Pintos Loader.S 详解（三）：扫描硬盘分区

Pintos 引导加载程序扫描系统中所有硬盘的分区表，找到包含 Pintos 内核的可启动分区。

发表于 2026/01/21

作者 Zxsheather

18 分钟阅读

概述

这是引导加载程序中最复杂的部分。它的任务是扫描系统中所有硬盘的分区表，找到包含 Pintos 内核的可启动分区。

原始代码

#### Read the partition table on each system hard disk and scan for a
#### partition of type 0x20, which is the type that we use for a
#### Pintos kernel.

	mov $0x80, %dl			# Hard disk 0.
read_mbr:
	sub %ebx, %ebx			# Sector 0.
	mov $0x2000, %ax		# Use 0x20000 for buffer.
	mov %ax, %es
	call read_sector
	jc no_such_drive

	# Print hd[a-z].
	call puts
	.string " hd"
	mov %dl, %al
	add $'a' - 0x80, %al
	call putc

	# Check for MBR signature--if not present, it's not a
	# partitioned hard disk.
	cmpw $0xaa55, %es:510
	jne next_drive

	mov $446, %si			# Offset of partition table entry 1.
	mov $'1', %al
check_partition:
	# Is it an unused partition?
	cmpl $0, %es:(%si)
	je next_partition

	# Print [1-4].
	call putc

	# Is it a Pintos kernel partition?
	cmpb $0x20, %es:4(%si)
	jne next_partition

	# Is it a bootable partition?
	cmpb $0x80, %es:(%si)
	je load_kernel

next_partition:
	# No match for this partition, go on to the next one.
	add $16, %si			# Offset to next partition table entry.
	inc %al
	cmp $510, %si
	jb check_partition

next_drive:
	# No match on this drive, go on to the next one.
	inc %dl
	jnc read_mbr

no_such_drive:
no_boot_partition:
	# Didn't find a Pintos kernel partition anywhere, give up.
	call puts
	.string "\rNot found\r"

	# Notify BIOS that boot failed.  See [IntrList].
	int $0x18

前置知识

硬盘的基本结构

硬盘由多个扇区（Sector）组成，每个扇区通常是 512 字节。

硬盘结构：
┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐
│ 扇区 0  │ 扇区 1  │ 扇区 2  │ 扇区 3  │   ...   │ 扇区 N  │
│  (MBR)  │         │         │         │         │         │
└─────────┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────┘

什么是 MBR（主引导记录）？

MBR 是硬盘的第一个扇区（扇区 0），大小 512 字节，包含：

MBR 结构（512 字节）：
┌───────────────────────────────────────┐ 偏移 0
│                                       │
│          引导代码区                    │
│        （446 字节）                    │
│                                       │
├───────────────────────────────────────┤ 偏移 446
│          分区表项 1（16 字节）         │
├───────────────────────────────────────┤ 偏移 462
│          分区表项 2（16 字节）         │
├───────────────────────────────────────┤ 偏移 478
│          分区表项 3（16 字节）         │
├───────────────────────────────────────┤ 偏移 494
│          分区表项 4（16 字节）         │
├───────────────────────────────────────┤ 偏移 510
│       启动签名 0xAA55（2 字节）        │
└───────────────────────────────────────┘ 偏移 512

分区表项结构

每个分区表项 16 字节：

偏移	大小	内容	说明
0	1	启动标志	0x80=可启动, 0x00=不可启动
1	1	起始磁头	CHS 寻址（已过时）
2	2	起始扇区/柱面	CHS 寻址（已过时）
4	1	分区类型	标识分区内容类型
5	1	结束磁头	CHS 寻址（已过时）
6	2	结束扇区/柱面	CHS 寻址（已过时）
8	4	起始 LBA	分区起始扇区号
12	4	扇区总数	分区包含的扇区数

常见分区类型

类型码	含义
0x00	空/未使用
0x01	FAT12
0x04	FAT16 (< 32MB)
0x05	扩展分区
0x06	FAT16 (> 32MB)
0x07	NTFS / exFAT
0x0B	FAT32 (CHS)
0x0C	FAT32 (LBA)
0x0F	扩展分区 (LBA)
0x20	Pintos 内核
0x82	Linux swap
0x83	Linux 文件系统

BIOS 硬盘编号

编号	设备
0x00-0x7F	软盘（0x00=A:, 0x01=B:）
0x80	第一个硬盘
0x81	第二个硬盘
…	更多硬盘

逐行详解

阶段 1：开始扫描第一个硬盘

mov $0x80, %dl			# Hard disk 0.

