通过 USB 驱动器启动的自定义引导加载程序在某些计算机上会产生不正确的输出

Question

我是组装的新手，但我正在尝试深入低水平计算的世界。我正在尝试学习如何编写将以引导加载程序代码运行的汇编代码；因此与Linux或Windows（例如Linux或Windows）无关。阅读此页面和其他一些x86指令集的列表，我提出了一些应该在屏幕上打印10 A的汇编代码，然后是1B。

      BITS 16
start: 
    mov ax, 07C0h       ; Set up 4K stack space after this bootloader
    add ax, 288     ; (4096 + 512) / 16 bytes per paragraph
    mov ss, ax
    mov sp, 4096

    mov ax, 07C0h       ; Set data segment to where we're loaded
    mov ds, ax

    mov cl, 10          ; Use this register as our loop counter
    mov ah, 0Eh         ; This register holds our BIOS instruction

.repeat:
    mov al, 41h         ; Put ASCII 'A' into this register
    int 10h             ; Execute our BIOS print instruction
    cmp cl, 0           ; Find out if we've reached the end of our loop
    dec cl              ; Decrement our loop counter
    jnz .repeat         ; Jump back to the beginning of our loop
    jmp .done           ; Finish the program when our loop is done

.done:
    mov al, 42h         ; Put ASCII 'B' into this register
    int 10h             ; Execute BIOS print instruction
    ret


times 510-($-$$) db 0   ; Pad remainder of boot sector with 0s
dw 0xAA55

因此，输出应该看起来像这样：

AAAAAAAAAAB

我使用在Windows 10 Ubuntu Bash程序上运行的NASM汇编程序组装了代码。生成.bin文件后，我使用十六进制编辑器将其打开。我使用相同的HEX编辑器将该.bin文件的内容复制到闪存驱动器的前512个字节中。将程序写入Flash Drive后，我将其断开并将其插入具有Intel Core i3-7100的计算机中。在启动时，我选择了USB Flash Drive作为引导设备，只是为了获得以下输出：

A

更改程序中的各种内容后，我终于感到沮丧，并在另一台计算机上尝试了程序。另一台计算机是带有i5-2520m的笔记本电脑。我遵循与以前提到的相同过程。果然，它给了我预期的输出：

AAAAAAAAAAB

我立即使用i3在原始计算机上尝试了它，但它仍然没有用。

所以我的问题是：为什么我的程序可以与一个X86处理器一起使用而不是另一个处理器？他们都支持X86指令集。什么给？

---

解决方案：
好的，我能够在一些帮助下追踪真正的解决方案。如果您在下面阅读Michael Petch的答案，您会找到一种解决我的问题的解决方案，以及BIOS寻找BPB的另一个问题。

这是我的代码的问题：我正在将程序写入闪存驱动器的第一个字节。这些字节被加载到内存中，但是一些BIOS中断为自己使用这些字节。因此，我的程序被BIOS覆盖。为了防止这种情况，您可以添加BPB说明，如下所示。如果您的BIOS以我的方式工作，它将仅在内存中覆盖BPB，而不是您的程序。另外，您可以将以下代码添加到程序的顶部：

jmp start
resb 0x50

start: 
;enter code here

此代码（由Ross Ridge提供）将您的程序将您的程序推向内存位置0x50（从0x7C00偏移），以防止执行过程中BIOS覆盖它。

还要记住，每当您致电任何子例程时，您使用的寄存器的值都可能被覆盖。确保您要么使用push，pop，要么在调用子例程之前将值保存到内存中。看看下面的马丁·罗塞瑙（Martin Rosenau）的答案，以了解有关此的更多信息。

感谢所有回答我的问题的人。现在，我对这种低级东西的工作原理有了更好的了解。

Answer 1

这可能会成为该主题的规范答案。

真实硬件/USB/笔记本电脑问题

如果您尝试使用 USB 在真实硬件上启动，那么即使您在 BOCHS 和 QEMU 中正常工作，您也可能会遇到另一个问题。如果您的 BIOS 设置为进行 USB FDD 模拟（而不是 USB HDD 或其他），您可能需要添加 BIOS 参数块 (BPB) 到引导加载程序的开头。您可以像这样创建一个假的：

org 0x7c00
bits 16

boot:
    jmp main
    TIMES 3-($-$) DB 0x90   ; Support 2 or 3 byte encoded JMPs before BPB.

