オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法：パート6. FATファイルシステムでディスクを操作するためのサポート

一連の記事の第5部では、プロテクトモードに切り替えた後にBIOS割り込みを使用する方法を示し、例としてRAMのサイズを決定しました。 今日は、この成功を発展させ、FAT16およびFAT32ファイルシステムでディスクを操作するための完全なサポートを実装します。 ディスク上のファイルの操作は、ファイルシステムの操作と読み取り/書き込みセクターでのディスクの操作の2つの部分に分けることができます。 そのためには、ファイルシステムの「ドライバー」とディスクの「ドライバー」を作成する必要があると言えます。

読み取り/書き込みセクターのレベルでディスクを操作する

最初に、ディスクの操作方法を学びます。

したがって、BIOS割り込みが発生する可能性があります。 BIOSは他の機能の中でも特に、ディスクを操作するためのインターフェイス、つまり割り込みint 0x13を提供します。 割り込みによって提供されるサービスのリストは、 Wikipediaにあります。 ディスクの読み書きサービスに興味があります。



BIOSが動作するディスク上のセクターをアドレス指定するには、CHS（ シリンダーヘッドセクター ）とLBA（ 論理ブロックアドレス指定 ）の2つの方法があります。 CHSアドレス指定は、ディスクジオメトリの使用に基づいており、セクターアドレスは、シリンダー、ヘッド、セクターの3つの座標の組み合わせです。 この方法では、最大8GBをアドレス指定できます。 割り込みint0x13は、このアドレス指定を使用してディスクの読み取りおよび書き込みを行う機能を提供します。



8GBは非常に小さく、このアドレス指定方法は時代遅れであり、すべての最新の（そうではない）ハードディスクコントローラーがLBAアドレス指定をサポートしていることは明らかです。 LBAアドレッシングは、ディスクジオメトリから抽象化し、各セクターに個別の番号を割り当てます。 セクター番号はゼロから始まります。 LBAは48ビットを使用してブロック番号を指定します。これにより、512バイトのセクターサイズを考慮して、128 PiBのアドレス指定が可能になります。 割り込みint0x13は、LBAを使用してディスクにセクターを読み書きするための2つのサービスを提供します。 それらを使用します。 セクターを読み取るために、in0x13割り込みは次のパラメーターを想定しています。







DAP構造：







割り込みは次の値を返します。







パラメーターの1つはディスク番号です。 何らかの方法で作業するディスク番号を調べる必要があります。 番号付けは次のとおりです：フロッピーディスク（fdd）、およびフロッピーとしてエミュレートされるすべてのものは最初から番号が付けられ、ハードディスク（hdd）、およびそれらのようにエミュレートされるすべてのもの（たとえば、usbフラッシュドライブ）は0x80から番号付けされます。 この数値は、BIOS設定のブートシーケンスとは関係ありません。 この場合、作業するディスクはブート元のディスクです。



BIOSがMBR制御を転送するとき、アドレス0000h：7C00hにロードし、DLレジスタで必要なブートデバイス番号を転送します。 これは、BIOSとMBRの間のインターフェイスの一部です。 したがって、この番号はGRUBに分類され、そこでディスクでの作業に使用されます。 次に、GRUBはこのOS番号をマルチブート情報構造の一部として渡します。



GRUBからOSに制御を移した直後、この構造体へのポインターはEBXレジスターにあります。 構造の最初のフィールドはフラグであり、2番目のビットが設定されている場合、boot_deviceフィールドは正しいです。 このフィールドはマルチブート情報構造にも属し、その上位バイト（フィールドサイズは4バイト）に必要なディスク番号が格納され、inter0x13割り込みが認識されます。 したがって、GRUBを使用して、セクターをディスクに読み書きするためのパラメーターが欠落しています。



セクターのディスクへの読み書きを学びました。これは確かに重要です。 しかし、ファイルシステムはディスク全体に関連付けられているのではなく、その一部、つまりパーティションにのみ関連付けられています。 ファイルシステムを操作するには、ファイルシステムが配置されているセクションが始まるセクターを見つける必要があります。 ディスクで使用可能なセクターに関する情報は、MBRと同じ場所のディスクの最初のセクターに保存されます。 さまざまなMBR形式がありますが、次の構造はそれらすべてに当てはまります。