将 DL 设置为 0x80，表示第一个硬盘。

阶段 2：读取 MBR

read_mbr:
	sub %ebx, %ebx			# Sector 0.
	mov $0x2000, %ax		# Use 0x20000 for buffer.
	mov %ax, %es
	call read_sector
	jc no_such_drive

逐行解释：

sub %ebx, %ebx：EBX = 0，表示要读取扇区 0（MBR）
mov $0x2000, %ax 和 mov %ax, %es：
- 设置 ES = 0x2000
- 实际缓冲区地址 = ES × 16 + 0 = 0x2000 × 16 = 0x20000
call read_sector：调用扇区读取函数（稍后详解）
- DL = 硬盘号
- EBX = 扇区号
- ES:0 = 缓冲区地址
jc no_such_drive：
- jc = Jump if Carry（如果进位标志为 1 则跳转）
- read_sector 在出错时设置进位标志
- 如果读取失败（比如硬盘不存在），跳转到错误处理

阶段 3：打印硬盘标识

	# Print hd[a-z].
	call puts
	.string " hd"
	mov %dl, %al
	add $'a' - 0x80, %al
	call putc

这段代码打印类似 “ hda”、” hdb” 的硬盘名称。

计算过程：

DL = 0x80（第一个硬盘）
AL = DL = 0x80
AL = AL + ('a' - 0x80)
AL = 0x80 + (0x61 - 0x80)
AL = 0x80 + (-0x1F)
AL = 0x61 = 'a'

所以：

0x80 → ‘a’（hda）
0x81 → ‘b’（hdb）
0x82 → ‘c’（hdc）
…

阶段 4：验证 MBR 签名

	# Check for MBR signature--if not present, it's not a
	# partitioned hard disk.
	cmpw $0xaa55, %es:510
	jne next_drive

这是什么？

检查 MBR 最后两个字节是否为 0xAA55。

cmpw $0xaa55, %es:510 解释：

cmpw：比较字（16 位 / 2 字节）
$0xaa55：立即数 0xAA55
%es:510：ES 段偏移 510 处的内存（即 0x20000 + 510）

为什么是 0xAA55？

这是 BIOS 定义的”有效引导扇区”签名。如果没有这个签名，说明这不是一个有效的分区表。

字节顺序（小端序）：

内存地址:  510    511
内容:      0x55   0xAA

作为 16 位字读取: 0xAA55（低字节在前）

阶段 5：遍历分区表

	mov $446, %si			# Offset of partition table entry 1.
	mov $'1', %al

SI = 446，指向第一个分区表项
AL = ‘1’，用于打印分区号

阶段 6：检查每个分区

check_partition:
	# Is it an unused partition?
	cmpl $0, %es:(%si)
	je next_partition

检查分区表项的第一个双字（4 字节）是否为 0。如果是 0，说明这个分区未使用。

	# Print [1-4].
	call putc

打印当前分区号（’1’、’2’、’3’ 或 ‘4’）。

	# Is it a Pintos kernel partition?
	cmpb $0x20, %es:4(%si)
	jne next_partition

检查偏移 4 处的分区类型是否为 0x20（Pintos 内核）。

cmpb：比较字节（8 位）
%es:4(%si)：ES 段 + SI + 4 处的字节

	# Is it a bootable partition?
	cmpb $0x80, %es:(%si)
	je load_kernel

检查启动标志是否为 0x80（可启动）。如果是，跳转到加载内核的代码。

分区表项内存布局：

%es:(%si)     → 启动标志（0x80 = 可启动）
%es:1(%si)    → 起始 CHS
%es:4(%si)    → 分区类型（0x20 = Pintos）
%es:8(%si)    → 起始 LBA（4 字节）
%es:12(%si)   → 扇区数（4 字节）

