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Pintos Loader.S 详解（九）：read_sector 函数

Pintos 引导加载程序中 read_sector 函数的实现，使用 BIOS 扩展读取功能从磁盘读取扇区。

发表于
作者 Zxsheather
19 分钟阅读
Pintos Loader.S 详解（九）：read_sector 函数

概述

read_sector 函数是引导加载程序的核心功能之一，负责从磁盘读取一个扇区（512 字节）到内存。它使用 BIOS 的扩展读取功能（Extended Read），支持 LBA 寻址，可以访问大于 8GB 的硬盘。

原始代码

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#### Sector read subroutine.  Takes a drive number in DL (0x80 = hard
#### disk 0, 0x81 = hard disk 1, ...) and a sector number in EBX, and
#### reads the specified sector into memory at ES:0000.  Returns with
#### carry set on error, clear otherwise.  Preserves all
#### general-purpose registers.

read_sector:
	pusha
	sub %ax, %ax
	push %ax			# LBA sector number [48:63]
	push %ax			# LBA sector number [32:47]
	push %ebx			# LBA sector number [0:31]
	push %es			# Buffer segment
	push %ax			# Buffer offset (always 0)
	push $1				# Number of sectors to read
	push $16			# Packet size
	mov $0x42, %ah			# Extended read
	mov %sp, %si			# DS:SI -> packet
	int $0x13			# Error code in CF
	popa				# Pop 16 bytes, preserve flags
popa_ret:
	popa
	ret				# Error code still in CF

前置知识

磁盘寻址方式

历史上有两种主要的磁盘寻址方式：

CHS（Cylinder-Head-Sector）寻址

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      柱面 (Cylinder)
         │
    ┌────┼────┐
    │ ┌──┼──┐ │     磁头 (Head)
    │ │  │  │ │     ↓
    │ │  │  │ │   ┌───┐
    │ │  ●──┼─┼───│ H0│  扇区 (Sector)
    │ │  │  │ │   ├───┤
    │ │  │  │ │   │ H1│
    │ └──┼──┘ │   └───┘
    └────┼────┘
  • 柱面：同一半径的所有磁道
  • 磁头：选择哪个盘面
  • 扇区：磁道上的具体位置

CHS 的限制：

  • 柱面: 10 位 (0-1023)
  • 磁头: 8 位 (0-255)
  • 扇区: 6 位 (1-63)
  • 最大: 1024 × 256 × 63 × 512 = 8.4 GB

LBA（Logical Block Addressing）寻址

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扇区 0    扇区 1    扇区 2    ...    扇区 N
┌────────┬────────┬────────┬─────┬────────┐
│   0    │   1    │   2    │ ... │   N    │
└────────┴────────┴────────┴─────┴────────┘
  • 扇区从 0 开始连续编号
  • 简单直观
  • 48 位 LBA 支持 128 PB

BIOS INT 13h 扩展

为了支持 LBA 和大硬盘，BIOS 提供了扩展磁盘服务：

AH 值功能
0x41检查扩展是否支持
0x42扩展读取（我们使用这个）
0x43扩展写入
0x44验证扇区
0x48获取驱动器参数

DAP（Disk Address Packet）

扩展读取使用一个叫 DAP 的数据结构来指定参数：

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偏移  大小  内容
────────────────────────────
0     1    数据包大小（16 或 24）
1     1    保留（必须为 0）
2     2    要读取的扇区数
4     2    缓冲区偏移
6     2    缓冲区段
8     8    起始 LBA 扇区号（64 位）

逐行详解

第 1 行：保存寄存器

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read_sector:
	pusha

保存所有通用寄存器。函数承诺不修改调用者的寄存器。

第 2-8 行：在栈上构建 DAP

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	sub %ax, %ax
	push %ax			# LBA sector number [48:63]
	push %ax			# LBA sector number [32:47]
	push %ebx			# LBA sector number [0:31]
	push %es			# Buffer segment
	push %ax			# Buffer offset (always 0)
	push $1				# Number of sectors to read
	push $16			# Packet size