パーティション情報はパーティションテーブルに保存されます。 起動できるディスクには、プライマリパーティションが4つしかありません。 セクションエントリごとに8バイトがあります。 最初のバイトはフラグです。値が0x80の場合、パーティションは起動可能です。 作業中のMBRコードは、ブートパーティションを探してこれら4つのセクションを実行します。 発見後、MBRはこのセクションの最初のセクターの内容をアドレス0000h：7C00hにコピーし、そこで制御を移します。 ブートパーティションの最初のセクターのLBAアドレスに興味があります。これは、カーネルが配置されている場所であり、読み込むファイルシステムがあるためです。 このアドレスを取得するには、ディスクの最初のセクターを読み取り、そのパーティションテーブルを見つけ、パーティションテーブルでブートパーティションを見つけ、そのレコードから目的のフィールドを読み取る必要があります。



したがって、ディスクからセクターを読み取り、ディスク上の必要なパーティションの場所を知るためのメカニズムがあります。 このセクションでは、ファイルシステムの操作方法を学習します。

ファイルシステムを操作する

ファイルシステムを操作するには、 fat_io_libライブラリを使用します。 ライブラリはGPLライセンスの下で利用可能です。 libcで利用可能なものと同様に、ファイルとディレクトリを操作するためのインターフェースを提供します。 fopen（）、fgets（）、fputc（）、fread（）、fwrite（）などの関数が実装されています。 その作業のためのライブラリーには、セクターの書き込みとセクターの読み取りという2つの機能のみが必要です。最初の機能はオプションです。 関数には次のプロトタイプがあります。

int media_read(uint32 sector, uint8 *buffer, uint32 sector_count); int media_write(uint32 sector, uint8 *buffer, uint32 sector_count); Return: int, 1 = success, 0 = failure.
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ライブラリは純粋なCで書かれていますが、これもまた好意的です。 ミニOSで使用する場合、その中の1行を変更する必要はありません。 ライブラリは、セクターがファイルシステムパーティションの一部として読み取ることを想定しています。



そのため、パーティションにセクターを読み書きするための関数があり、これらの関数を使用するFAT16 / 32を操作するためのライブラリがあります。 すべてをまとめて、結果を実証することが残っています。 しかし、コードに移る前に、私たちが使用しようとしているアプローチが実際に非常に適用可能であることを示したいと思います。 以下は、 VBRウィンドウ7のごく一部で、int0x13割り込みによってディスクセクターが読み取られます。 このコードは、ブートアニメーションをレンダリングする瞬間まで、システムのブートプロセス中に繰り返し呼び出されます。







このコードを呼び出すために、Windows 7は、その方法と同様に、保護モードからリアルモードに、またはその逆に移行します。 これは、QEMUでWindows 7を実行することで簡単に確認できます。 QEMUは、デバッガーの接続を待機する必要があります。 デバッガー（gdb）を接続した後、アドレス（0x7c00 + 0x11d）にブレークポイントを設定します。 ブレークポイントのトリガーは、この関数の呼び出しを意味します。 ちなみに、Windows XPではこのメカニズムは存在せず、BIOS割り込みを発生させるために、そこでVM86モードに切り替えます。



！ 重要！ 一連の記事の第5部からのすべてのステップを正常に通過した後にのみ、それ以降のすべてのアクションを正常に実行できます。

手順1. kernel.cのメインロジックを変更する

1. kernel.cファイルに次の宣言を追加します。

 #include "multiboot.h" #include "fat_io_lib/fat_filelib.h" //    loader.s extern u32 mbd; extern u32 magic;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

RAMのサイズを印刷するコード

 u64 ram_size = GetRamsize(); printf("ram_size = %llu(%lluMb)\n", ram_size, ram_size / 0x100000);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