阶段 7：移动到下一个分区

next_partition:
	# No match for this partition, go on to the next one.
	add $16, %si			# Offset to next partition table entry.
	inc %al
	cmp $510, %si
	jb check_partition

add $16, %si：每个分区表项 16 字节，移动到下一个
inc %al：分区号加 1（’1’ → ‘2’ → ‘3’ → ‘4’）
cmp $510, %si：检查是否超过分区表范围
- 分区表：446 到 509（共 64 字节 = 4 × 16）
- 510 是签名位置
jb：Jump if Below（无符号小于则跳转）

阶段 8：移动到下一个硬盘

next_drive:
	# No match on this drive, go on to the next one.
	inc %dl
	jnc read_mbr

inc %dl：硬盘号加 1（0x80 → 0x81 → …）
jnc：Jump if No Carry（如果没有进位则跳转）
- 当 DL 从 0xFF 变成 0x00 时会产生进位
- 这意味着我们已经检查完所有可能的硬盘号

阶段 9：错误处理

no_such_drive:
no_boot_partition:
	# Didn't find a Pintos kernel partition anywhere, give up.
	call puts
	.string "\rNot found\r"

	# Notify BIOS that boot failed.  See [IntrList].
	int $0x18

如果找不到 Pintos 内核分区：

打印错误信息 “Not found”
调用 INT 18h 通知 BIOS 启动失败

INT 18h 的作用：

告诉 BIOS 当前设备启动失败，BIOS 可能会：

尝试从下一个启动设备启动
进入 BIOS 设置
显示 “No bootable device” 错误

\r 的作用：

\r 是回车符（Carriage Return），将光标移动到行首。这样 “Not found” 会覆盖之前打印的 “Pintos hdaX” 等信息。

执行流程图

flowchart TD
    A["DL = 0x80<br/>(第一个硬盘)"] --> B["读取扇区 0 (MBR)"]
    B --> C{读取成功?}
    C -->|失败| D[下一硬盘]
    C -->|成功| E["打印 'hdX'"]
    E --> F{签名是 0xAA55?}
    F -->|否| D
    F -->|是| G["SI = 446<br/>(第一个分区表项)"]
    G --> H{分区有效?<br/>第一字节 ≠ 0}
    H -->|否| L[SI += 16<br/>下一分区]
    H -->|是| I[打印分区号]
    I --> J{类型是 0x20?<br/>Pintos}
    J -->|否| L
    J -->|是| K{可启动 0x80?}
    K -->|否| L
    K -->|是| M[/"找到了!<br/>加载内核"/]
    L --> N{SI < 510?}
    N -->|是| H
    N -->|否| D
    D --> O["DL += 1"]
    O --> P{还有硬盘?}
    P -->|是| B
    P -->|否| Q["'Not found'<br/>INT 18h"]

实际输出示例

成功找到内核

Pintos hda1234
Loading...

表示：

检查了 hda（第一个硬盘）
检查了分区 1、2、3、4
在某个分区找到了内核并开始加载

内核在第二个硬盘

Pintos hda1234 hdb12
Loading...