这段代码在栈上构建 DAP 结构。由于栈是向下增长的，我们按逆序压入字段。

逐条分析：

  1. sub %ax, %ax：AX = 0，用于后续的零值

  2. push %ax (两次)：
    • 压入 LBA 的高 32 位（位 32-63）
    • 这里总是 0，因为我们不访问超大硬盘
  3. push %ebx：
    • EBX 包含要读取的扇区号（LBA 位 0-31）
    • 注意这是 32 位压栈
  4. push %es：
    • 缓冲区的段地址
    • 调用者已经设置好了
  5. push %ax：
    • 缓冲区偏移 = 0
    • 总是从段的开始读取
  6. push $1：
    • 读取 1 个扇区
  7. push $16：
    • DAP 大小 = 16 字节

栈上的 DAP 结构：

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      高地址
   ┌─────────────┐
   │   pusha 的  │
   │   寄存器    │
   ├─────────────┤
   │  LBA[48:63] │ = 0
   ├─────────────┤
   │  LBA[32:47] │ = 0
   ├─────────────┤
   │  LBA[0:31]  │ = EBX (扇区号)
   ├─────────────┤
   │   段地址    │ = ES
   ├─────────────┤
   │   偏移      │ = 0
   ├─────────────┤
   │   扇区数    │ = 1
   ├─────────────┤
   │   大小      │ = 16      ← SP 指向这里
   └─────────────┘
      低地址

第 9-11 行：调用 BIOS 扩展读取

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	mov $0x42, %ah			# Extended read
	mov %sp, %si			# DS:SI -> packet
	int $0x13			# Error code in CF

mov $0x42, %ah：

  • 选择扩展读取功能

mov %sp, %si：

  • 让 SI 指向栈顶（DAP 的开始）
  • BIOS 通过 DS:SI 访问 DAP
  • 由于 DS = 0，DS:SI = 0:SP = 栈上的 DAP

int $0x13：

  • 调用 BIOS 磁盘服务
  • 参数：
    • AH = 0x42（扩展读取）
    • DL = 驱动器号（调用者设置）
    • DS:SI = DAP 地址

返回值：

  • CF = 0：成功
  • CF = 1：失败，AH = 错误码

第 12 行：清理 DAP

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	popa				# Pop 16 bytes, preserve flags

这是一个巧妙的技巧！

popa 正常用于恢复寄存器，但这里用它来弹出 16 字节的 DAP：

  • DAP 大小 = 16 字节
  • popa 弹出 16 字节
  • 正好清理了 DAP

关键：popa 不影响标志寄存器，所以 CF（进位标志）保持 BIOS 设置的值。

寄存器会变吗？

会！popa 把 DAP 的数据当作寄存器值弹出。但没关系，因为：

  1. 下一条 popa 会恢复正确的寄存器值
  2. 这只是一个清理技巧

第 13-14 行：恢复寄存器并返回

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popa_ret:
	popa
	ret				# Error code still in CF

popa：

  • 恢复最初 pusha 保存的寄存器

ret：

  • 返回调用者
  • CF 仍然包含 BIOS 的返回状态

popa_ret 标签：

  • 这个标签被 putc 函数共享使用（见前一节）

内存和栈的变化

调用前

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参数:
- DL = 0x80 (硬盘 0)
- EBX = 100 (扇区号)
- ES = 0x2000 (目标段)

栈:
   [返回地址]  ← SP

执行后

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结果:
- ES:0000 (即 0x20000) 包含扇区 100 的内容
- CF = 0 (成功) 或 1 (失败)
- 所有寄存器恢复原值

DAP 字段详解

字段大小Pintos 中的值说明
大小1 字节16DAP 结构大小
保留1 字节0必须为 0（和大小字段一起压入）
扇区数2 字节1只读 1 个扇区
偏移2 字节0缓冲区偏移
段2 字节ES缓冲区段
LBA8 字节EBX扇区号（只用低 32 位）

为什么 LBA 是 64 位？

虽然 Pintos 只用 32 位（最大 2TB），但 BIOS 接口是 64 位的，所以高 32 位用 0 填充。

错误处理

常见错误码（AH 中返回）

错误码含义
0x00成功
0x01无效命令
0x02地址标记未找到
0x04扇区未找到
0x05重置失败
0x07驱动器参数活动失败
0x09DMA 越界
0x0A坏扇区标志
0x10ECC 数据错误
0x20控制器失败
0x40寻道失败
0x80超时
0xAA驱动器未就绪
0xBB未定义错误

调用者如何检查错误

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call read_sector
jc error_handler        # 如果 CF=1，跳转到错误处理
# 成功，继续...