次のコードに置き換えます。

 // ,    grub- if (magic != MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC) { printf("Invalid magic number: 0x%x\n", magic); return; } multiboot_info_t *p_multiboot_info = (multiboot_info_t*)mbd; // Is boot_device valid? if ((p_multiboot_info->flags & 2) == 0) { printf("Error: boot_device(2) flag is clear\n"); return; } //      if (InitBootMedia(p_multiboot_info->boot_device >> 24) == 0) { printf("Error: InitBootMedia failed.\n"); return; } //   fat_io_lib fl_init(); if (fl_attach_media(ReadBootMedia, WriteBootMedia) != FAT_INIT_OK) { printf("Error: Media attach failed.\n"); return; } //      /boot/grub fl_listdirectory("/boot/grub"); //   /boot/grub/menu.lst   char str[64]; void *file = fl_fopen("/boot/grub/menu.lst", "r"); if (file == 0) { printf("Error: can not open file.\n"); return; } printf("\nConntent of the file /boot/grub/menu.lst:\n"); while (fl_fgets(str, sizeof(str), file)) { printf("%s", str); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

mbdおよびマジック変数のメモリはloader.sファイルで予約されているため、Cコードのグローバル変数と同様に使用できます。マジック変数には、マルチブート標準がロードに使用されたことを確認する署名が含まれています。 mbd変数は、multiboot.hで宣言されているmultiboot_info_t構造体を指します。 ブートディスク番号は、次の式で決定されます-p_multiboot_info-> boot_device >>24。InitBootMedia関数は、ディスク番号を記憶し、ファイルシステムの最初のセクターを検索します。これにより、すべてのオフセットを読み取ることができます。



初期化のためのfat_io_libライブラリでは、fl_initとfl_attach_mediaの2つの関数を呼び出す必要があります。 最初の関数はライブラリの内部構造をリセットし、2番目の関数はパラメーターとしてディスクへのセクターの読み取りと書き込みの機能を受け取り、ファイルへのアクセスに使用されます。 次は、ライブラリの操作のデモです。/boot / grubフォルダー内のファイルのリストが表示され、menu.lstファイルの内容が印刷されます。



2. multiboot.hファイルをincludeフォルダーに追加します。 ファイルの内容は 、以前のバージョンの仕様サイトから取得します。

ステップ2.ディスクを操作する機能を追加する

1. include \ callrealmode.hファイルで、次の関数のプロトタイプを追加します。

 u32 InitBootMedia(u8 bootDevice); int ReadBootMedia(unsigned long sector, unsigned char *buffer, unsigned long sectorCount); int WriteBootMedia(unsigned long sector, unsigned char *buffer, unsigned long sectorCount);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

2. include \ callrealmode_asm.hファイルで、次のことが行われるように、enum callrealmode_Funcに新しい値を追加します。

 enum callrealmode_Func { CALLREALMODE_FUNC_GETSYSMEMMAP = 0, CALLREALMODE_FUNC_READ_DISK = 1 };  ,       : <source lang="c"> struct callrealmode_read_disk { u64 start_sector_lba; u32 buff_addr; u32 sectors_count; u16 disk_number; u8 ret_code; } __attribute__ ((packed));
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

callrealmode_Data構造内の共用体に、宣言されたばかりのcallrealmode_read_disk構造を追加します。 以下を取得する必要があります。

 struct callrealmode_Data { enum callrealmode_Func func : 16; union { struct callrealmode_GetSysMemMap getsysmemmap; struct callrealmode_read_disk readdisk; }; } __attribute__ ((packed));
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

3. fat_io_libライブラリで使用されるstrncmpおよびstrncpy関数をinclude \ string.hファイルに追加します。

 static inline int strncmp ( const char * str1, const char * str2, unsigned int num ) { for ( ; num > 0; str1++, str2++, --num) { if (*str1 != *str2) return ((*(unsigned char *)str1 < *(unsigned char *)str2) ? -1 : +1); else if (*str1 == '\0') return 0; } return 0; } static inline char* strncpy ( char * dst, const char * src, unsigned int num ) { if (num != 0) { char *d = dst; const char *s = src; do { if ((*d++ = *s++) == 0) { while (--num) *d++ = 0; break; } } while (--num); } return dst; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

4.次の宣言をcallrealmode.cファイルに追加します。

 #include "fat_io_lib/fat_opts.h" #include "mbr.h" u64 g_BootPartitionStart = 0; //        u32 g_BootDeviceInt13Num = 0; //   
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

