简单介绍主引导程序的扩展知识

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我们在前面讲解了主引导程序的基础知识，今天我们就来讲讲主引导程序的扩展。不过主引导程序有个限制，那便是主引导程序的代码量不能超过 512 字节！那么我们如何来突破这个限制呢？

我们现在的基本思路是在主引导程序中做如下工作：

1、完成最基本的初始化工作；

2、从存储介质中加载程序到内存中；

3、将控制权交由新加载的程序执行；

4、......

那么我们具体该如何做呢？思路如下图所示

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那么主引导程序应如何来加载存储介质中的其他程序呢？通过一定的文件系统的格式。那么什么是文件系统呢？它是指存储介质上组织文件数据的方法（数据组织的方式）。我们在此处以 FAT12 文件格式为例来进行讲解，为什么选用它呢？因为它的文件格式最为简单，也最适用于用来学习。FAT12 文件格式如下图所示

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FAT12 是 DOS 时代的早期文件系统；它的结构非常简单，一直沿用于软盘；它的基本组织单位有 3 个：字节（Byte）是基本的数据单位，扇区（Sector）是磁盘中的最小数据单元，簇（Cluster）是一个或多个扇区。我们的解决方案便是：1、使用 FAT12 对软盘（data.img）进行格式化；2、编写可执行程序（Loader），并将其拷贝到软盘中；3、主引导程序（boot）在文件系统中查找 Loader；4、将 Loader 复制到内存中，并跳转到入口地址处执行。

我们下来要进行的实验是：往虚拟软盘中写入文件。原材料有 FreeDos，Bochs，bximage。步骤是：1、创建虚拟软盘（data.img）；2、在 FreeDos 中进行格式化（FAT12）；3、将 data.img 挂载到 Linux 中，并写入文件。

我们先在 Linux 中创建一张虚拟软盘，然后将其挂载到 /mnt/hgfs/ 目录下（命令是 mount -o loop data.img /mnt/hgfs/），然后在 Linux 中创建两个文件 test.txt 和 loader.bin。test.txt 的内容是 This is test for virtual floopy ...，loader.bin 中的内容是很多行的 D.T.Software. ；然后将他们两个拷贝到虚拟软盘中（拷贝到 /mnt/hgfs/ 目录下），最后进行虚拟软盘的卸载（umount /mnt/hgfs/）。我们看看虚拟软盘中的文件

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我们看到在虚拟软盘中已经有两个文件了，再来看看他们的内容

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我们看到已经出现了我们所写的文件内容。那么我们现在已经有了一张虚拟软盘，里面包含有我们自己写的文件内容。那么我们现在已经做完了前两步了，下来我们的工作是 boot 查找目标文件（Loader），并读取文件的内容！下来我们来深入看看 FAT12 文件系统，FAT12 文件系统由引导区、FAT 表、根目录项表和文件数据组成。如下图所示

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FAT12 的主引导区存储的比较重要的信息是文件系统的类型，文件系统逻辑扇区总数，每簇包含的扇区数等。主引导区最后以 0x55AA 拉你个字节作为结束，共占用一个扇区。它的信息如下图所示

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下一步的是实验是读取 data.img 中的文件系统信息。步骤：1、创建 Fat12Header 结构体类型；2、使用文件流读取前 512 字节的内容；3、解析并打印相关的信息。下来我们进行相关的实验，我们以 C++ 语言来写出一个解析 Fat12Header 的程序，源码如下所示

#include 
#include 
#include 
#include 

#pragma pack(push)
#pragma pack(1)

struct Fat12Header
{
    char BS_OEMName[8];
    ushort BPB_BytsPerSec;
    uchar BPB_SecPerClus;
    ushort BPB_RsvdSecCnt;
    uchar BPB_NumFATs;
    ushort BPB_RootEntCnt;
    ushort BPB_TotSec16;
    uchar BPB_Media;
    ushort BPB_FATSz16;
    ushort BPB_SecPerTrk;
    ushort BPB_NumHeads;
    uint BPB_HiddSec;
    uint BPB_TotSec32;
    uchar BS_DrvNum;
    uchar BS_Reserved1;
    uchar BS_BootSig;
    uint BS_VolID;
    char BS_VolLab[11];
    char BS_FileSysType[8];
};