为什么在栈上构建 DAP？

替代方案 1：静态分配

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# 静态 DAP
.data
dap:
    .byte 16        # 大小
    .byte 0         # 保留
    .word 1         # 扇区数
    .word 0         # 偏移
    .word 0         # 段 (需要填充)
    .long 0         # LBA (需要填充)
    .long 0

问题：

  • 浪费 16 字节宝贵的代码空间
  • 需要额外代码填充可变字段

替代方案 2：代码中嵌入

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mov $dap, %si
# ...填充 dap...
int $0x13

问题：

  • 仍然浪费空间
  • 代码更复杂

Pintos 方案

在栈上动态构建 DAP：

  • 不占用额外代码空间
  • 参数（ES, EBX）已经在寄存器中
  • 用 popa 清理，不需要手动调整 SP

两个 popa 的解释

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read_sector:
    pusha                   # (1) 保存寄存器，16 字节
    ...
    push ...                # 构建 DAP，16 字节
    push ...
    int $0x13
    popa                    # (2) 弹出 DAP，16 字节
popa_ret:
    popa                    # (3) 恢复寄存器，16 字节
    ret

栈的变化：

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调用后:
    [DAP 16字节]
    [寄存器 16字节]
    [返回地址]

第一个 popa 后:
    [寄存器 16字节]
    [返回地址]

第二个 popa 后:
    [返回地址]   ← 正确状态！

常见问题

Q1: 为什么用扩展读取而不是传统 INT 13h？

传统 INT 13h（AH=02h）使用 CHS 寻址，限制 8.4GB。扩展读取支持 LBA，可以访问任意大小的硬盘。

Q2: 如果 BIOS 不支持扩展读取怎么办？

非常老的 BIOS 可能不支持。但自从 1990 年代中期以来，几乎所有 BIOS 都支持。Pintos 假设支持。

Q3: 为什么每次只读一个扇区？

  • 简单
  • 兼容性好
  • 512 字节代码空间限制
  • 对于 Pintos 来说足够快

Q4: 能否读取多个连续扇区？

可以，只需修改 DAP 的扇区数字段。但需要：

  • 确保缓冲区足够大
  • 某些 BIOS 有单次传输限制

Q5: popa 把 DAP 弹到寄存器里，不会出问题吗？

不会，因为紧接着的第二个 popa 会恢复正确的寄存器值。第一个 popa 只是一个清理 16 字节的技巧。

性能考虑

每扇区一次 BIOS 调用

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读取 100 个扇区:
- Pintos: 100 次 INT 13h
- 优化版: 可能只需 1-2 次

每次 INT 13h 调用开销:
- 中断处理
- 模式切换（如果在保护模式）
- BIOS 初始化

对于引导加载程序，这种开销是可接受的。

传输速率

受限于：

  1. 硬盘物理速度
  2. BIOS 效率
  3. PIO 模式（没有 DMA）

典型速率：几 MB/s（足够引导）

练习思考

  1. 如果要读取 2 个扇区，需要修改哪里？缓冲区需要多大？

  2. 为什么 push $16 后紧跟的字节被设为 0？（提示：DAP 结构）

  3. 如果 EBX 超过 32 位能表示的范围（约 2TB），会发生什么？

  4. 能否用 add $16, %sp 代替第一个 popa 来清理 DAP？有什么区别？

  5. 为什么 popa_ret 标签被两个函数共享？

练习答案

点击查看答案 1

读取 2 个扇区的修改：

read_two_sectors:
    pusha
    sub %ax, %ax
    push %ax            # LBA [48:63]
    push %ax            # LBA [32:47]
    push %ebx           # LBA [0:31]
    push %es            # 缓冲区段
    push %ax            # 缓冲区偏移 = 0
    push $2             # 扇区数 = 2 ← 修改这里
    push $16            # 包大小 = 16
    mov $0x42, %ah
    mov %sp, %si
    int $0x13
    popa
    popa
    ret

缓冲区大小：

  • 2 个扇区 × 512 字节 = 1024 字节 = 1KB
  • ES:0x0000 到 ES:0x03FF

注意：

  • 某些 BIOS 对单次传输有限制（通常 127 扇区）
  • 缓冲区不能跨越 64KB 段边界
点击查看答案 2

DAP 结构的第二个字节必须为 0：

DAP 结构：

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偏移 0: 包大小 (16 或 24)
偏移 1: 保留 (必须为 0)
偏移 2: 扇区数
...

