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操作系统实现（8）
一、 FAT12
FAT12是DOS时代就开始使用的文件系统(File System)，直到现在仍然在软盘上使用，FAT12软盘的被格式化后为：有两个磁头，每个磁头80个柱面（磁道），每个柱面有18个扇区，每个扇区512个字节空间。所以标准软盘的总空间为：
2 * 80 *18 * 512=40K=1.44M
下面是FAT12的结构图：
1、引导扇区
操作系统之所以认识FAT12格式的磁盘，其秘密就在于逻辑0扇区这512B上。如果这512字节的最后两个字节的内容分别是55和AA（0xAA55低字节在前，高字节在后)的话，BIOS在启动时会将这个扇区读取到0:7C00h-0:7DFFh处，然后跳转到0:7C00h处继续执行指令，操作系统即用此来达到引导系统的目的，而这个磁盘就称为引导磁盘。
操作系统标识FAT12文件系统是因为在逻辑0扇区(即引导扇区)处还存储着一个特定的数据结构，此结构有固定的格式，在操作系统将此磁盘格式化时自动生成，具体数据结构如下表所示：
参考值
BS_jmpBOOT
一个短跳转指令
jmp short LABEL_START
BS_OEMName
BPB_BytesPerSec
每扇区字节数（Bytes/Sector）
BPB_SecPerClus
每簇扇区数（Sector/Cluster）
BPB_ResvdSecCnt
Boot记录占用多少扇区
BPB_NumFATs
共有多少FAT表
BPB_RootEntCnt
根目录区文件最大数
BPB_TotSec16
介质描述符
BPB_FATSz16
每个FAT表所占扇区数
BPB_SecPerTrk
每磁道扇区数（Sector/track）
BPB_NumHeads
磁头数（面数）
BPB_HiddSec
隐藏扇区数
BPB_TotSec32
如果BPB_TotSec16=0,则由这里给出扇区数
INT 13H的驱动器号
BS_Reserved1
保留，未使用
BS_BootSig
扩展引导标记(29h)
BS_FileSysType
文件系统类型
引导代码及其他内容
引导代码及其他数据
引导代码（剩余空间用0填充）
结束标志0xAA55
第510字节为0x55，第511字节为0xAA
下面我们介绍其中的一些变量的含义：
BS_jmpBoot：是跳转指令，偏移0处的跳转指令必须是合法的可执行的基于x86的CPU指令，如：jmp start，这样可以生成3字节长的指令，（加关键字short的短跳转指令的长度是2字节），指向操作系统引导代码部分。Windows和MS-DOS生成的FAT12启动扇区中的跳转指令是短跳转，如：jmp
short LABEL_START，然后加一个nop的空指令来保持3字节的长度。
BPB_BytsPerSec：每扇区的字节数，类型是双字节长，标准分区上的每扇区字节数一般是512B， FAT12的格式下设置为512(0x200h)。
BPB_SecPerClus：每簇扇区数，偏移13处，类型是字节，簇是数据存储的最小单位，在FAT12格式下一般为1，即每簇只有1个扇区(512字节)。
BPB_RsvdSecCnt：Boot记录占用多少扇区，即在FAT1之前的 引导扇区，一般情况下，引导扇区占用1个扇区。
BPB_NumFATs：共有多少个FAT表，默认情况下此字段的值为2，也就是有两个FAT表，FAT1和FAT2的内容相同，当FAT1表出错的时候可以使用FAT2来恢复文件分配表。
BPB_RootEntCnt：根目录文件数最大值，默认为224，每个目录条目占用32B的空间，因此根目录的大小为：224*32/512=14，即占用14个扇区。
BPB_TotSec16：扇区总数=0xB40=2880
BPB_FATSz16：每个FAT占用的扇区数=0x9=9，即FAT1占用1—9逻辑扇区，FAT2占用10—18逻辑扇区。
BPB_SecPerTrk：每磁道扇区数=0x12=18，即标准FAT12文件系统中，每个磁道的扇区数就是为18。
BPB_NumHeads：磁头数=0x2=2，该磁盘包括2个磁头，也就是面数是2。