#pragma pack(pop)

void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{
    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(3);    // 偏移 3 个字节，因为与文件系统相关的东西都是从这开始的（上面表格中）

        in.readRawData(reinterpret_cast(&rf), sizeof(rf));

        rf.BS_OEMName[7] = 0;    // 将数组的最后一个成员赋 0 值，将他们在后边可以看做是字符串处理
        rf.BS_VolLab[10] = 0;
        rf.BS_FileSysType[7] = 0;

        qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;
        qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;
        qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;
        qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;
        qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;
        qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;
        qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;
        qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;
        qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;
        qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;
        qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;
        qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;
        qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;
        qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;
        qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;
        qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;
        qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;
        qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;
        qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;
    }

    file.close();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    Fat12Header f12;

    PrintHeader(f12, "E:\\data.img");
    
    return a.exec();
}

编译结果如下

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我们看到输出信息和上面的表格是一一对应的，下来我们在 PrintHeader 函数中添加几行代码，如下

file.seek(510);

uchar b510 = 0;
uchar b511 = 0;

in.readRawData(reinterpret_cast(&b510), sizeof(b510));
in.readRawData(reinterpret_cast(&b511), sizeof(b511));

qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;
qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;

我们定位到 510 字节处，看看 510 字节和 511 字节处是什么内容

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是最后的两个字节 55 和 aa。我们再来看看在创建的虚拟软盘中启动的时候，它会打印出什么，如下

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我们看到这个空的虚拟软盘在开机时输出的是这一行字符串，那么这行字符串是哪来的呢？通过上面的实验，我们可以得出下面的结论：1、在 FreeDos 中的 format 程序在格式化软盘的时候自动在第 0 扇区生成了一个主引导程序，这个主引导程序只打印一个字符串；2、文件格式和文件系统都是用于定义数据如何存放的规则，只要遵循这个规则就能成功读写目标数据。我们下来的问题就是如何在 FAT12 根目录中查找是否存在目标文件呢？我们首先来看看根目录区的大小和位置，如下

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我们看到根目录区中的第19个扇区中存放的是目录文件项，它的大小为 7168 个字节，计算公式如上图所示。FAT12 文件系统中的根目录区是由目录项构成，每一个目录项代表根目录中的一个文件索引。一些数据成员如下图所示

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下来我们就进行一个实验：读取 FAT12 文件系统的根目录信息。

步骤如下：

1、创建 RootEntry 结构体类型；

2、使用文件流顺序读取每个项的内容；

3、解析并打印相关的信息。

我们在进行实验之前，还是先来介绍下目录项中的一些关键成员吧。a> DIR_Name 文件名（用于判断是否为目标文件）；b> DIR_FstClus 文件数据起始存储位置（用于确定读取位置）；c> DIR_FileSize 文件大小（用于确定读取的字节数）。

我们还是基于 C++ 语言来写这个程序，源码如下

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#pragma pack(push)
#pragma pack(1)

struct Fat12Header
{
    char BS_OEMName[8];
    ushort BPB_BytsPerSec;
    uchar BPB_SecPerClus;
    ushort BPB_RsvdSecCnt;
    uchar BPB_NumFATs;
    ushort BPB_RootEntCnt;
    ushort BPB_TotSec16;
    uchar BPB_Media;
    ushort BPB_FATSz16;
    ushort BPB_SecPerTrk;
    ushort BPB_NumHeads;
    uint BPB_HiddSec;
    uint BPB_TotSec32;
    uchar BS_DrvNum;
    uchar BS_Reserved1;
    uchar BS_BootSig;
    uint BS_VolID;
    char BS_VolLab[11];
    char BS_FileSysType[8];
};

struct RootEntry
{
    char DIR_Name[11];
    uchar DIR_Attr;
    uchar reserve[10];
    ushort DIR_WrtTime;
    ushort DIR_WrtDate;
    ushort DIR_FstClus;
    uint DIR_FileSize;
};

#pragma pack(pop)

void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{
    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(3);

        in.readRawData(reinterpret_cast(&rf), sizeof(rf));

        rf.BS_OEMName[7] = 0;
        rf.BS_VolLab[10] = 0;
        rf.BS_FileSysType[7] = 0;

        qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;
        qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;
        qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;
        qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;
        qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;
        qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;
        qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;
        qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;
        qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;
        qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;
        qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;
        qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;
        qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;
        qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;
        qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;
        qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;
        qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;
        qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;
        qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;

        file.seek(510);

        uchar b510 = 0;
        uchar b511 = 0;

        in.readRawData(reinterpret_cast(&b510), sizeof(b510));
        in.readRawData(reinterpret_cast(&b511), sizeof(b511));

        qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;
        qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;
    }

    file.close();
}

RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, int i)
{
    RootEntry ret = {{0}};

