1. 引言

經(jīng)過(guò)一系列的文章，我們終于完成了從實(shí)地址模式跳轉(zhuǎn)到保護(hù)模式，并且實(shí)現(xiàn)了分段、分頁(yè)以及保護(hù)模式下的中斷與異常機(jī)制。
保護(hù)模式究竟“保護(hù)”了什么

可是我們除了最初的時(shí)候，在磁盤第一個(gè)扇區(qū)寫入一段代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)最初“hello world”，此后，我們就一直用 DOS 來(lái)拉起我們的“操作系統(tǒng)”，那么，你是不是有種不夠盡興的感覺？明明說(shuō)好要寫自己的操作系統(tǒng)，卻要用別人的操作系統(tǒng)來(lái)引導(dǎo)，我們能不能自己寫一個(gè)引導(dǎo)區(qū)呢？
答案當(dāng)然是可以的，編寫一個(gè)引導(dǎo)區(qū)看起來(lái)是如此的容易，只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的文件，里面指定被載入內(nèi)存的初始地址，然后在引導(dǎo)扇區(qū)的代碼中先將這個(gè)新的文件內(nèi)容載入內(nèi)存，再用一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)過(guò)去即可。
而這個(gè)“新的文件”就被稱為操作系統(tǒng)的 loader，他負(fù)責(zé)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作，然后從實(shí)地址模式跳轉(zhuǎn)到保護(hù)模式，再加載內(nèi)核。

2. 磁盤的基本概念

既然要讓引導(dǎo)扇區(qū)找到磁盤上的文件，那我們首先要來(lái)看看磁盤空間是如何構(gòu)成的。
通常，磁盤擁有遠(yuǎn)大于內(nèi)存的容量，要想合理利用這些容量，就需要將他們進(jìn)行劃分，讓數(shù)據(jù)能夠在各自的區(qū)域內(nèi)，從而方便迅速定位數(shù)據(jù)。

2.1. 磁道、柱面和磁頭數(shù)

如圖所示，我們可以將硬盤看做是多個(gè)光盤的組合，而每個(gè)“光盤”都被稱為一個(gè)“盤片”，由于盤片位于硬盤盒內(nèi)，不在暴露在空氣中，因此，盤片得以更加高速的旋轉(zhuǎn)，且數(shù)據(jù)密度也達(dá)到光盤所無(wú)法企及的程度，但其原理其實(shí)與光盤仍然非常類似。
而正如上面的圖上所示，硬盤中并不只有一個(gè)盤片，也不只有一個(gè)磁頭，所有的同心旋轉(zhuǎn)的盤片經(jīng)由磁頭掃過(guò)的磁道共同構(gòu)成了一個(gè)圓柱面，這就是“柱面”。

如上圖所示，借由盤片的旋轉(zhuǎn)，讓磁頭能夠讀取到的一圈圈軌道，就是“磁道”，數(shù)據(jù)就位于磁道上。

2.2. 扇區(qū)、簇與頁(yè)

每連續(xù)的 512 字節(jié)數(shù)據(jù)組成了一個(gè)扇區(qū)，若干個(gè)扇區(qū)又組成了一個(gè)簇，簇是磁盤空間分配的最小單位，也就是說(shuō)，你即使創(chuàng)建一個(gè) 1 字節(jié)的文件，實(shí)際上這個(gè)文件至少也要占用磁盤 1 簇的空間。
而每次內(nèi)存與磁盤的交互中，操作的最小單位就是一頁(yè)，1 頁(yè)由若干簇構(gòu)成，通常是 4096B。

3. 經(jīng)典文件系統(tǒng)?—?FAT12

FAT12 是一種“古老的”文件系統(tǒng)，到現(xiàn)在，軟盤所使用的文件系統(tǒng)也通常是 FAT12，但其他地方已經(jīng)基本上沒有使用之處了。
不過(guò)現(xiàn)在的 FAT32 與 FAT12 從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)是非常類似的，所以我們本文以 FAT12 來(lái)做講解，未來(lái)會(huì)有專門的文章來(lái)介紹各個(gè)文件系統(tǒng)之間的區(qū)別，敬請(qǐng)期待。
本文，我們以一個(gè) 1.44M 的軟盤為例進(jìn)行介紹：

如上圖所示，一個(gè) 1.44M 的軟盤，可以劃分為 2879 個(gè)扇區(qū)，共分為圖上所示的五個(gè)區(qū)域。

3.1. 引導(dǎo)扇區(qū)