そしていくつかの機能：

 //     int ReadBootMedia(unsigned long sector, unsigned char *buffer, unsigned long sectorCount) { struct callrealmode_Data param; // ,     //    RM,    param.func = CALLREALMODE_FUNC_READ_DISK; //         int13. //          //    1Mb,   "buffer"     . //         "low_mem_buff", //     RM ,    CALLREALMODE_OFFSET < 1Mb int i; void *low_mem_buff = CALLREALMODE_OFFSET + (&callrealmode_end - &callrealmode_start); for (i = 0; i < sectorCount; i++) { param.readdisk.start_sector_lba = sector + g_BootPartitionStart + i; param.readdisk.buff_addr = (u32)low_mem_buff; param.readdisk.disk_number = g_BootDeviceInt13Num; param.readdisk.sectors_count = 1; callrealmode_Call(¶m); // int 0x13    "param" if (param.readdisk.ret_code) { return 0; // error } memcpy(buffer + i * FAT_SECTOR_SIZE, low_mem_buff, FAT_SECTOR_SIZE); } return 1; // success } //    .  int WriteBootMedia(unsigned long sector, unsigned char *buffer, unsigned long sectorCount) { return 0; // error } //   u32 InitBootMedia(u8 bootDevice) { g_BootDeviceInt13Num = bootDevice; //     MBRSector_t mbr; if (ReadBootMedia(0, (u8*)&mbr, 1) == 0) { return 0; } //   if (mbr.mbr_sign[0] != 0x55 || mbr.mbr_sign[1] != 0xaa) { return 0; } //    int i; for (i = 0; i < 4; i++) { if (mbr.part[i].boot_indicator == 0x80) break; } if (i == 4) { return 0; } //       g_BootPartitionStart = mbr.part[i].start_lva; printf("start sector = %lld boot dev int13 num = 0x%x\n", g_BootPartitionStart, g_BootDeviceInt13Num); return 1; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ReadBootMediaおよびWriteBootMedia関数は、fat_io_libライブラリがセクターの読み取り/書き込みに使用します。 この例ではディスクへの書き込みがないため、WriteBootMedia関数はオプションであり、スタブです。 その実装は、ReadBootMedia関数に似ています。 ReadBootMedia関数は、前の記事のparam.func型までのGetRamsize関数に似ており、param.getsysmemmapの代わりにparam.readdiskが使用されます。 InitBootMedia関数は、g_BootPartitionStartとg_BootDeviceInt13Numの値を初期化するため、他の2つの前に呼び出す必要があります。



5. callrealmode_asm.sを変更します。 関数と呼ばれる別のタイプのCALLREALMODE_FUNC_READ_DISKを追加すると、次のものが得られます。

 #    enum callrealmode_Func CALLREALMODE_FUNC_GETSYSMEMMAP = 0x0 CALLREALMODE_FUNC_READ_DISK = 0x1
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

次に、関数のタイプとディスクから直接読み取ったコードにもう1つチェックを追加します。 以下を取得する必要があります。

 callrealmode_switch: OFF_FUNC = 44 #     %bp #   func  callrealmode_Data # Which function? movw OFF_FUNC(%bp),%ax cmp $CALLREALMODE_FUNC_GETSYSMEMMAP,%ax je getsysmemmap cmp $CALLREALMODE_FUNC_READ_DISK,%ax je readdisk ret readdisk: OFF_START_SECTOR = 50 #    start_sector_lba  callrealmode_Data OFF_BUFFER_ADDR = 58 #    buff_addr  callrealmode_Data OFF_SECTORS_COUNT = 62 #    sectors_count  callrealmode_Data OFF_DISK_NUMBER = 66 #    disk_number  callrealmode_Data OFF_RETURN_CODE = 68 #    ret_code  callrealmode_Data push %bp mov %sp,%bp #     DAP pushl OFF_START_SECTOR+4(%bp) pushl OFF_START_SECTOR+0(%bp) pushl OFF_BUFFER_ADDR(%bp) pushw OFF_SECTORS_COUNT(%bp) pushw $0x10 mov %sp,%si # ds:si    , ..  DAP mov OFF_DISK_NUMBER(%bp),%dl #    dl mov $0x42,%ah # EXTENDED READ int $0x13 # CALL DISK BIOS mov %ah,OFF_RETURN_CODE(%bp) #   add $0x10,%sp #    DAP pop %bp ret
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

readdiskラベルは、callrealmode_Data構造からDAP構造を形成し、int0x13を呼び出すコードを指します。 コードでは、ラベルcallrealmode_switchの後に、readdiskを呼び出す必要があるかどうかを確認するための2つの命令が追加されました。