&&&&&&&& FAT1和FAT2是两个完全相同的FAT表，每个FAT占用9个扇区。其中FAT1占用1—9扇区，FAT2占用10—18扇区。具体详细介绍看下面4。
3、根目录区
根目录区的开始扇区号是19，它是由若干个目录条目(Directory Entry)组成，条目最多有BPB_RootEntCnt个，由于根目录区的大小是依赖于BPB_RootEntCnt的，所以长度不固定。
&&&&&&&& 在本FAT12中，因为BPB_RootEntCnt=0xE0=14*16+0=244，即条目最多为244个，又因为每个条目占用32个字节，故244*32/512=14，即该根目录区占14个扇区，即19—32。
&&&&&&&& 根目录区中的每个条目占用32字节，它的格式如下图：
这里主要定义了文件的名字，属性，最后写入的时间和日期，文件的开始簇数以及文件大小。
下面我们通过实例来认识这些内容，
1、&首先创建一个虚拟软盘，在这里我们使用WinImage，具体下载地址在我的下载资源中。
打开WinImage:
选择文件—》新建
新建一个虚拟软盘之后，需要向里面添加文件，我们需要提前写好下面几个文件
RIVER.TXT，内容为riverriverriver
FLOWER.TXT，内容为flowerflower………flower，至少要100个flower，使得数据空间大于512个字节，这样该文件将占用两个连续的扇区。
TREE.TXT，内容为treetreetree
再添加一个HOUSE目录，然后在目录\HOUSE下添加两个文本文件：
CAT.TXT，内容为catcatcat
DOG.TXT，内容为dogdogdog
选择映像—》加入，依次加入RIVER.TXT，FLOWER.TXT，TREE.TXT三个文件
映像—》创建文件夹&&HOUSE
添加HOUSE目录
双击house，进入house的文件夹内，然后添加CAT.TXT，DOG.TXT两个文件
添加文件完成，然后保存，其中注意事项，保存类型为：虚拟软盘映像(*.vfd)，我不知道这个类型与IMG有什么区别，但是我知道这个类型得到的结果是对的。呵呵！文件名为FLOOPY，这样我们就创建了一个虚拟软盘FLOOPY.vfd
然后使用UltraEdit打开FLOOPY.vfd，由于根目录区是从第19扇区开始的，每个扇区512个字节，所以其第一个字节位于偏移19*512=0处，好的，现在就让我们去定位到0x2600处看看到底Directory Entry为何物？
RIVER.TXT的各项值：
在这里，我们只需要关心RIVER.TXT的DIR_FstClus，即文件的开始簇号，由于本FAT12中的BPB_SecPerClus=1，故一个簇为一个扇区，DIR_FstClus=2，意味着该文件的在数据区的起始扇区号为2。在这里需要注意的是，数据区的第一个簇的簇号是2，而不是0或者1，故该文件的数据开始于数据区的第一个簇，也就是第一个扇区。
那么数据区的第一个扇区在哪里呢？
首先计算根目录区所占有的扇区数：
RootDirSectors =((BPB_RootEntCnt*32)+(BPB_BytsPerSec-1))/BPB_BytsPerSec。
之所以分子要加上(BPB_BytsPerSec-1)，是为了保证此公式在根目录区无法填满整数扇区时仍然成立。
在本例中，因为BPB_RootEntCnt=224，计算得到根目录区所占有的扇区为14个。所以
数据区开始的扇区号=根目录区开始的扇区号+14=19+14=33。
现在就让我们跳入到第33扇区的偏移量是512*33=04200，让我们看看这里的内容：
果然是riverriverriver。
在这里，由于RIVER.TXT小于512字节，所以我们不需要FAT表就在数据区中找到了RIVER.TXT的内容，但是对于大于512字节的文件来说，就没有这么简单了，需要使用FAT表来寻找到该文件占用的所有数据区扇区。
下面让我们跳入FAT1的内容，FAT1的开始扇区号是1，故偏移为1*512=512=0x200。
