自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——13.向MBR中写入程序

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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前面铺垫了这么久，今天终于开始写程序了。本讲将介绍3个逐步深入但非常简单的程序，一方面是让大家熟悉开发流程，另一方面是顺便解决前面遇到的CPU占用率高的问题。

一、mbr1.asm回顾

mbr1.asm的代码之前我们介绍过，这里我们回顾一下代码和演示步骤。
mbr1.asm代码如下：

;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。

下面我们来演示：

1.启动并登录CentOS

在VirtualBox中启动CentOS虚拟机，并用PowerShell登录到CentOS虚拟机。

2.创建空虚拟硬盘

如果没有虚拟硬盘或想重新创建一个空的虚拟硬盘，执行下面这条语句：

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

截图如下：

在上面截图中，用hexdump命令查看生成的虚拟硬盘文件GrapeOS.img，可以看到每个字节都是0，符合预期。

3.汇编mbr1.asm

nasm mbr1.asm -o mbr1.bin

截图如下：

在上面截图中，用hexdump命令查看生成的mbr1.bin，共512个字节，前510个字节都是0，最后两个字节是0x55和0xaa，符合预期。

4.将mbr1.bin写入到虚拟硬盘中

dd conv=notrunc if=mbr1.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img

截图如下：

在上面截图中，我们同样用hexdump命令验证，看到的确是将mbr.bin写入到虚拟硬盘的第一个扇区中了。

5.启动QEMU

在Windows的cmd命令行中运行如下命令：

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

从截图上可以看到，运行结果和之前的一样。回顾到此为止，下面来解决CPU占用率高的问题。

二、CPU占用率高的原因

前面我们介绍过，在QEMU+GDB调试中，反编译16位代码是有问题的，下面来介绍另一种反编译方法。nasm汇编器自带了一个反汇编工具叫ndisasm，下面我们来反汇编mbr1.bin。

ndisasm mbr1.bin

截图如下：

从截图中可以看到两个0字节正好是一条汇编指令“add [bx+si],al”，最后的2个字节0x55和0xaa也正好是指令“push bp”和“stosb”。但这些都不是我们要写的程序，只是这些二进制数正好是某条机器指令。从BIOS跳转到0x7c00地址后，无论此处是什么样的二进制数，CPU都会把它当作指令一条一条的执行。当执行完这512字节，会继续执行后面内存中的数据。而后面内存中的数据是不确定的，CPU就会乱执行半天，而且也没有意义，这就是程序跑飞了。下面我们先来解决程序跑飞的问题。

三、mbr2.asm阻止程序跑飞

1.程序讲解

mbr2.asm代码如下：

jmp $ ;$表示当前行的地址
times 510-($-$$) db 0 ;$$表示段开始的地址，$-$$表示当前行前面的代码占用的字节数。
db 0x55,0xaa

在Linux命令行中执行如下命令：

nasm mbr2.asm -o mbr2.bin
hexdump mbr2.bin -C
ndisasm mbr2.bin

从上面截图中可以看到“jmp $”生成的机器码是“0xeb,0xfe”，其中0xeb是操作码，0xfe是操作数。这条指令中的操作数是当作有符号数处理的，0xfe换算成十进制数是“-2”（负2）。而这条指令共2个字节，当CPU读取完这条指令后寄存器ip的值会加2，执行完这条指令后，寄存器ip的值会加负2。这样的话CPU就会不断的重复执行这条指令，程序就不会跑飞了。

2.程序演示

下面我们将mbr2.bin写入到虚拟硬盘的第一个扇区。

dd conv=notrunc if=mbr2.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img
hexdump /media/VMShare/GrapeOS.img -C

然后用调试模式观察一下。

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

前面我们介绍过，这里GDB是按32位反汇编的，16位反汇编是有问题的。但有些汇编代码在16位和32位下生成的机器码是一样的，比如这里的jmp $。所以这里的反汇编也可以适当参考一下。从上面截图上可以看到，每次单步运行后，程序地址仍然停留在0x7c00。这就是通过死循环来防止程序跑飞的办法。
下面我们来删除断点，让程序正常运行。
首先来查看断点：

(gdb) i b

删除断点：

(gdb) d 断点编号

然后让程序继续运行：

(gdb) c

截图如下：

mbr2.asm虽然解决了程序跑飞的问题，但CPU占用率仍然高，笔记本风扇还是呼呼的转。下面我们来彻底解决这个问题。

四、mbr3.asm彻底解决CPU占用率高的问题

mbr3.asm的代码如下：

stop:
hlt ;使CPU暂停运行，直到有中断发生。（降低CPU使用率）
jmp stop 

times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

上述代码主要用了一个hlt指令，让CPU暂停，如果有中断发生，会执行下一行jmp stop，然后又执行hlt。这样不仅防止了程序跑飞，而且降低了CPU使用率。
有了前面的基础，我们这次编译运行一气呵成。
在Linux命令行中执行：

nasm mbr3.asm -o mbr3.bin
dd conv=notrunc if=mbr3.bin of=/media/VMShare/GrapeOS.img

在Windows命令行中执行：

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

截图如下：

从上图任务管理器中可以看到，QEMU的CPU占用率已经降下来了。

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