6. MBRを操作するための定義を含むinclude \ mbr.hファイルを追加します。 その内容：

 #ifndef _MBR_H_ #define _MBR_H_ #include "types.h" struct MBRPartitionEntry { unsigned char boot_indicator; unsigned char start_head; unsigned short start_sector : 6; unsigned short start_cylinder : 10; unsigned char sys_id; unsigned char end_head; unsigned short end_sector : 6; unsigned short end_cylinder : 10; unsigned int start_lva; unsigned int size_in_sectors; } __attribute__ ((packed)); typedef struct MBRPartitionEntry MBRPartitionEntry_t; struct MBRSector { u8 code[446]; MBRPartitionEntry_t part[4]; u8 mbr_sign[2]; } __attribute__ ((packed)); typedef struct MBRSector MBRSector_t;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

MBRSector構造体は、InitBootMedia関数で使用されます。

ステップ3. fat_io_libライブラリーを追加して実行する

1. fat_io_lib.zipアーカイブをダウンロードし、プロジェクトルートのfat_io_libフォルダーに解凍します。

2.空のファイルassert.hおよびstdlib.hをincludeフォルダーに追加します。 ライブラリをコンパイルするために必要です。

3. Makefileを修正します。 ライブラリのファイルをコンパイルの目標のリストに追加します。 以下を取得する必要があります。

 FAT_LIB_OBJFILES = \ ./fat_io_lib/fat_access.o \ ./fat_io_lib/fat_cache.o \ ./fat_io_lib/fat_filelib.o \ ./fat_io_lib/fat_format.o \ ./fat_io_lib/fat_misc.o \ ./fat_io_lib/fat_string.o \ ./fat_io_lib/fat_table.o \ ./fat_io_lib/fat_write.o OBJFILES = \ loader.o \ common/printf.o \ common/screen.o \ common/string.o \ kernel.o \ callrealmode.o \ callrealmode_asm.o \ descriptor.o \ $(FAT_LIB_OBJFILES)
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

行を置き換える

 @dd if=/dev/zero of=./hdd.img bs=512 count=16065 1>/dev/null 2>&1
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

に

 @dd if=/dev/zero of=./hdd.img bs=1M count=10 1>/dev/null 2>&1
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

現在、画像サイズは10Mbです。 これは、mkdosfsコマンドがパーティションをFAT12ではなくFAT16にフォーマットするようにするためです。 FAT12は、fat_io_libライブラリではサポートされていません。



行を置き換える

 $(CC) -Iinclude $(CFLAGS) -o $@ -c $<
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

に

 $(CC) -Iinclude -DFAT_PRINTF_NOINC_STDIO $(CFLAGS) -o $@ -c $<
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この定義では、ライブラリにはstdio.hが含まれませんが、printf関数の既製のプロトタイプを使用します。これは、私たちのものと同じで、既に実装されています。



4.プロジェクトをリビルドします

 make rebuild
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

sudo make image



5.実行

 sudo qemu-system-i386 -hda hdd.img
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

以下を取得する必要があります。







前の部分と同様に、USBフラッシュドライブでddのhdd.imgイメージを作成し、そこから起動することで実際のハードウェアのコードを確認できます。



その結果、FAT16およびFAT32ファイルシステムでの作業を実装しました。 既製のライブラリを使用して少しごまかしましたが、FATデバイスを理解することはそれほど面白くなく、1つの記事に収まる可能性は低いでしょう。 あなたがそれを読むのが面白いと思ってください。 手順を実行する際に問題がある場合は、コメントを書いてください！



前の部分へのリンクの選択：

• オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法
• オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法：パート2
• オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法：パート3：グラフィックス
• オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法：パート4.並列計算
• オペレーティングシステムなしでプログラムを実行する方法：パート5. OSからBIOSにアクセスする