一堆看不懂的符号，好像很多F。其实并不复杂，它有点像是一个位图，其中，每12位成为一个FAT项(FAT Entry)，代表一个数据区中的簇。第0个和第1个FAT项始终不使用，第2个FAT项开始表示数据区的每一个簇，也就是说，第2个FAT项表示数据区第一个簇，依次类推。前文说过，数据区的第一个簇的簇号是2，和这里相呼应。
要注意，由于每一个FAT项占12位，包含一个字节和另一个字节的一般，所以觉得特别别扭。具体情况是这样的，假设连续3个字节分别是如图所示：
通常，FAT项的值代表的是文件的下一个簇号，但如果值大于或等于0xFF8，则表示当前簇已经是文件的最后一个簇了。如果值为0xFF7，表示它是一个坏簇。
文件RIVER.TXT的开始簇号为2，对应的FAT表中的值为0xFFF，表示这个簇已经是最后一个。
文件FLOWER.TXT的开始簇号为3，对应的FAT表中的值为0x004，表示文件还没有结束，下一个簇号是0x004，然后我们再看FAT表中第4个簇相对应的FAT值为0xFFF，则表示该是最后一个簇，则文件FLOWER.TXT占用第3、4簇。
如果想使文件内容分存在不连续的扇区内，有一个方法可以做到，就是先将该文件加入到软盘驱动中，然后在进行添加相同的文件，进行覆盖。当然该文件的大小必须大于512个字节。
1、突破512字节的限制
2、加载Loader进入内存
一、突破512字节的限制
一个操作系统从开机到开始运行，大致经历&引导—》加载内核入内存—》跳入保护模式—》开始执行内核&这样一个过程。也就是说，在内核开始执行之前不但要加载内核，还要准备保护模式等一系列工作，如果全部交给引导扇区来做，512字节很可能不够用，所以，不放把这个过程交给另外的模块来完成，我们把这个模块叫做Loader。引导扇区负责把Loader加载如内存并且把控制权交它，其他的工作放心地交给 Loader来做，因为它没有512字节的限制，将会灵活很多。
二、加载Loader进入内存
上一节我们已经详细介绍了FAT12文件系统的数据结构，下面我们需要思考的是两个问题：1、引导扇区通过怎样的步骤才能找到文件；2、如何能够把文件内容全都读出来并加载进入内存。
下面我们先解决第一个问题：
1、& 如何读取软盘？
(1)&&&&我们需要使用BIOS中断int 13h来读取软盘。它的用法如下表所示：
在这里我们只介绍了2种工作方式，中断int 13h还有其他的工作方式，如果需要可以自行查看内容。
(2)&&&&由上表我们可以知道：当读取某些扇区时，需要柱面（磁道）号(ch)，起始扇区号(cl)，磁头号(dh)。我们如何通过计算得到这些数据呢？
(3)&&&&现在万事俱备只欠东风了，下面我们就书写读取软盘扇区的函数ReadSector。
首先我们要知道该函数需要什么参数，这些参数存储在什么位置？
参数1：扇区号，存储在ax中
参数2：要读取扇区的个数，存储在cl中
参数3：数据缓冲区，即读取扇区数据后，将其存储在什么位置，用es:bx指向该缓冲区。
即函数的作用：从第ax个Sector开始，将cl个Sector读入es:bx中。
2、& 如何在软盘中寻找Loader.bin文件
(1)&&&&结合上一节所介绍的FAT12数据结构，从中我们可以知道，要寻找一个文件，首先需要在根目录区中寻找该文件的根目录条目；然后根据根目录条目获取文件开始簇数（也就是在数据区中存储的扇区）；最后读取文件内容到内存。
(2)&&&&嗯，是的，下面就让我们来完成第一步-----在根目录区中寻找该文件的根目录条目。
让我们开始思考这个问题，
首先要知道根目录区的开始扇区号是19，也就是说从第19扇区开始，根目录区占用扇区总数为14，也就是说，如果不能发现Loader.bin，需要将14个扇区都进行查找，于是需要一个大的循环在外围，控制着扇区的读取。
紧接着，我们每读取一个扇区，一个扇区是512个字节，一个根目录条目占32个字节，故一个扇区中存在512/32=16个根目录条目，所以需要添加一个循环，控制根目录条目的变化，从0—16进行循环。
最后，针对每一个根目录条目，我们只是要比较文件名，一个根目录条目的文件名占用11个字节，所以需要对每一个字节与&LOADER&& BIN&中的每一个字节进行比较，所以还是要添加一个循环，来控制字符的变化，即从0—11.
