自己写一个内核（一）：最小引导扇区

自己写一个内核（一）：最小引导扇区

按下电源。

CPU 醒过来，干的第一件事不是加载操作系统——它先去跑 BIOS。BIOS 是焊在主板 ROM 里的程序，出厂写死，掉电不丢。它把硬件点一遍，然后把磁盘最开头的 512 字节搬进内存0x7c00，跳过去。

跳过去之后，跑的就是自己的代码了。

从这一秒起，这 512 字节就是全部地盘。这一篇要做的，就是在这块地盘上，让屏幕出现一个A。

后面还长：512 字节装不下东西，所以要读更多扇区；16 位模式不够用，所以要切保护模式；汇编写着太累，所以要换成 C。再往后还有分页、多任务。这条路从今天这 8 行汇编开始。

开工前：需要两样东西。

Linux 一行搞定：sudo apt install nasm qemu-system-x86（Fedora 用dnf）。

Windows 去 nasm.us 和 qemu.org 下载安装包，装完之后把安装目录加进 PATH 就行。另外 Windows 上没有make、rm这些命令，后面 Makefile 那一段跳过也可以，直接手敲那两条命令，效果一样。

验证：nasm -v和qemu-system-i386 --version，能打出版本号就成。

一、先看结果：屏幕上出现一个 A

代码就这几行：

[bits 16] [org 0x7c00] start: mov ah, 0x0e mov al, 'A' int 0x10 jmp $ times 510 - ($ - $$) db 0 dw 0xaa55

存成boot.asm，敲两条命令：

nasm-fbin boot.asm-oos.img qemu-system-i386-driveformat=raw,file=os.img

屏幕上出现一个A。

原理下面会一行一行讲，包括times和dw那两行。先把命令敲下去看一眼，再回来读，也来得及。

顺手把命令存起来（可以跳过）

不想每次手敲的话，可以建一个叫Makefile的文件：

AS = nasm QEMU = qemu-system-i386 all: os.img os.img: boot.asm $(AS) -f bin boot.asm -o os.img run: os.img $(QEMU) -drive format=raw,file=os.img clean: rm -f os.img

之后make就编译，make run就运行，make clean就清场。

规则只有一条：冒号前面是名字，冒号后面是它依赖的东西，命令写在下一行、用 Tab 开头。run: os.img的意思是"要跑run，得先有os.img"。

（rm那一行是 Linux 写法，Windows 下要用 Git Bash 或者 MSYS2 才能跑。）

二、这 8 行，一行一行看

[bits 16]：告诉汇编器，现在只有 16 位

CPU 刚上电是实模式，这个模式只认 16 位指令。这行是写给 nasm 看的，它不产生任何机器码，只是在说"接下来按 16 位编译"。

[org 0x7c00]：告诉汇编器，代码住在哪

先说0x是什么。

平时数数用十进制，逢十进一。电脑用十六进制，逢十六进一——数字只有 0 到 9 十个，不够十六个用，就拿字母顶上：A=10、B=11、C=12、D=13、E=14、F=15。

0x是记号，表示"后面这串是十六进制"。

换算看每个位的权重。从右往左，第一位是 1，第二位是 16，第三位是 256，第四位是 4096——每次乘 16：

0x7c00就是 BIOS 放代码的位置，这个地址是固定的。

而[org 0x7c00]的含义是：告诉 nasm"这段代码会被放在0x7c00"，后面所有跟地址有关的计算都从这个基点算起。

这一行在代码里没出现地址的时候，其实看不出效果。这一篇还没有地址，所以就算写错也不会有反应——它要等到下一篇读磁盘，才会真正开始起作用。

mov ah, 0x0e和mov al, 'A'：往格子里放数

指令干活得有地方放东西。CPU 里的格子叫寄存器，这一篇只用到两个：AH和AL。

它俩是AX的两半——AX是 16 位，可以拆成两个 8 位用，高的一半叫AH（H = High），低的一半叫AL（L = Low）。

这套名字不是乱码，是 Intel 定的规则：同一个家族，加宽就换前缀，拆半就加后缀。

四个宽度、四个家族，用"加宽换前缀、拆半加后缀"这一条基本就能对上号。（SI、DI、SP、BP 这几个是另一类，没有 8 位的一半，只有 16／32／64 三种宽度，用到的时候再说。）

mov就是 move，放数：

• mov ah, 0x0e：把 14 放进AH。
• mov al, 'A'：把字符 A 放进AL。

但 CPU 不认"A"这个形状，只认数字。美国人给字母排过号，叫 ASCII，大写A是 65。所以'A'这个写法，nasm 编译的时候会把它换成 65——写'A'、写0x41、写65，编出来是同一个东西。