代码分析：

push $16            # 压入 16 位即时数

压入 16 位数到栈时：

  • 低字节 = 16 = 0x10（包大小）
  • 高字节 = 0（保留字段，正好为 0！）

内存布局：

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栈顶 → [10] [00] [01] [00] ...
          │    │    └────┴ 扇区数 = 1
          │    └─ 保留 = 0 ✓
          └─ 包大小 = 16

这是一个巧妙的副作用，节省了一次 push 操作。

点击查看答案 3

如果需要访问超过 2TB 的扇区，当前代码会失败：

  1. 问题分析：
    • EBX 是 32 位，最大值 2^32 - 1
    • 2^32 × 512 字节 = 2TB
    • DAP 的 LBA 字段是 64 位，支持更大
  2. 代码限制：
    push %ax      # LBA [48:63] = 0
push %ax      # LBA [32:47] = 0
push %ebx     # LBA [0:31] = 扇区号
    • 只使用了低 32 位
    • 高 32 位始终为 0
  3. 解决方案：
    # 使用 64 位 LBA
push %ecx     # LBA 高 32 位
push %ebx     # LBA 低 32 位
# ECX:EBX 合起来是 64 位扇区号
  4. 实际情况：
    • Pintos 的磁盘远小于 2TB
    • 在引导阶段不需要 64 位 LBA
    • 简化代码是合理的
点击查看答案 4

add $16, %sp 与 popa 的区别：

# 方案 A: 使用 popa
popa                # 1 字节

# 方案 B: 使用 add
add $16, %sp        # 4 字节 (83 C4 10 或 81 C4 10 00)

比较：

方面popaadd $16, %sp
字节数13-4
寄存器修改所有通用寄存器只修改 SP
标志不影响不影响

为什么 popa 更好：

  1. 节省 2-3 字节
  2. 不影响标志寄存器（CF 保持不变）
  3. 虽然修改了寄存器，但紧接着的第二个 popa 会恢复正确的值
点击查看答案 5

popa_ret 被 putc 和 read_sector 共享的原因：

  1. 两个函数都以相同方式结束：
    # putc 和 read_sector 的结尾
popa    # 恢复寄存器
ret     # 返回
  2. 节省代码空间：
    • 共享 2 条指令
    • 节省 2-3 字节
  3. 实现方式：
    putc:
    pusha
    # ... 操作 ...
    jmp popa_ret    # 跳转到共享代码
    # 或者直接掉落到 popa_ret

read_sector:
    pusha
    # ... 操作 ...
    popa            # 清理 DAP
popa_ret:
    popa            # 恢复寄存器
    ret
  4. 代码组织：
    • putc 和 read_sector 物理上相邻
    • putc 的结尾自然掉落到 popa_ret
    • 巧妙的代码布局

代码复习

完整的 read_sector 函数，带详细注释：

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# 读取一个磁盘扇区到内存
# 参数:
#   DL = 驱动器号 (0x80 = 第一个硬盘)
#   EBX = LBA 扇区号
#   ES:0 = 目标缓冲区
# 返回:
#   CF = 0 成功, CF = 1 失败
# 保留所有通用寄存器

read_sector:
    pusha                       # 保存所有寄存器

    # 在栈上构建 DAP (Disk Address Packet)
    sub %ax, %ax
    push %ax                    # LBA [48:63] = 0
    push %ax                    # LBA [32:47] = 0
    push %ebx                   # LBA [0:31] = 扇区号
    push %es                    # 缓冲区段
    push %ax                    # 缓冲区偏移 = 0
    push $1                     # 扇区数 = 1
    push $16                    # 包大小 = 16 字节

    mov $0x42, %ah              # 扩展读取
    mov %sp, %si                # DS:SI -> DAP
    int $0x13                   # 调用 BIOS

    popa                        # 弹出 DAP (16 字节)
                                # 注意: 不影响 CF

popa_ret:
    popa                        # 恢复寄存器
    ret                         # CF 包含结果

下一部分

最后，我们来看 loader.S 末尾的数据结构定义。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