FAT32文件系统启动扇区的实现


看了于渊写的《自己动手写操作系统》后，想把启动代码由软盘FAT12文件系统迁移到硬盘FAT32文件系统中，毕竟目前软盘几乎已经不再使用了，而硬盘和U盘是主流。基本想法是在实模式下，使用汇编代码，读取硬盘MBR，分析硬盘分区表，找到第一个FAT32活动分区，分析FAT32分区，在该分区中找到OSLOADER.BIN文件，将该OSLOADER.BIN文件加载到内存指定地址，将执行权交给OSLOADER.BIN。

环境：
Ubuntu 14.04
bochs

背景知识：
MBR，即硬盘主引导记录，是硬盘的第一个扇区，MBR扇区共512字节，前446字节为引导代码，之后64字节是分区表项，最后两字节是有效标志0xAA55，即MBR结构如下：
 0x0000~0x01BD: 主引导程序
 0x01BE~0x01FD:主分区表
 0x01FE~0x01FF:有效标记,0xAA55

主分区表由4项组成，每项16字节，共64字节，每项描述一个分区的基本信息。
16字节分区表项结构：
0x00：引导指示符，指明该分区是否是活动分区
0x01：开始磁头
0x02：开始扇区，只用了0~5位，后面2位被开始柱面所使用
0x03：开始柱面，使用了开始扇区的最后2位，共10位，最大值1023
0x04：系统ID，定义了分区的类型
0x05：结束磁头
0x06：结束扇区，只使用了0~5位，最后2位被结束柱面所使用
0x07：结束柱面，使用了结束扇区的最后2位，共10位，最大值为1023
0x08：从该磁盘开始到该分区的开始的位移量，以扇区为单位，即相对扇区数
0x0C：该分区的总扇区数

FAT32文件系统
在FAT32分区的第一个扇区里，记录了FAT32分区的相关参数，如FAT表之前的保留扇区数，FAT表个数，FAT表占用的扇区数，每簇占用的扇区数，根目录所在的簇号等等。其结构如下：
0x00~0x02：3字节，跳转指令
0x03~0x0A：8字节，文件系统标志和版本号
0x0B~0x0C：2字节，每扇区字节数
0x0D~0x0D：1字节，每簇扇区数
0x0E~0x0F：2字节，保留扇区数，即FAT1相对于分区起始地址的扇区数
0x10~0x10：1字节，FAT表个数，通常为2
0x11~0x12：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为根目录中目录的个数
0x13~0x14：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为扇区总数
0x15~0x15：1字节，哪种存储介质，0xF8标准值，可移动存储介质，常用的 0xF0
0x16~0x17：2字节，FAT32必须为0，FAT12/FAT16为一个FAT 表所占的扇区数。
0x18~0x19：2字节，每磁道扇区数，只对于有“特殊形状”（由磁头和柱面每 分割为若干磁道）的存储介质有效
0x1A~0x1B：2字节，磁头数，只对特殊的介质才有效
0x1C~0x1F：4字节，EBR分区之前所隐藏的扇区数
0x20~0x23：4字节，文件系统总扇区数
0x24~0x27：4字节，每个FAT表占用扇区数
0x28~0x29：2字节，标记，此域FAT32 特有
0x2A~0x2B：2字节，FAT32版本号0.0，FAT32特有
0x2C~0x2F：4字节，根目录所在第一个簇的簇号，通常情况下还是起始于2号簇
0x30~0x31：2字节，FSINFO（文件系统信息扇区）扇区号1，该扇区为操作系统提供关于空簇总数及下一可用簇的信息
0x32~0x33：2字节，备份引导扇区的位置。备份引导扇区总是位于文件系统 的6号扇区
0x34~0x3F：12字节，用于以后FAT 扩展使用
0x40~0x40：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
0x41~0x41：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
0x42~0x42：1字节，扩展引导标志，0x29。与FAT12/16 的定义相同，只不过 两者位于启动扇区不同的位置而已
0x43~0x46：4字节，卷序列号。通常为一个随机值
0x47~0x51：11字节，卷标（ASCII码），如果建立文件系统的时候指定了卷标，会保存在此
0x52~0x59：8字节，文件系统格式的ASCII码，FAT32
0x5A~0x1FD：90~509共410字节，未使用。该部分没有明确的用途
0x1FE~0x1FF：签名标志0xAA55

FAT表
FAT表记录某个簇是否被使用，每个表项占用4个字节。由于簇号起始于2号，所以FAT表项的0号表项与1号表项不与任何簇对应。FAT32的0号表项值总是“F8FFFF0F”， 1号表项可能被用于记录脏标志，以说明文件系统没有被正常卸载或者磁盘表面存在错误。不过这个值并不重要。正常情况下1号表项的值为“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。
如果某个簇未被分配使用，它对应的FAT表项内容为0；
当某个簇已被分配使用，则它对应的FAT表项内的FAT表项值也就是该文件的下一个存储位置的簇号。如果该文件结束于该簇，则在它的FAT表项中记录的是一个文件结束标记，对于FAT32而言，代表文件结束的FAT表项值为0x0FFFFFFF。
如果某个簇存在坏扇区，则整个簇会用0xFFFFFF7标记为坏簇，这个坏簇标记就记录在它所对应的FAT表项中。

FAT32根目录区，每个目录表项占用32字节，对于短文件名而言，32字节已足够，对于长文件名将使用多个目录表项，具体可参考其他文章。
FAT32短文件目录结构：



以上是MBR，主分区表和FAT32分区信息的简要介绍，有了以上信息就可以通过汇编语言将FAT32中的文件读到内存中，并跳转到该文件去执行。

建立实验环境：
在Ubuntu系统中使用bochs工具bximage生成一块100M的虚拟硬盘文件c.img
对c.img进行分区，这里只分一个区就行了
对c.img的分区进行格式化，使用mkfs.vfat将分区格式化为FAT32文件系统
挂载该FAT32分区，将osloader.bin文件复制到该分区

我们用汇编实现FAT32启动扇区，其主要流程是：

计算机启动，将MBR扇区加载到内存地址0x7c00处执行，其中MBR扇区的前446字节是我们写的汇编代码。首先调用INT 13获取磁盘参数，然后分析主分区表，找到第一个活动分区，即分区表项第一个字节为0x80的分区，通过INT 13读取 该分区的第一个扇区，获取FAT32分区参数，然后检索FAT32根目录，寻找OSLOADER.BIN文件所占用的簇，读取该文件到内存指定地址，跳转到该地址继续执行。