回头看前面那张表：0x41 = 4×16 + 1 = 65。对上了。

int 0x10：喊 BIOS 干活

int是 interrupt，中断。执行到它，CPU 会跳去 BIOS 的 10 号中断服务程序——一段现成的代码，BIOS 里早就写好了。

这段代码干什么，是看约定的：

1. 先看AH里是几。0x0e表示"在光标处打印一个字符"。
2. 再看AL里是几。里面是0x41，也就是字符 A。
3. 于是把 A 写到屏幕上，然后跳回来，继续跑后面的代码。

所以前面那两条mov是在按 BIOS 的约定摆参数，int 0x10才是真正下命令。这个约定叫调用约定，后面每一步都要跟它打交道。

jmp $：原地打转

jmp是 jump，跳转。$表示"这一行自己的地址"，jmp $就是跳到自己头上，原地打转，永远停在这。

这句看着多余，其实省不得。少了它，CPU 执行完int 0x10会继续往下走，一路走进后面的数据区、走出这 512 字节，跑进一片不知道是什么的内存里，行为完全不可预料。

三、为什么必须正好 512 字节

代码到jmp $就完了。数一下刚才那四条指令编出来多少字节：

一共 8 个字节。

汇编是人看的写法，机器码是 CPU 读的东西。nasm 干的活就是查表翻译：每条汇编换成固定的一串字节，一条对一条，没有别的花样。规律很直白——编号加数据：

• B4是"往 AH 放数"的编号，0E是放进去的数
• B0是"往 AL 放数"的编号，41是那个 A
• CD是"中断"的编号，10是喊 10 号
• EB是"跳转"的编号，FE表示往回跳

8 字节，离 512 还差 504 个字节。而这 504 个字节不能空着——因为 BIOS 认不认这个扇区，是看末尾两个字节的。

最后两行就是干这个的：

times 510 - ($ - $$) db 0 dw 0xaa55

拆开看：

• $$是这一段代码的起始地址（这里就是0x7c00）
• $是当前地址（写到哪算到哪）

所以$ - $$就是"已经写了多少字节"。510 - ($ - $$)就是"还差多少能凑到 510"。而times N db 0的意思是"把db 0重复 N 遍"，也就是填 N 个零。

合起来：一直填零，填到第 510 个字节为止。

然后dw 0xaa55写下去两个字节，正好把第 510、511 两格占满，凑出完整的 512。

0xaa55这两个字节在磁盘上按小端存放，实际写进去的顺序是55 AA。BIOS 读磁盘第一个扇区，只看最后两字节是不是55 AA：

• 是→ 把这 512 字节搬到0x7c00，跳进去执行
• 不是→ 当这里没有可启动的东西，跳过

这样两行的分工就清楚了：

• times ...：撑满 512 字节，少一个字节扇区就不完整
• dw 0xaa55：贴合格证，没有它 BIOS 根本不理

这就是"引导扇区"这四个字的全部含义：正好 512 字节，末尾必须是 55 AA，放在磁盘最开头。

四、三处容易出岔子的地方

一、少了jmp $。CPU 会继续往下冲进数据区，结果不可预料。这是最隐蔽的一处——它不会报错，是直接跑飞。

二、少了times或者dw 0xaa55。少任何一个，BIOS 都不认。表现不是黑屏，而是明确提示找不到可启动设备。看到这句提示，回到这一节查就行。

三、[org]写错。这一篇还看不出来，下一篇一开始读磁盘，所有地址会整体错位。先留个印象就好。

五、万一没出现 A

这种情况先不急着改代码。分清是文件不对还是代码不对——这是两件事，分开查快得多。

先看文件

stat-c%s os.img

应该输出512。不是 512，问题就在times或dw那两行。

再看末尾两个字节：

od-Ax-tx1z os.img|tail-2

0001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa >..............U.< 000200

