "cylinder")
%dh = head
%dl = drive (0x80 for hard disk, 0x0 for floppy disk)
%es:%bx = segment:offset of buffer ******************************************************************
調用中斷後，將0柱面、0磁軌、2磁區的內容讀到0x7000：0x0000記憶體處。然後程式跳轉至copy_buffer處，和LBA殊途同歸呀。
我們看看copy_buffer做了什麼。將0x8000賦值給es、給cx賦值0x100、給ds賦值0x7000、si和di清零、方向標誌DF置零，然後使用rep和movsw指令將ds:si處連續的512位元組內容傳輸到es:di指定的記憶體位址（0x8000:0x0000）。其中，rep指令的含義就是重複執行後一句指令，沒執行一次。cx減1，直至cx為0。這也是前面cx賦值0x100（256）的原因。movsw每次傳輸一個字，256次就是512位元組。然後popw %ds; popa還原寄存器。
接著，程式跳轉到0x8000處繼續執行，到此就開始執行新的模組了，stage1的任務也已經結束了。代碼中*（stage2_address）的星號是at&t彙編的規範：絕對跳轉/調用（相對於與程式計數器有關的跳轉/調用）運算元前面要加星號"*"。
然而，前面所述的chs模式中的第二種情況——軟盤機情況將會帶領gemfield進入floppy_probe子函數，此處要使用int 13h（0x00功能號）來進行軟盤機的復位。成功的話cf=0；然後準備調用int 13h（功能號是0x02），這和chs中的int 13h，ah=0x02是一樣的。所以，先來為中斷準備必須的參數：軟盤機復位後，將[si]處的值賦給cl（cl是起始磁區數），我們知道，由於迴圈，我們給了cl 4次機會，因為迴圈中有incw %si指令，所以si中的值是遞增的，從probe_values開始，在每一次的機會中依次給cl賦予了0x24、0x12、0x0f、0x09這幾種值，當然，試完後還不對的話就要執行報錯函數了。
像以前那樣，依次準備好bx、ah、al、ch、cl、dh的值後，就要int 13h了。成功後，dh賦值1、ch賦值0x4f，dh 設置為 79 , 表示柱面最大值為 79(80柱:0~79)，dh 設置為 1 , 表示磁頭數最大值為 1(2頭:0~1)，然後跳轉至 final_init，在上文中關於final_init的分析 , 我們知道保存時會把柱面和磁頭分別加 1 , 磁區不變，因此 , 在軟碟載入時 , 將設置 Cylinder : Head : Sector = 80 : 2 : start_sector。最終就跳轉至final_init函數處執行了。
gemfield的本文中，依然要注意的還有為了相容性而設置的windows nt魔術頭標識的偏移、part_start作為標識的分區表起始位址的標記的偏移、以及引導磁區結束標誌0xaa55。
總的說來，在gemfield這篇稍顯淩亂的文章裏，主要介紹了stage1.s的使命，簡介來說，就是開機時首先被BIOS INT19H裝載到記憶體0x7c00處，然後判斷chs和lba模式，然後使用int13h中斷將磁片上第二磁區的內容讀到0x7000處，然後通過子函數copy_buffer再將其調到0x8000的位置上，這個第二磁區的內容就是以後gemfield的嵌入系統版塊中將要介紹的start.s模組。
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