    ; Dos 4.0 EBPB 1.44MB floppy
    OEMname:           db    "mkfs.fat"  ; mkfs.fat is what OEMname mkdosfs uses
    bytesPerSector:    dw    512
    sectPerCluster:    db    1
    reservedSectors:   dw    1
    numFAT:            db    2
    numRootDirEntries: dw    224
    numSectors:        dw    2880
    mediaType:         db    0xf0
    numFATsectors:     dw    9
    sectorsPerTrack:   dw    18
    numHeads:          dw    2
    numHiddenSectors:  dd    0
    numSectorsHuge:    dd    0
    driveNum:          db    0
    reserved:          db    0
    signature:         db    0x29
    volumeID:          dd    0x2d7e5a1a
    volumeLabel:       db    "NO NAME    "
    fileSysType:       db    "FAT12   "

main:
    [insert your code here]

将 ORG 指令调整为您需要的内容，或者如果您只需要默认的 0x0000，则忽略它。

如果您要修改代码以具有 Unix/Linux file 命令上方的布局，则可能能够转储出它认为构成磁盘映像中的 VBR 的 BPB 数据。运行命令file disk.img，您可能会得到以下输出：

disk.img：DOS/MBR 引导扇区，代码偏移 0x3c+2，OEM-ID“mkfs.fat”，根条目 224，扇区 2880（卷 <=32 MB），扇区/FAT 9，扇区/磁道 18，序列号 0x2d7e5a1a，未标记，FAT（12 位）

---

如何修改此问题中的代码

在此 OP 的情况下 原始代码可以修改为如下所示：

bits 16

boot:
    jmp main
    TIMES 3-($-$) DB 0x90   ; Support 2 or 3 byte encoded JMPs before BPB.

    ; Dos 4.0 EBPB 1.44MB floppy
    OEMname:           db    "mkfs.fat"  ; mkfs.fat is what OEMname mkdosfs uses
    bytesPerSector:    dw    512
    sectPerCluster:    db    1
    reservedSectors:   dw    1
    numFAT:            db    2
    numRootDirEntries: dw    224
    numSectors:        dw    2880
    mediaType:         db    0xf0
    numFATsectors:     dw    9
    sectorsPerTrack:   dw    18
    numHeads:          dw    2
    numHiddenSectors:  dd    0
    numSectorsHuge:    dd    0
    driveNum:          db    0
    reserved:          db    0
    signature:         db    0x29
    volumeID:          dd    0x2d7e5a1a
    volumeLabel:       db    "NO NAME    "
    fileSysType:       db    "FAT12   "

main:
    mov ax, 07C0h       ; Set up 4K stack space after this bootloader
    add ax, 288     ; (4096 + 512) / 16 bytes per paragraph
    mov ss, ax
    mov sp, 4096

    mov ax, 07C0h       ; Set data segment to where we're loaded
    mov ds, ax

    mov cl, 10          ; Use this register as our loop counter
    mov ah, 0Eh         ; This register holds our BIOS instruction

.repeat:
    mov al, 41h         ; Put ASCII 'A' into this register
    int 10h             ; Execute our BIOS print instruction
    cmp cl, 0           ; Find out if we've reached the end of our loop
    dec cl              ; Decrement our loop counter
    jnz .repeat         ; Jump back to the beginning of our loop
    jmp .done           ; Finish the program when our loop is done

.done:
    mov al, 42h         ; Put ASCII 'B' into this register
    int 10h             ; Execute BIOS print instruction
    ret

times 510-($-$) db 0   ; Pad remainder of boot sector with 0s
dw 0xAA55

---

其他建议

正如已经指出的 - 您不能ret结束引导加载程序。您可以将其置于无限循环中，或者使用 cli 后跟 hlt 停止处理器。

如果您在堆栈上分配了大量数据或开始写入引导加载程序 512 字节之外的数据，您应该将自己的堆栈指针 (SS:SP) 设置为赢得的内存区域不要干扰你自己的代码。这个问题中的原始代码确实设置了一个堆栈指针。这是阅读本问答的其他人的一般观察。我在我的 Stackoverflow 答案中有更多信息，其中包含 常规引导加载程序提示。

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测试代码以查看 BIOS 是否覆盖 BPB

如果您想知道 BIOS 是否可能覆盖 BPB 中的数据并确定它写入的值，您可以使用此引导加载程序代码转储 BPB，因为引导加载程序在控制后会看到它被转移到它。正常情况下前3个字节应该是EB 3C 90，后面跟着一系列AA。任何不是 AA 的值都可能被 BIOS 覆盖。此代码位于 NASM 中，可以使用 nasm -f bin boot.asm -o boot.bin 组装到引导加载程序中，

; Simple bootloader that dumps the bytes in the BIOS Parameter
; Block BPB. First 3 bytes should be EB 3C 90. The rest should be 0xAA
; unless you have a BIOS that wrote drive geometry information
; into what it thinks is a BPB.

; Macro to print a character out with char in BX
%macro print_char 1
    mov al, %1
    call bios_print_char
%endmacro

org 0x7c00
bits 16

boot:
    jmp main
    TIMES 3-($-$) DB 0x90   ; Support 2 or 3 byte encoded JMPs before BPB.