第一列是地址：0x1f0是第 496 字节，往后数 14 个零正好到第 510 字节——然后55 aa。只要最后两字节不是55 aa，BIOS 就不会理。

（顺便，hexdump在一些精简的 Linux 上默认没装。od是 coreutils 自带的，任何 Linux 上都有，所以这里用od。想看纯十六进制可以用od -A x -t x1 os.img | tail -2。）

再看 QEMU 说了什么

QEMU 启动时不会一声不吭：

• 它打印了找不到启动设备之类的话→ 它没认 55 AA，回上一步。
• 它什么都没说，窗口停在那→ 它认了，问题在代码本身。

最后进内存看

想看更细的，把 QEMU 的监视器挂上：

qemu-system-i386-driveformat=raw,file=os.img-monitorstdio

出现(qemu)提示符后，依次敲：

xp/2hx 0x7dfe → 看那两格，应该是 0xaa55 xp/8xb 0x7c00 → 看机器码，应该是 8 个字节 xp/4hx 0xb8000 → 看显存最开头（BIOS 的横幅）

正常的话，第一条会回：

00007dfe: 0xaa55 0x0000

第二条会回：

00007c00: 0xb4 0x0e 0xb0 0x41 0xcd 0x10 0xeb 0xfe

这 8 个字节，就是前面那张表里的机器码，原样躺在内存里。看到这一行，说明编译没问题、加载地址也没问题。剩下要查的就只有代码逻辑了。

A 到底出现在哪

它其实不在屏幕左上角。

在 QEMU 里跑起来，屏幕上完整的样子是这样：

0 |SeaBIOS (version 1.17.0-debian-1.17.0-1) 1 | 2 | 3 |iPXE (https://ipxe.org) 00:03.0 CA00 PCI2.10 ... 4 | ... 7 |Booting from Hard Disk... 8 |A ← 打印出来的 A 在这里

BIOS 先打了自己的横幅，把光标推到了第 7 行末尾；回车换行后光标落到第 8 行，A就打印在光标当前的位置。

所以它是贴着左边，但不是第一行。照"左上角"去找，第一眼容易以为没成功；沿着最左边一列往下看会快一些。

屏幕是可以直接读出来的

屏幕上有什么，显存里就有什么。

文本模式下，显存从物理地址0xB8000开始，屏幕上每个字符占 2 个字节：低字节是字符的 ASCII 号，高字节是颜色。所以 80×25 的一屏正好是 4000 字节。

在 QEMU 监视器里敲：

xp/4hx 0xb8000

会回：

000b8000: 0x0753 0x0765 0x0761 0x0742

这四个值就是 BIOS 横幅的头四个字符——一个值 = 一个字符 + 它的颜色：

拼起来就是SeaB。

想直接看那个A：它在行 8 列 0，换算地址是0xB8000 + (8×80 + 0)×2 = 0xB8500，敲xp/4hx 0xb8500，第一个值就是0x0741。

手算地址比较麻烦。下面这个脚本把整屏打出来，还顺便标出字符在第几行第几列：

python3 看屏幕.py os.img

脚本全文放在文末附录里。后面开始写滚动输出、控制光标的时候，某个字符到底落在哪一格会经常需要确认——眼睛估不准，读显存是准的。

六、下一段路

512 字节，8 行汇编，屏幕上一个A。

这是和这台机器说的第一句话。

但 512 字节实在太小——装不下一个内核，甚至装不下几句像样的话。所以下一篇只有一件事：怎么把磁盘上更多的代码读进来。这就是"两段式引导"。

路已经开了，接着走。

下一篇见。

附录：看屏幕.py

在 QEMU 窗口里看一眼，能看出A有没有出来。这个脚本处理的是另一类问题：这个A究竟落在第几行第几列、颜色属性是什么、它后面那一格是不是空的——这些眼睛估不准，读内存是准的。

文本模式下，屏幕内容就铺在物理地址0xB8000上，一个字符两个字节。

这个脚本就干一件事：起一次 QEMU，把0xB8000那一屏抠出来，翻译成文字打出来。

存成看屏幕.py，和os.img放在同一个目录，然后运行：

python3 看屏幕.py os.img

跑出来是这样：

0 |SeaBIOS (version 1.17.0-debian-1.17.0-1) 1 | 2 | 3 |iPXE (https://ipxe.org) 00:03.0 CA00 PCI2.10 ... 4 | ... 7 |Booting from Hard Disk... 8 |A ... 24 | 按 ASCII 号找字符（A = 0x41）： 'A' -> 行 8 列 0，显存地址 0xB8500，颜色 0x07