    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) && (0 <= i) && (i < rf.BPB_RootEntCnt) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(19 * rf.BPB_BytsPerSec + i * sizeof(RootEntry));

        in.readRawData(reinterpret_cast(&ret), sizeof(ret));
    }

    file.close();

    return ret;
}

void PrintRootEntry(Fat12Header& rf, QString p)
{
    for(int i=0; i= 0 )
            {
                QString n = fn.mid(0, d);
                QString p = fn.mid(d + 1);

                if( name.startsWith(n) && name.endsWith(p) )
                {
                    ret = re;
                    break;
                }
            }
            else
            {
                if( fn == name )
                {
                    ret = re;
                    break;
                }
            }
        }
    }

    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    QString img = "E:\\data.img";
    Fat12Header f12;

    qDebug() << "Read Header:";

    PrintHeader(f12, img);

    qDebug() << endl;

    qDebug() << "Print Root Entry:";

    PrintRootEntry(f12, img);

    return a.exec();
}

我们来看看输出信息

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我们看到在输出的信息中就有我们自己写的 test.txt 文件和 loader.bin 文件。下来我们来使用下 FindRootEntry 这个函数来进行文件的查找，在 main.cpp 中添加如下代码

    RootEntry re = FindRootEntry(f12, img, "LOADER.BIN");
    
    qDebug() << "DIR_Name: " << hex << re.DIR_Name;
    qDebug() << "DIR_Attr: " << hex << re.DIR_Attr;
    qDebug() << "DIR_WrtDate: " << hex << re.DIR_WrtDate;
    qDebug() << "DIR_WrtTime: " << hex << re.DIR_WrtTime;
    qDebug() << "DIR_FstClus: " << hex << re.DIR_FstClus;
    qDebug() << "DIR_FileSize: " << hex << re.DIR_FileSize;

我们来看看会输出什么信息

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我们看到输出的是 loader.bin 文件的相关信息，我们将其换成 test.txt 呢，看看结果

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我们再来随便写个文件名试试呢

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我们看到打印的全是 0。下来我们来看看 FAT 表中的先后关系，它是以簇（扇区）为单位存储文件数据，每个表项（vec[i]）表示文件数据的实际位置（簇）。即 DIR_FstClus 表示文件第 0 簇（扇区）的位置，vec[DIR_FstClus] 表示文件第 1 簇（扇区）的位置；vec[vec[DIR_FstClus]] 表示文件第 2 簇（扇区）的位置。下面来看看 FAT12 数据物理组织示意图，如下如所示

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即比如它的起始为 C，然后下一个表项为 O，O 指向的下一个表项又是 Z，以此类推直至最后的 S 指向的表项为 NULL。其实它的数据组织方式和我们之前所接触的单链表是有点类似的，它的逻辑组织示意图如下图所示

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下来我们再来进行一个实验，加载 FAT12 中的文件数据。

步骤如下：

1、在根目录区查找目标文件对应的项；

2、获取目标文件的起始簇号和文件大小；

3、根据 FAT 表中记录的逻辑先后关系读取数据。

值得注意的是：FAT 表中的每个表只占用 12 比特（1.5字节）；FAT 表一共记录了 BPB_BytsPerSec * 9 * 2 / 3 个表项；可以使用一个 short 表示一个表项的值；如果表项值大于等于 0xFF8，这说明已经到达最后一个簇；如果表项值等于 0xFF7，则说明当前簇已经损坏；数据区起始簇（扇区）号为 33，地址为 0x4200；数据区起始地址所对应的标号为 2 （不为 0）；因此，DIR_FstClus 对应的地址为：0x4200 + (DIR_FstClus - 2) * 512。

我们基于前面编写的代码再次编写。源码如下

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#pragma pack(push)
#pragma pack(1)

struct Fat12Header
{
    char BS_OEMName[8];
    ushort BPB_BytsPerSec;
    uchar BPB_SecPerClus;
    ushort BPB_RsvdSecCnt;
    uchar BPB_NumFATs;
    ushort BPB_RootEntCnt;
    ushort BPB_TotSec16;
    uchar BPB_Media;
    ushort BPB_FATSz16;
    ushort BPB_SecPerTrk;
    ushort BPB_NumHeads;
    uint BPB_HiddSec;
    uint BPB_TotSec32;
    uchar BS_DrvNum;
    uchar BS_Reserved1;
    uchar BS_BootSig;
    uint BS_VolID;
    char BS_VolLab[11];
    char BS_FileSysType[8];
};

struct RootEntry
{
    char DIR_Name[11];
    uchar DIR_Attr;
    uchar reserve[10];
    ushort DIR_WrtTime;
    ushort DIR_WrtDate;
    ushort DIR_FstClus;
    uint DIR_FileSize;
};