    ; Fake BPB filed with 0xAA
    TIMES 59 DB 0xAA

main:
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov ss, ax              ; Set stack just below bootloader at 0x0000:0x7c00
    mov sp, boot
    cld                     ; Forward direction for string instructions

    mov si, sp              ; Print bytes from start of bootloader
    mov cx, main-boot       ; Number of bytes in BPB
    mov dx, 8               ; Initialize column counter to 8
                            ;     So first iteration prints address
.tblloop:
    cmp dx, 8               ; Every 8 hex value print CRLF/address/Colon/Space
    jne .procbyte
    print_char 0x0d         ; Print CRLF
    print_char 0x0a
    mov ax, si              ; Print current address
    call print_word_hex
    print_char ':'          ; Print ': '
    print_char ' '
    xor dx, dx              ; Reset column counter to 0
.procbyte:
    lodsb                   ; Get byte to print in AL
    call print_byte_hex     ; Print the byte (in BL) in HEX
    print_char ' '
    inc dx                  ; Increment the column count
    dec cx                  ; Decrement number of  bytes to process
    jnz .tblloop

    cli                     ; Halt processor indefinitely
.end:
    hlt
    jmp .end

; Print the character passed in AL
bios_print_char:
    push bx
    xor bx, bx              ; Attribute=0/Current Video Page=0
    mov ah, 0x0e
    int 0x10                ; Display character
    pop bx
    ret

; Print the 16-bit value in AX as HEX
print_word_hex:
    xchg al, ah             ; Print the high byte first
    call print_byte_hex
    xchg al, ah             ; Print the low byte second
    call print_byte_hex
    ret

; Print lower 8 bits of AL as HEX
print_byte_hex:
    push bx
    push cx
    push ax

    lea bx, [.table]        ; Get translation table address

    ; Translate each nibble to its ASCII equivalent
    mov ah, al              ; Make copy of byte to print
    and al, 0x0f            ;     Isolate lower nibble in AL
    mov cl, 4
    shr ah, cl              ; Isolate the upper nibble in AH
    xlat                    ; Translate lower nibble to ASCII
    xchg ah, al
    xlat                    ; Translate upper nibble to ASCII

    xor bx, bx              ; Attribute=0/Current Video Page=0
    mov ch, ah              ; Make copy of lower nibble
    mov ah, 0x0e
    int 0x10                ; Print the high nibble
    mov al, ch
    int 0x10                ; Print the low nibble

    pop ax
    pop cx
    pop bx
    ret
.table: db "0123456789ABCDEF", 0

; boot signature
TIMES 510-($-$) db 0
dw 0xAA55

对于任何未执行此操作的 BIOS，输出应如下所示在将控制权转移到引导加载程序代码之前更新 BPB：

<前><代码>7C00: EB 3C 90 AA AA AA AA AA
7C08：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C10：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C18：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C20：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C28：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C30：啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
7C38：啊啊啊啊啊啊啊啊

Answer 2

汇编代码仅适用于我的两个 x86 处理器之一

它不是处理器，而是 BIOS：

int 指令实际上是 call 的一种特殊变体代码>指令。该指令调用一些子例程（通常用汇编程序编写）。

（您甚至可以用您自己的子例程替换该子例程 - 例如，这实际上是由 MS-DOS 完成的。）

在两台计算机上，您有两个不同的 BIOS 版本（甚至供应商），这意味着由int 10h 指令是由不同的程序员编写的，因此其功能并不完全相同。

仅得到以下输出

我怀疑这里的问题是第一台计算机上的 int 10h 调用的子例程不保存寄存器值，而第二台计算机上的例程则保存寄存器值。

换句话说：

在第一台计算机上，由 int 10h 调用的例程可能如下所示：

...
mov cl, 5
mov ah, 6
...

...因此在 int 10h 调用 ah 之后> 寄存器不再包含值0Eh，甚至可能出现cl寄存器被修改的情况（此时将陷入无限循环）。

为了避免这个问题，您可以使用push保存cl寄存器（您必须保存整个cx寄存器）并在之后恢复它>int 指令。您还必须在每次调用 int 10h 子例程之前设置 ah 寄存器的值，因为您无法确定此后它没有被修改：

push cx
mov ah, 0Eh
int 10h
pop cx

mov sp, ... ...ret

请思考 Peter Cordes 的评论：

ret 指令如何工作以及它是如何相关的到 sp 和 ss 寄存器？

这里的ret指令肯定不会做你期望的事情！

在软盘上，引导扇区通常包含以下代码：

mov ax, 0  ; (may be written as "xor ax, ax")
int 16h
int 19h

int 19h 完全按照 ret 指令执行您所期望的操作。

然而，BIOS 将再次启动计算机，这意味着它将从 USB 记忆棒加载代码并再次执行。

您将得到以下结果：

啊啊啊啊啊啊啊啊啊……

因此插入int 16h指令。当ax寄存器的值为0时，这将等待用户按下键盘上的按键，然后再调用int 16h子例程。

或者，您可以简单地添加一个无限循环：

.endlessLoop:
    jmp .endlessLoop

mov ss，...

当这两条指令之间发生中断时：

mov ss, ax
    ; <--- Here
mov sp, 4096

... sp 和 ss 寄存器的组合并不代表值的“有效”表示。

如果您不幸运，中断会将数据写入您不需要的内存中的某个位置。它甚至可能会覆盖您的程序！

因此，您通常在修改 ss 寄存器时锁定中断：

cli          ; Forbid interrupts
mov ss, ax
mov sp, 4096
sti          ; Allow interrupts again