最后那行是重点：不用去找、不用去数，它直接说出字符在第几行第几列。后面写终端程序，判断"写对没有"就靠它。

脚本只用到 Python 自带的模块，不需要额外安装。

#!/usr/bin/env python3# -*- coding: utf-8 -*-"""把 QEMU 里的屏幕内容原样打出来。 用法： python3 看屏幕.py os.img # 启动 os.img，等 6 秒，打印屏幕 python3 看屏幕.py os.img 10 # 启动慢就调大等待秒数 原理：文本模式下，屏幕上的每个字符就摆在显存里，物理地址从 0xB8000 开始。 每个字符占 2 字节——低字节是字符的 ASCII 号，高字节是颜色属性。 所以 80x25 的一屏 = 80 * 25 * 2 = 4000 字节。 屏幕内容就在这块内存里，可以直接读出来。 """importosimportshutilimportsubprocessimportsysimporttime IMG=sys.argv[1]iflen(sys.argv)>1else"os.img"WAIT=float(sys.argv[2])iflen(sys.argv)>2else6.0VGA=0xB8000COLS,ROWS=80,25SIZE=COLS*ROWS*2# 不同平台、不同安装方式给出的可执行文件名不一样，挨个试一遍QEMU=next((namefornamein("qemu-system-i386","qemu-system-i386.exe","qemu-system-x86_64","qemu-system-x86_64.exe")ifshutil.which(name)),None,)defdump(img,wait,workdir):"""起 QEMU，把显存抠成一个文件，返回文件路径。"""proc=subprocess.Popen([QEMU,"-drive","format=raw,file="+os.path.abspath(img),"-display","none","-monitor","stdio"],cwd=workdir,stdin=subprocess.PIPE,stdout=subprocess.PIPE,# 监视器的回显也收走，别弄脏输出stderr=subprocess.PIPE,# QEMU 的报错要接住，不然出错时只剩一句含糊提示)time.sleep(wait)# 等它启动完，把 A 打出来ifproc.poll()isnotNone:# QEMU 自己先退了：路径错、参数错都会这样sys.exit("QEMU 启动后就退出了：\n"+proc.stderr.read().decode("utf-8","replace"))# pmemsave 的文件名用相对路径——绝对路径会被监视器当成表达式解析而报错。# 因为 cwd 已经设成了 workdir，写相对名就等于落在那里。proc.stdin.write(("pmemsave 0x%x %d vga.bin\nquit\n"%(VGA,SIZE)).encode())proc.stdin.flush()try:proc.wait(timeout=15)exceptsubprocess.TimeoutExpired:proc.kill()out=os.path.join(workdir,"vga.bin")ifnotos.path.exists(out):sys.exit("没拿到显存。QEMU 说：\n"+proc.stderr.read().decode("utf-8","replace"))returnoutdefmain():ifQEMUisNone:sys.exit("PATH 里没找到 qemu-system-i386。装好之后确认安装目录加进了 PATH，\n""验证办法：命令行敲 qemu-system-i386 --version，能出版本号就行。")ifnotos.path.exists(IMG):sys.exit("找不到 %s"%IMG)# 在 os.img 所在目录里干活：%TEMP% 里带中文时，QEMU 在 Windows 上可能写不进去workdir=os.path.dirname(os.path.abspath(IMG))path=dump(IMG,WAIT,workdir)data=open(path,"rb").read()cells=[(data[i],data[i+1])foriinrange(0,len(data)-1,2)]forrinrange(ROWS):line="".join(chr(c)if32<=c<127else"."forc,_incells[r*COLS:(r+1)*COLS])print("%2d |%s|"%(r,line))print()print("按 ASCII 号找字符（A = 0x41）：")fori,(c,a)inenumerate(cells):ifc==0x41:r,col=divmod(i,COLS)print(" 'A' -> 行%2d 列%2d，显存地址 0x%05X，颜色 0x%02x"%(r,col,VGA+i*2,a))os.remove(path)if__name__=="__main__":main()