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
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
;Reserved equ 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
作者：成宇佳
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