用C语言来表示该问题就是：
for( i = 根目录区的起始扇区号(19); i & 根目录区占有的扇区数(14);& i++)&&&&& {
&&&&&&&&&& for( j = 0;j & 一个扇区内存储的根目录条目个数(512/32=16); j++)&&& {
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& for(k =0; k & 根目录条目中文件名占用的空间(11个字符); k++) &&&& {
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& if(k=10)jmp LABEL_FILENAMEFOUND
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& if(ds:si= es:di) si++; di++;
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& else&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& }
&&&&&&&&&& }
(3)&&&&下面让我们来分析代码：
首先需要介绍下面可能需要用到的几个变量值:
BaseOfLoader&&&&&&&&&& equ& 09000h&&&& ;LOADER.BIN被加载到的位置---段地址
OffsetOfLoader&&&&&&& equ& 0100h&&&&&& ;LOADER.BIN被加载到的位置---偏移地址
RootDirSectors&&&&&&&& equ& 14&&&& ;根目录占用空间(BPB_RootEntCnt*32+511)/512
SectorNoOfRootDirectory&&&&&&& equ& 19&&&& ;Root Directory 的第一个扇区号
wRootDirSizeForLoop&&&&& dw&&& RootDirSectors&&&&&&&& ;Root Directory占用的扇区数，在循环中会递减至0
wSectorNo&&&&&&&&&&&&&&&& dw&&& 0&&&&&&&&&&&&&&& ;要读取的扇区号
bOdd&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& db&&&& 0&&&&&&&&&&&&&&& ;奇数还是偶数
LoaderFileName&&&&&& db&&&& &LOADER& BIN&,&&&& 0&&&&&& ;LOADER.BIN之文件名
(4)&&&&对上面这段代码画出它的简易流程图如下：
3、& 如何将Loader.bin文件加载到内存？
现在我们已经有了Loader.bin的起始扇区号，我们需要用这个扇区号来做两件事情：一件是把起始扇区装入内存，另一件则是通过它找到FAT中的项，从而找到Loader占用的其余所有扇区。
此时装入一个扇区对我们来说已经是很轻松的事了，可从FAT中找到一个项还是多少有些麻烦，下面我们就根据扇区号去FAT表中找到相应的项。在这里，将要写一个函数GetFATEntry，函数的输入就是扇区号(ax)，输出则是其对应的FAT项的值(ax)。
我们一起来思考这个函数如何去实现，我们知道了扇区号x，然后我们去FAT1中寻找x所对应的FATEntry，我们已经知道一个FAT项占1.5个字节。所以我们用x*3/2=y………z，y为商（偏移量)（字节），相对于FAT1的初始位置的偏移量；Z为余数（0或者1），是判断FATEntry是奇数还是偶数，0表示偶数，1表示奇数。然后我们让y/512=m………n，m为商，n为余数，此时m为FATEntry所在的相对扇区，n为在此扇区内的偏移量（字节）。因为FAT1表前面还有1个引导扇区，所以FATEntry所在的实际扇区号为m+1。然后读取m+1和m+2两个扇区，然后在偏移n个字节处，取出FATEntry，相当于读取两个字节。此时再利用z，如果z为0的话，此FAT项为前一个字节和后一个字节的后4位，如果z为1的话，此FATEntry取前一个字节的前4位和后一个字节。
下面我们实现GetFATEntry函数，函数的输入就是扇区号，输出则是其对应的FATEntry的值。
下面我们开始加载Loader.bin进入内存。
首先我们从根目录区中的Loader.bin的条目，获取文件的起始扇区号，然后加上BPB_RsrvSecCnt+BPB_FATSz16*2-2+RootDirSectors=1+（9*2）+14-2=31,，其中DeltaSectorNo=BPB_RsrvSecCnt+BPB_FATSz16*2-2=17。得到的结果才是文件的实际的起始扇区。获得起始扇区后，我们就可以调用ReadSector来读取扇区了。然后从FAT1表中获取FATEntry的值，判断是否为0FFFh，如果是，结束加载；如果不为0FFFh，意味着该文件没有读取完成，需要读取下一个扇区，此时的FATEntry的值，就是下一个扇区号，再将其转换为实际扇区号，再进行读取。
下面是函数的实现和注释
参考知识库
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