表示：

hda 的 4 个分区都不是 Pintos 内核
在 hdb 的分区 2 找到了内核

未找到内核

Pintos hda1234 hdb1234
Not found

表示：

检查了所有硬盘和分区
没有找到 Pintos 内核分区

常见问题

Q1: 为什么只支持 4 个分区？

MBR 分区表只有 64 字节空间，每个分区表项 16 字节，所以最多只能有 4 个主分区。

如果需要更多分区，可以使用扩展分区，但 Pintos 的引导加载程序不支持。

Q2: 为什么使用 0x20 作为 Pintos 分区类型？

0x20 是一个未被主流操作系统使用的分区类型码。Pintos 选择它来标识自己的内核分区，避免与其他系统冲突。

Q3: 如果有多个 Pintos 分区会怎样？

代码会使用找到的第一个可启动的 Pintos 分区（启动标志为 0x80）。

Q4: CHS 和 LBA 有什么区别？

寻址方式	全称	说明
CHS	Cylinder-Head-Sector	旧式寻址，限制约 8GB
LBA	Logical Block Addressing	现代寻址，支持大硬盘

Pintos 使用 LBA 寻址，通过 BIOS 扩展读取功能（INT 13h, AH=42h）。

调试技巧

查看 MBR 内容

在 Linux 中可以用以下命令查看硬盘的 MBR：

sudo xxd -l 512 /dev/sda

查看分区表

sudo fdisk -l /dev/sda

练习思考

如果启动标志检查被删除（不检查 0x80），会有什么影响？
为什么要先检查分区是否有效（第一字节不为 0），再检查分区类型？
如果要支持超过 4 个主分区，需要如何修改代码？

练习答案

点击查看答案 1

如果删除启动标志检查（不检查 0x80），会有以下影响：

加载第一个找到的 Pintos 分区：
- 无论该分区是否被标记为可启动
- 可能加载一个不想启动的备份分区
失去选择能力：
- 如果有多个 Pintos 分区，无法通过启动标志选择
- 管理员不能通过 fdisk 等工具控制启动哪个分区
可能更方便：
- 对于只有一个 Pintos 分区的情况，不需要设置启动标志
- 简化分区配置

实际代码的检查：

cmpb $0x80, %es:(%si)    # 检查启动标志
je load_kernel           # 只有 0x80 才加载

如果删除这两行，会加载第一个类型为 0x20 的分区。

点击查看答案 2

先检查分区是否有效（第一字节不为 0）的原因：

效率优化：
- 空分区（第一字节为 0）根本不需要进一步检查
- 跳过空分区可以加快扫描速度
避免误判：
- 空分区表项可能包含随机数据
- 类型字段可能恰好是 0x20（巧合）
- 先检查有效性避免加载无效分区
逻辑正确性：
- 分区表项格式：第一字节是启动标志（0x00 或 0x80）
- 如果整个表项为空（从 0x00 开始），说明未使用
- 有效分区的启动标志要么是 0x00（不可启动）要么是 0x80（可启动）

实际代码：

cmpl $0, %es:(%si)       # 检查前 4 字节是否全为 0
je next_partition        # 空分区，跳过
# ... 后续检查分区类型

点击查看答案 3

支持超过 4 个主分区需要实现扩展分区支持：

理解扩展分区结构：
- 扩展分区（类型 0x05 或 0x0F）包含扩展引导记录（EBR）链
- 每个 EBR 包含一个逻辑分区和指向下一个 EBR 的指针

代码修改思路：

check_partition:
    # ... 原有检查 ...
    cmpb $0x05, %es:4(%si)  # 是扩展分区？
    je scan_extended
    cmpb $0x0f, %es:4(%si)  # 是 LBA 扩展分区？
    je scan_extended
    # ... 继续原有逻辑 ...

scan_extended:
    # 读取扩展分区的第一个 EBR
    mov %es:8(%si), %ebx    # 扩展分区起始 LBA
    # 保存扩展分区起始位置
    # 循环读取 EBR 链...

挑战：
- 需要更多代码空间（512 字节可能不够）
- EBR 链是递归结构，需要循环处理
- 需要保存状态（当前 EBR 位置、扩展分区起始等）
实际解决方案：
- 使用两阶段引导：第一阶段加载更大的第二阶段
- 或者使用 GRUB 等功能更强的引导加载程序

下一部分

找到 Pintos 内核分区后，接下来要将内核加载到内存。请参阅下一篇文章。

技术, Pintos

OS Pintos 汇编引导加载程序

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权