自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——11.MBR介绍

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。

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前面我们介绍过电脑的启动过程：

上电->BIOS->MBR(boot)->loader->kernel->交互界面（图形/命令行）

本讲我们要介绍的是MBR（Master Boot Record，主引导记录）。在电脑中对磁盘的读写是按扇区为基本单位的，一般每个扇区为512个字节。也就是说每读一次磁盘，读取的字节数是512字节的整数倍。同样每写一次磁盘，写入的字节数也是512字节的整数倍。MBR是磁盘的第一个扇区，又叫做主引导扇区，特点是最后2个字节的内容必须是0x55和0xAA。

下面我们来做几个实验来加深对MBR的了解。

1.不加载虚拟磁盘启动QEMU

Windows键+R键打开运行窗口，输入cmd并回车打开命令行窗口。

在命令行中输入qemu-system-i386并回车：

此时会打开QEMU窗口：

注意最后会输出一行话“No bootable device.”，意思是没有可引导启动的设备。

2.创建空虚拟硬盘

在CentOS中我们输入如下一行命令：

dd if=/dev/zero of=/media/VMShare/GrapeOS.img bs=1M count=4

dd命令简单来说是一个复制命令。参数if是指input file输入文件，参数of是指output file输出文件，意思就是将输入文件复制到输出文件中。这里的输入文件/dev/zero是Linux中的一个特殊文件，它可以提供无限的零。参数bs表示一次复制多少字节数据，也就是一个数据块的大小，count表示复制多少个块。bs乘以count表示总共复制多少数据，我们这里总共复制1M?4=4M数据。运行上面这行命令的结果就是生成了一个4M大小的文件GrapeOS.img，该文件中每个字节都是0。截图如下：

由于GrapeOS.img是在Windows和CentOS的共享文件夹中，所以我们在Windows也能看到：

每个字节都是0的文件也叫空白文件，我们下面用hexdump命令来验证一下：

hexdump GrapeOS.img -C

从上面的截图可以看到GrapeOS.img这个文件中每个字节都是0。

3.加载空虚拟硬盘启动QEMU

在cmd命令行中输入如下命令：

qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img

上面这行命令是为QEMU指定虚拟硬盘文件并启动QEMU。截图如下：

从上面截图可以看到，虽然给QEMU指定了虚拟硬盘，但最后的提示还是“No bootable device.”

4.将虚拟硬盘的第一个扇区变为MBR

我们在Lesson11文件夹下新建文件mbr.asm，并输入如下代码：

;生成一个空的MBR
times 510 db 0 ;前510个字节全为0
db 0x55,0xaa   ;最后两个字节是0x55和0xaa。

在VSCode中的截图如下：

使用nasm汇编器汇编：

nasm mbr.asm -o mbr.bin

从上面的截图我们看到，生成了一个叫mbr.bin的文件，大小为512字节。下面来看一下mbr.bin文件中的数据：

hexdump mbr.bin -C

从上图可以看到mbr.bin文件中共512字节，除最后2个字节是0x55和0xaa，其它字节都是0。
下面我们将mbr.bin写入到虚拟硬盘文件的头512个字节中：

dd conv=notrunc if=mbr.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img

上面这里命令中多了个参数conv=notrunc，表示不截断。如果不写该参数，执行完命令，GrapeOS.img就只剩512字节了。
执行完上面这行命令，我们验证一下是否写入成功：

hexdump /media/VMShare/GrapeOS.img -C

从上面截图可以看到总共4MB的文件，其中第511个字节为0x55,第512个字节0xaa，其它字节都为0。此时虚拟硬盘GrapeOS.img中第一个扇区已经是MBR了。

5.加载带MBR的虚拟硬盘启动QEMU

在cmd命令行中输入和刚才一样的命令：

qemu-system-i386 d:\GrapeOS\VMShare\GrapeOS.img

截图如下：

从上面的截图中可以看到，在QEMU中的提示信息已经和刚才不一样了。最后一行显示的是“Booting from Hard Disk...”，意思是从硬盘启动中，也就是说程序已经从BIOS跳转到MBR了。

通过上面的实验我们证明只要磁盘第一个扇区中的最后两个字节是0x55和0xaa，BIOS就会认为该扇区是一个有效的MBR，同时认为该磁盘是一个有效的启动项。
如果大家的实验做到这里会发现CPU占用率高，如果是笔记本电脑能听到CPU风扇呼呼的转。这是因为CPU跑飞了，我们后面会解决这个问题。

本讲小结：BIOS将电脑的控制权交棒给了MBR，我们可以在MBR中写程序，MBR是我们程序的起点，之后电脑的运行都由我们来控制。

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