第3天 进入32位模式并导入C语言
1 制作真正的IPL
到昨天为止我们讲到的启动区，虽然也称为IPL（Initial Program Loader，启动程序装载器），但它实质上并没有装载任何程序。而从今天起，我们要真的用它来装载程序了。
把我们的操作系统叫作hello-os很不给劲，干脆改个名字吧。我们就叫它“纸娃娃操作系统”。所谓纸娃娃，意思就是说那是用纸糊起来的，虚有其表，不是真娃娃，就像拍电影时用的岩石等道具，其实都是中间空空的冒牌货。也就是说我们现在要开发的操作系统，只是看上去像操作系统，而其实是个没有内容的纸娃娃，所以大家不用想得太困难，轻轻松松来做就好了。
虽然今后我们要一直称它为“纸娃娃操作系统”，而且在相当长的一段时间里也只是把它当作一种演示程序，但到最后我们肯定能开发出一个像模像样的操作系统，这一点请大家放心。
稍微扯远点，其实仔细想一想，这种虚有其表的“纸娃娃”又何止是操作系统呢。就说CPU吧，其实它根本就不懂什么“数”的概念，只是我们设计了一个电路，只要同时传给它电信号0011和0110，它就能输出结果为1001的电信号，而这种电路我们就称之为加法电路。只有人才会把这个结果解读为3+6=9, CPU只是处理这些电信号。换句话说，虽然CPU根本就不懂什么数字，但却能给出正确的计算结果，这就是笔者所谓的“纸娃娃”。
开发过游戏程序的人就会明白，比如我们和计算机下象棋的时候，可能会觉得计算机水平很高，但实际上计算机对象棋规则一窍不通，仅仅是在执行一个程序而已。就算计算机走出了一着妙棋，也根本不是因为它下手毫不留情啊，或者聪明啊，或者求胜心切什么的，这些都是表象，其实它只是按部就班地执行程序而已。也就是说它本身没有内涵，只有一个唬人的外壳，所以才叫“纸娃娃”。“纸娃娃”太厉害了！……操作系统就算是虚有其表、虚张声势又怎样？没什么不好的，这样就可以了！
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那么我们先从简单的程序开始吧。因为磁盘最初的512字节是启动区，所以要装载下一个512字节的内容。我们来修改一下程序。改好的程序就是projects/03_day下的harib00a
，像以前一样，我们把它复制到tolset里来。
这次添加的内容大致如下。
本次添加的部分
MOV AX,0x0820 MOV ES, AX MOV CH,0 ; 柱面0 MOV DH,0 ; 磁头0 MOV CL,2 ; 扇区2 MOV AH,0x02 ; AH=0x02 : 读盘 MOV AL,1 ; 1个扇区 MOV BX,0 MOV DL,0x00 ; A驱动器 INT 0x13 ; 调用磁盘BIOS JC error
新出现的指令只有JC。真好，讲起来也轻松了。所谓JC，是“jump if carry”的缩写，意思是如果进位标志（carry flag）是1的话，就跳转。这里突然冒出来“进位标志”这么个新词，不过大家不用担心，很快就会明白的。
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至于“INT 0x13”这个指令，我们虽然知道这是要调用BIOS的0x13号函数，但还不明白它到底是干什么用的，那就来查一下吧。
我们可以找到如下的内容：
❏ 磁盘读、写，扇区校验（verify），以及寻道（seek）
AH=0x02;（读盘）
AH=0x03;（写盘）
AH=0x04;（校验）
AH=0x0c;（寻道）
AL=处理对象的扇区数；（只能同时处理连续的扇区）
CH=柱面号 &0xff；
CL=扇区号（0-5位）|（柱面号&0x300）>>2；
DH=磁头号；
DL=驱动器号；
ES:BX=缓冲地址；(校验及寻道时不使用)
返回值：
FLACS.CF==0：没有错误，AH==0
FLAGS.CF==1：有错误，错误号码存入AH内（与重置（reset）功能一样）
我们这次用的是AH=0x02，哦，原来是“读盘”的意思。
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返回值那一栏里的FLAGS.CF又是什么意思呢？这就是我们刚才讲到的进位标志。也就是说，调用这个函数之后，如果没有错，进位标志就是0；如果有错，进位标志就是1。这样我们就能明白刚才为什么要用JC指令了。
进位标志是一个只能存储1位信息的寄存器，除此之外，CPU还有其他几个只有1位的寄存器。像这种1位寄存器我们称之为标志。标志在英文中为flag，是旗帜的意思。标志之所以叫flag是因为它的开和关就像升旗降旗的状态一样。
所谓进位标志，本来是用来表示有没有进位（carry）的，但在CPU的标志中，它是最简单易用的，所以在其他地方也经常用到。这次就是用来报告BIOS函数调用是否有错的。
其他几个寄存器我们也来依次看一下吧。CH、CL、DH、DL分别是柱面号、扇区号、磁头号、驱动器号，一定不要搞错。在上面的程序中，柱面号是0，磁头号是0，扇区号是2，磁盘号是0。