第一個(gè)扇區(qū)就是引導(dǎo)扇區(qū)，他的具體取值是固定的：

FAT12?引導(dǎo)扇區(qū)格式

名稱偏移長(zhǎng)度內(nèi)容軟盤參考值

BS_jmpBoot		3	jmp?LABEL_START	nop
BS_OEMName	3	8	廠商名	‘ForrestY’
BPB_BytsPerSec	11	2	每扇區(qū)字節(jié)數(shù)	0x200(512)
BPB_SecPerClus	13	1	每簇扇區(qū)數(shù)	0x01
BPB_RsvdSecCnt	14	2	Boot記錄占用多少扇區(qū)	0x01
BPB_NumFATs	16	1	共有多少FAT表	0x02
BPB_RootEntCnt	17	2	根目錄文件數(shù)最大值	0xE0?(224)
BPB_TotSec16	19	2	扇區(qū)總數(shù)	0xB40(2880)
BPB_Media	21	1	介質(zhì)描述符	0xF0
BPB_FATSz16	22	2	每FAT扇區(qū)數(shù)	0x09
BPB_SecPerTrk	24	2	每磁道扇區(qū)數(shù)	0x12
BPB_NumHeads	26	2	磁頭數(shù)	0x02
BPB_HiddSec	28	4	隱藏扇區(qū)數(shù)
BPB_TotSec32	32	4	如果BPB_TotSec16是0，由這個(gè)值記錄扇區(qū)數(shù)	0xB40(2880)
BS_DrvNum	36	1	中斷13的驅(qū)動(dòng)器號(hào)
BS_Reserved1	37	1	未使用
BS_BootSig	38	1	擴(kuò)展引導(dǎo)標(biāo)記	0x29
BS_VolD	39	4	卷序列號(hào)
BS_VolLab	43	11	卷標(biāo)	‘OrangeS0.02’
BS_FileSysType	54	8	文件系統(tǒng)類型	‘FAT12’
引導(dǎo)代碼	62	448	引導(dǎo)代碼、數(shù)據(jù)及其他填充字符等
結(jié)束標(biāo)志	510	2		0xAA55

3.2. 文件分配表?—?FAT?表

FAT 表又叫“文件分配表”，從圖上可以看到，FAT12 具有兩個(gè) 9 扇區(qū)大小的 FAT 表。
FAT2 通常是 FAT1 的備份，兩者可以認(rèn)為是一樣的。
在 FAT 表中，每 12 位被稱為一個(gè) FAT 項(xiàng)(FAT Entry)，第?0?個(gè)和第 1 個(gè) FAT 項(xiàng)始終不使用，從第 2 個(gè) FAT 項(xiàng)開始，每個(gè) FAT 項(xiàng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的一個(gè)簇，數(shù)據(jù)區(qū)首個(gè)簇號(hào)為 2，FAT Entry N 正好對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)簇號(hào)為 N 的簇。
每個(gè) FAT 項(xiàng)中存儲(chǔ)的是當(dāng)前文件的當(dāng)前簇的下一個(gè)簇的簇號(hào)，如果值大于等于?0xFF8，那么就表示這已經(jīng)是文件的最后一個(gè)簇，0xFF7 則表示這對(duì)應(yīng)了一個(gè)壞簇。

3.3. 根目錄區(qū)

根目錄區(qū)存儲(chǔ)了若干條目錄條目，每個(gè)目錄條目長(zhǎng) 32 字節(jié)，最多存儲(chǔ) BPB_RootEntCnt 個(gè)條目。
因此可以得到公式：
根目錄區(qū)扇區(qū)數(shù)?=?(BPB_RootEntCnt * 32)/BPB_BytsPerSec。
BPB_RootEntCnt 和 BPB_BytsPerSec 就是上文中起始扇區(qū)中定義的相應(yīng)字段。
目錄條目的存儲(chǔ)內(nèi)容為：

FAT12?根目錄區(qū)目錄條目?jī)?nèi)容

名稱偏移長(zhǎng)度描述

DIR_Name		0xB	文件名8字節(jié)，擴(kuò)展名3字節(jié)
DIR_Attr	0xB	1	文件屬性
保留	0xC	10
DIR_WrtTime	0x16	2	最后修改時(shí)間
DIR_WrtDate	0x18	2	最后修改日期
DIR_FstClus	0x1A	2	此條目對(duì)應(yīng)的開始簇號(hào)
DIR_FileSize	0x1C	4	文件大小

3.4. 數(shù)據(jù)區(qū)

毋庸多言，數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)的就是文件的實(shí)際內(nèi)容。
如果這個(gè)文件實(shí)際是一個(gè)目錄，那么這個(gè)簇實(shí)際存儲(chǔ)的就是這個(gè)目錄下文件構(gòu)成的條目列表，具體信息與根目錄區(qū)中的條目格式相同。

4. FAT12?文件讀取過(guò)程

經(jīng)過(guò)上述 FAT12 分區(qū)的介紹，我們就已經(jīng)可以清楚的知道如何在一個(gè) FAT12 類型的磁盤上尋找一個(gè)文件了：

獲取文件系統(tǒng)基本信息?—?讀取位于第?0?個(gè)扇區(qū)的起始扇區(qū)