#pragma pack(pop)

void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{
    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(3);

        in.readRawData(reinterpret_cast(&rf), sizeof(rf));

        rf.BS_OEMName[7] = 0;
        rf.BS_VolLab[10] = 0;
        rf.BS_FileSysType[7] = 0;

        qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;
        qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;
        qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;
        qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;
        qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;
        qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;
        qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;
        qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;
        qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;
        qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;
        qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;
        qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;
        qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;
        qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;
        qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;
        qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;
        qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;
        qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;
        qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;

        file.seek(510);

        uchar b510 = 0;
        uchar b511 = 0;

        in.readRawData(reinterpret_cast(&b510), sizeof(b510));
        in.readRawData(reinterpret_cast(&b511), sizeof(b511));

        qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;
        qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;
    }

    file.close();
}

RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, int i)
{
    RootEntry ret = {{0}};

    QFile file(p);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) && (0 <= i) && (i < rf.BPB_RootEntCnt) )
    {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(19 * rf.BPB_BytsPerSec + i * sizeof(RootEntry));

        in.readRawData(reinterpret_cast(&ret), sizeof(ret));
    }

    file.close();

    return ret;
}

void PrintRootEntry(Fat12Header& rf, QString p)
{
    for(int i=0; i= 0 )
            {
                QString n = fn.mid(0, d);
                QString p = fn.mid(d + 1);

                if( name.startsWith(n) && name.endsWith(p) )
                {
                    ret = re;
                    break;
                }
            }
            else
            {
                if( fn == name )
                {
                    ret = re;
                    break;
                }
            }
        }
    }

    return ret;
}

QVector ReadFat(Fat12Header& rf, QString p)
{
    QFile file(p);
    int size = rf.BPB_BytsPerSec * 9;
    uchar* fat = new uchar[size];
    QVector ret(size * 2 / 3, 0xFFFF);

    if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
  {
        QDataStream in(&file);

        file.seek(rf.BPB_BytsPerSec * 1);

        in.readRawData(reinterpret_cast(fat), size);

        for(int i=0, j=0; i((fat[i+1] & 0x0F) << 8) | fat[i];
            ret[j+1] = static_cast(fat[i+2] << 4) | ((fat[i+1] >> 4) & 0x0F);
        }
    }

    file.close();

    delete[] fat;

    return ret;
}

QByteArray ReadFileContent(Fat12Header& rf, QString p, QString fn)
{
    QByteArray ret;
    RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, fn);

    if( re.DIR_Name[0] != '\0' )
    {
        QVector vec = ReadFat(rf, p);
        QFile file(p);

        if( file.open(QIODevice::ReadOnly) )
        {
            char buf[512] = {0};
            QDataStream in(&file);
            int count = 0;

            ret.resize(re.DIR_FileSize);

            for(int i=0, j=re.DIR_FstClus; j<0xFF7; i+=512, j=vec[j])
            {
                file.seek(rf.BPB_BytsPerSec * (33 + j - 2));

                in.readRawData(buf, sizeof(buf));

                for(uint k=0; k        我们来看看打印信息
        这便是我们之前自己写的内容，说明已经成功获取到了。我们再来随便写个文件的名字，看看会获取到什么
        我们看到是空的，什么也没有。直到现在，我们已经对主引导程序中的文件成功的进行了加载并解析内容。通过今天对主引导程序扩展的学习，总结如下：1、主引导程序的代码量不超过 512 字节，可以通过主引导程序加载新程序的方式突破限制；2、加载新程序需要依赖于文件系统；3、FAT12 是一种早期用于软盘的简单文件系统，它的重要信息存储于 0 扇区；4、FAT12 根目录区记录了文件的起始簇号和长度；5、通过查找根目录区能够确定是否存在目标文件；6、FAT12 文件数据的组织使用了单链表的思想，文件数据离散的分布于存储介质中，文件数据通过 FAT 项进行关联。
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重庆分公司，新征程启航

简单介绍主引导程序的扩展知识

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