项目1_接管裸机的控制权

实验项目1：接管裸机的控制权

实验题目

接管裸机的控制权

实验目的

• 熟悉虚拟机的安装、配置、使用；
• 搭建和应用实验环境，了解各种工具的使用；
• 编写NASM汇编程序；
• 接管裸机的控制权。

实验要求

任务一：搭建和应用实验环境

虚拟机安装，生成一个基本配置的虚拟机XXXPC和多个1.44MB容量的虚拟软盘，将其中一个虚拟软盘用DOS格式化为DOS引导盘，用WinHex工具将其中一个虚拟软盘的首扇区填满你的个人信息。

任务二：接管裸机的控制权

设计IBM_PC的一个引导扇区程序，程序功能是：用字符‘A’从屏幕左边某行位置45度角下斜射出，保持一个可观察的适当速度直线运动，碰到屏幕的边后产生反射，改变方向运动，如此类推，不断运动；在此基础上，增加你的个性扩展，如同时控制两个运动的轨迹，或炫酷动态变色，个性画面，如此等等，自由不限。还要在屏幕某个区域特别的方式显示你的学号姓名等个人信息。将这个程序的机器码放进放进第三张虚拟软盘的首扇区，并用此软盘引导你的XXXPC，直到成功。

实验方案

实验中用到的工具列表

• 操作系统：Windows 10
• 代码编辑器：Visual Studio Code 1.32.1
• 二进制文件编辑器：WinHex 14.2
• 磁盘工具：WinImage 9.00
• 虚拟机软件：VMware Workstation 15 Pro
• 终端：cmder v1.3.11
• Linux 环境：WSL Ubuntu, 4.4.0-17763-Microsoft
• 汇编编译器：NASM 2.11.08 (On Linux)

任务一：搭建和应用实验环境

该任务比较基础，此处仅简述试验方案。详细流程参见“实验过程”栏目。

• 虚拟机的安装，使用 VMware Workstation 15 Pro 软件，并按照流程创建一个最低配置（1个单核处理器，4MB内存，无网络）的裸机环境。
• 使用WinImage工具创建虚拟软盘文件。
• 使用WinHex工具修改虚拟软盘的内容。
• 制作 MS-DOS 引导镜像，用 VMware 加载。

任务二：接管裸机的控制权

字符反射运动的汇编程序已经提供了（stoneM.asm），我只在其的基础上进行功能扩充和代码优化。下面简述我的试验方案：

1. 规范化汇编程序

   1. 经查阅资料得知，系统启动并自检完成后，会将软盘的第一个扇区中的内容读入内存地址0000:7C00中，接着检查扇区末尾的两个字节是否等于0x55和0xAA，如果是，则说明该扇区为有效的主引导记录。

      因此，在汇编程序中应规定被装入的内存地址为0x7C00，且第511、512个字节必须是0x55和0xAA。

      注意，源程序中为org 100h，是错误的，必须更正。

   2. 改写已提供的汇编程序，命名为jed_stone.asm。开头部分加入如下指令，可以使程序装载到正确的位置：

      org 7C00h

   3. 在jed_stone.asm结尾处添加如下代码：

      times 510-($-$$) db 0   ; 填充0，一直到第510字节
      db 55h, 0AAh            ; 扇区末尾两个字节为0x55和0xAA

      这两行代码的作用是将程序的剩余部分用0填充，直到第510个字节。之后，填充第511和第512个字节为0x55和0xAA。这样子编译出的程序机器码将正好是512字节。

2. 添加字符变色功能

   1. 在研究了字符反射的原理后得知，每次显示一个处于新位置的字符时，程序都会转到标签show处去执行。因此要使字符变色，只需要在每次显示字符前改变其属性即可。

      字符属性是保存在一个字节中的（详见“实验总结”栏目），为了使得每次显示字符的属性不同，需要将字符属性保存在内存中的一个位置：

      curcolor2 db 09h        ; 保存当前字符颜色属性，用于移动的字符

   2. 在show中添加内容，使字符属性每次递增以改变颜色。但为了只改变前景色而不改变背景色，需要让字符属性在0x01和0x0F之间变化：

      show:
          xor ax,ax               ; 计算显存地址
          mov ax,word[x]
          mov bx,80
          mul bx
          add ax,word[y]
          mov bx,2
          mul bx
          mov bp,ax
          mov ah,[curcolor2]      ; 弹字符的背景色和前景色（默认值为07h，详见文档）
          inc byte[curcolor2]
          cmp byte[curcolor2], 0fh
          jnz skip
          mov byte[curcolor2], 1  ; 为了不改变背景色
      skip:
          mov al,byte[char]       ; AL = 显示字符值（默认值为20h=空格符）
          mov word[gs:bp],ax      ; 显示字符的ASCII码值

3. 在屏幕顶端显示个人信息

   1. 将个人信息字符串以及字符串的长度保存在内存中：

      myinfo db '                             Zhang Yixin, 17341203                            '
      infolen dw $-myinfo     ; myinfo字符串的长度