計(jì)算數(shù)據(jù)區(qū)首個(gè)扇區(qū)?—?根據(jù)起始扇區(qū)中的?BPB_RootEntCnt?字段和?BPB_BytsPerSec?字段計(jì)算根目錄區(qū)大小，從而計(jì)算出數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)應(yīng)的扇區(qū)號(hào)

獲取根目錄中的文件?—?從19號(hào)扇區(qū)開始讀取根目錄區(qū)條目，找到?DIR_NAME?保存的相同文件名的文件或目錄，讀取對(duì)應(yīng)的簇號(hào)?DIR_FstClus

獲取文件內(nèi)容?—?通過(guò)?DIR_FstClus?存儲(chǔ)的簇號(hào)找到對(duì)應(yīng)的?FAT?項(xiàng)，同時(shí)讀取數(shù)據(jù)區(qū)中對(duì)應(yīng)的簇號(hào)的文件內(nèi)容，并根據(jù)?FAT?項(xiàng)獲取下一簇號(hào)遞歸進(jìn)行讀取，直到?FAT?項(xiàng)標(biāo)識(shí)文件內(nèi)容損壞或文件讀取完成

5. 實(shí)踐?—?如何創(chuàng)建軟盤

既然我們已經(jīng)非常清楚了軟盤的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，你是否想要實(shí)踐一下看看呢？是否一個(gè)軟盤的文件系統(tǒng)真的如我們上面所描述的就是這樣存儲(chǔ)的呢？

5.1. 創(chuàng)建軟盤鏡像

通過(guò)下面的命令可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬軟盤鏡像文件的創(chuàng)建：

dd?if=boot.bin?of=boot.img?bs=512?count=1?conv=notrunc

5.2. 建立文件系統(tǒng)

通過(guò)下面的命令，可以將剛剛創(chuàng)建的軟盤格式化為對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)格式：

mkfs.vfat?floppy.img?/建格式化為vfat文件系統(tǒng)/

5.3. 向軟盤鏡像中添加文件

5.3.1. 創(chuàng)建掛載目標(biāo)目錄

mkdir?/mnt/floppy

5.3.2. 掛載軟盤鏡像

mount?-o?loop?boot.img?/mnt/floppy

你也可以增加?-t vfat?參數(shù)指定文件系統(tǒng)格式。

5.3.3. 添加文件

對(duì)于已經(jīng)掛載好的 loop 設(shè)備，你可以隨意去操作：

cp?hello.txt?/mnt/floppy
cp?world.txt?/mnt/floppy
rm?/mnt/floppy/hello.txt

5.3.4. 解除掛載

umount?/mnt/floppy

5.4. 查看虛擬軟盤鏡像文件內(nèi)容

虛擬軟盤鏡像內(nèi)容是一個(gè)二進(jìn)制文件，我們可以通過(guò) vim 來(lái)讀取：

vim?-b?boot.img

可是這樣打開后，你仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)看到了一團(tuán)亂碼，別急，通過(guò)下面的 vim 命令就可以切換到十六進(jìn)制模式展示了：

:%!xxd?-g?1

6. 微信公眾號(hào)

歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)，以技術(shù)為主，涉及歷史、人文等多領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與感悟，每周三到七篇推文，只有全部原創(chuàng)，只有干貨沒有雞湯。

7. 附錄?1?—?系列歷史文章

7.1. 準(zhǔn)備工作

計(jì)算機(jī)是如何啟動(dòng)的？如何制作自己的操作系統(tǒng)
如何調(diào)試操作系統(tǒng)

7.2. 保護(hù)模式

操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理?—?分段與分頁(yè)、虛擬地址、邏輯地址、線性地址、物理地址

保護(hù)模式究竟“保護(hù)”了什么

7.2.1. 分段

詳解?32?位保護(hù)模式與內(nèi)存分段機(jī)制
進(jìn)軍保護(hù)模式
保護(hù)模式進(jìn)階?—?再回實(shí)模式
實(shí)戰(zhàn)局部描述符表?LDT
利用調(diào)用門實(shí)現(xiàn)特權(quán)級(jí)間跳轉(zhuǎn)(上)?—?原理篇
利用調(diào)用門實(shí)現(xiàn)特權(quán)級(jí)間跳轉(zhuǎn)(下)?—?實(shí)戰(zhàn)篇

7.2.2. 分頁(yè)

詳解操作系統(tǒng)分頁(yè)機(jī)制與實(shí)戰(zhàn)
實(shí)戰(zhàn)分頁(yè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)?—?通過(guò)實(shí)際內(nèi)存大小動(dòng)態(tài)調(diào)整頁(yè)表個(gè)數(shù)

7.2.3.?中斷與異常

保護(hù)模式下的中斷和異常(上) -- 硬件原理篇

保護(hù)模式下的中斷和異常(下) -- 軟件實(shí)戰(zhàn)篇

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的syslinux引导扇区不支持ntfs文件系统_实战 FAT12 文件系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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