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在有多个软盘驱动器的时候，用磁盘驱动器号来指定从哪个驱动器的软盘上读取数据。现在的电脑，基本都只有1个软盘驱动器，而以前一般都是2个。既然现在只有一个，那不用多想，指定0号就行了。
知道了从哪个软盘驱动器读取数据之后，我们接着看从那个软盘的什么地方来读取数据。
如果手头有不用的软盘，希望大家能把它拆开看看。拆开后可以看到，中间有一个8厘米的黑色圆盘，那是一层薄薄的磁性胶片。从外向内，一圈一圈圆环状的区域，分别称为柱面0，柱面1, ……，柱面79。一共有80个柱面。这并不是说工厂就是这样一圈一圈地生产软盘的，只是我们将它作为一个数据存储媒体，是这样组织它的数据存储方式的。柱面在英文中是cylinder，原意是圆筒。磁盘的柱面，尽管高度非常低，但我们可以把它看成是一个套一个的同心圆筒，它正是因此得名的。
下面讲一下磁头。磁头是个针状的磁性设备，既可以从软盘正面接触磁盘，也可以从软盘背面接触磁盘。与光盘不同，软盘磁盘是两面都能记录数据的。因此我们有正面和反面两个磁头，分别是磁头0号和磁头1号。
最后我们看一下扇区。指定了柱面和磁头后，在磁盘的这个圆环上，还能记录很多位信息，按照整个圆环为单位读写的话，实在有点多，所以我们又把这个圆环均等地分成了几份。软盘分为18份，每一份称为一个扇区。一个圆环有18个扇区，分别称为扇区1、扇区2、……扇区18。扇区在英文中是sector，意思是指领域、扇形。
综上所述，1张软盘有80个柱面，2个磁头，18个扇区，且一个扇区有512字节。所以，一张软盘的容量是：
80×2×18×512=1474 560 Byte=1440KB
含有IPL的启动区，位于C0-H0-S1（柱面0，磁头0，扇区1的缩写），下一个扇区是C0-H0-S2。这次我们想要装载的就是这个扇区。
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剩下的大家还不明白的就是缓冲区地址了吧。这是个内存地址，表明我们要把从软盘上读出的数据装载到内存的哪个位置。一般说来，如果能用一个寄存器来表示内存地址的话，当然会很方便，但一个BX只能表示0～0xffff的值，也就是只有0～65535，最大才64K。大家的电脑起码也都有64M内存，或者更多，只用一个寄存器来表示内存地址的话，就只能用64K的内存，这太可惜了。
于是为了解决这个问题，就增加了一个叫EBX的寄存器，这样就能处理4G内存了。这是CPU能处理的最大内存量，没有任何问题。但EBX的导入是很久以后的事情，在设计BIOS的时代，CPU甚至还没有32位寄存器，所以当时只好设计了一个起辅助作用的段寄存器（segment register）。在指定内存地址的时候，可以使用这个段寄存器。
我们使用段寄存器时，以ES:BX这种方式来表示地址，写成“MOV AL, [ES:BX]”，它代表ES×16+BX的内存地址。我们可以把它理解成先用ES寄存器指定一个大致的地址，然后再用BX来指定其中一个具体地址。
这样如果在ES里代入0xffff，在BX里也代入0xffff，就是1114 095字节，也就是说可以指定1M以内的内存地址了。虽然这也还是远远不到64M，但当时英特尔公司的大叔们，好像觉得这就足够了。在最初设计BIOS的时代，这种配置已经很能满足当时的需要了，所以我们现在也还是要遵从这一规则。因此，大家就先忍耐一下这1MB内存的限制吧。
这次，我们指定了ES=0x0820, BX=0，所以软盘的数据将被装载到内存中0x8200到0x83ff的地方。可能有人会想，怎么也不弄个整点的数，比如0x8000什么的，那多好。但0x8000～0x81ff这512字节是留给启动区的，要将启动区的内容读到那里，所以就这样吧。
那为什么使用0x8000以后的内存呢？这倒也没什么特别的理由，只是因为从内存分布图上看，这一块领域没人使用，于是笔者就决定将我们的“纸娃娃操作系统”装载到这一区域。0x7c00～0x7dff用于启动区，0x7e00以后直到0x9fbff为止的区域都没有特别的用途，操作系统可以随便使用。
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到目前为止我们开发的程序完全没有考虑段寄存器，但事实上，不管我们要指定内存的什么地址，都必须同时指定段寄存器，这是规定。一般如果省略的话就会把“DS:”作为默认的段寄存器。
以前我们用的“MOV CX, [1234]”，其实是“MOV CX, [DS:1234]”的意思。“MOV AL, [SI]”，也就是“MOV AL, [DS:SI]”的意思。在汇编语言中，如果每回都这样写就太麻烦了，所以可以省略默认的段寄存器DS。
因为有这样的规则，所以DS必须预先指定为0，否则地址的值就要加上这个数的16倍，就会读写到其他的地方，引起混乱。
好，我们来执行这个程序看看吧。如果程序有什么错，它就会显示错误信息。但估计不会出什么问题吧。没错的话，它就什么都不做（笑）。所以，如果屏幕上不显示任何错误信息的话，我们就成功了。
哎呀，有件事差点忘了，Makefile中可以使用简单的变量，于是笔者用变量改写了这次的Makefile。怎么样，是不是比之前稍微容易理解一些？