   2. 我们已经学会如何在屏幕指定位置显示1个字符，那么只需使用循环结构就可以显示多个字符（也就是显示字符串）。代码如下，同样加在show后面：

          mov si, myinfo          ; 显示姓名和学号
          mov di, 2
          mov cx, word[infolen]
      loop2:                      ; 显示myinfo中的每个字符
          mov al, byte[ds:si]
          inc si
          mov ah, [curcolor]      ; 背景色和前景色
          add byte[curcolor], 12h ; 变色，该数字可随意调节以达到不错的效果
          mov word [gs:di],ax
          add di,2
          loop loop2

   3. 为个人信息的显示添加炫酷变色效果。与字符变色的原理类似，同样采取保存字符属性、每次显示前递增字符属性的方法。与之不同的是，这里允许背景色、前景色都可以改变。此处略去。

4. 安装和配置编译环境。我使用VS Code+cmder+WSL(Windows Subsystem for Linux)+NASM作为开发环境。这些工具的安装不在此处叙述。

   工具准备就绪后，在jed_stone.asm目录下打开cmder并进入bash。使用NASM编译并生成机器码。生成的文件应该以.img为后缀，可以直接作为 VMware 的软盘镜像使用。

   nasm jed_stone.asm -o jed_stone.img

   此时若没有错误提示出现，则说明成功！如下图所示：

   

5. 将生成的jed_stone.img作为 VMware 的软盘镜像。设置方法如图：

   

6. 准备工作全部完成，可以正式开始实验了！

实验过程

任务一：搭建和应用实验环境

1. 虚拟机的安装

   1. 下载安装好 VMware Workstation 15 Pro。

   2. 打开 VMware 主界面，点击【文件】-【新建虚拟机】-【自定义】，在后续步骤中，操作系统和版本选择“其他”，虚拟机命名为JedPC。处理器数量、内核数量均设置为1，虚拟机内存设置为4MB，其他设置保持默认。

   3. 在虚拟硬件中添加一个软盘驱动器备用。为了避免麻烦，将网络适配器移除掉（可选的步骤）。最终，虚拟机设置如图所示：

      

   4. 至此虚拟机创建完成，尝试开机，提示“Operating System not found”，如图所示。这是意料之中的结果。

      

2. 制作1.44MB虚拟软盘，并格式化为 DOS 引导盘

   1. 下载 MS-DOS 6.22 镜像DOS622.IMG，并为其创建一个新的虚拟机。创建一个软盘驱动器，将 DOS 镜像加载。

      

   2. 打开 WinImage，制作一个空的 1.44 MB软盘镜像文件empty.flp。

      

   3. 回到虚拟机，再添加一个软盘驱动器，将这个空的镜像文件加载。

      

   4. 开启虚拟机，依据提示安装 DOS 系统。如图，很快便安装好了：

      

   5. 此时，A:为 DOS 安装盘，B:是刚刚添加的空软盘，即empty.flp。使用以下命令格式化该软盘。

      format b:

      按提示操作，如图：

      

   6. 对比格式化前后empty.flp文件内容的变化。以下截图来自WinHex工具：

      格式化前，内容是由WinImage默认填充的。格式化后，变为 DOS 的特有格式：

      

3. 制作1.44MB虚拟软盘，并在首扇区填满个人信息

   1. 首先使用WinImage工具制作一个1.44MB软盘镜像文件。

   2. 用WinHex打开。首扇区即为前512个字节，在这段空间内使用【剪贴板写入】功能将自己的个人信息写入进去。注意扇区末尾的两个字节应为0x55 0xAA。

      

   3. 保存文件。

任务二：接管裸机的控制权

1. 按照“实验方案”栏目中的步骤创建好jed_stone.img软盘镜像文件并将其设置在 VMware 中的虚拟软盘镜像后，开启虚拟机，无需其他操作即可看到效果。以下随意截取三张屏幕截图：

   • 开机约3秒的截图：

     

   • 开机约10秒的截图：

     

   • 开机约50秒的截图：

     

实验总结

警示与技巧

• 3.5寸软盘容量的计算如下：

  80（磁道）x18（扇区）x512 bytes(扇区)x2（双面） = 1440 x1024 bytes = 1440 KB = 1.44MB

  并非1.44*1024*1024，在创建磁盘文件的时候需要注意这个小问题，从而保持严谨性。

• 主引导记录扇区的末尾两个字节必须是0x55和0xAA，可以每次生成img文件后再用WinHex手动添加这两个字节，不过这样做太麻烦了。

  一种不错的方法是，在汇编文件末尾加上这两条伪指令：

  times 510-($-$$) db 0 ; 填充0，一直到第510字节
  db 55h, 0AAh          ; 扇区末尾两个字节为0x55和0xAA

  其中$-$$是汇编中的一个常用技巧，它代表“本扇区到目前为止的字节数”。

• 如何对屏幕字符的背景色和前景色进行控制？每个字符的显示由2个字节表示，低字节是字符的ASCII码，高字节是字符的颜色属性。对于颜色属性的1个字节，从高到低的8个比特位依次用字母表示为：KRGBIRGB，高四位控制背景色，低四位控制前景色，如下表：

  

心得与体会

尽管我早有使用虚拟机的经验，不过之前都是运行现成的操作系统。在裸机（虚拟的裸机）上跑程序还是第一次。

开始设计实验方案前，“接管裸机的控制权”这一任务看似十分困难，因为我完全不理解计算机是如何开机的、如何自举的，刚刚上电时计算机的CPU、内存将做什么操作等等。不过后来通过上课、查阅资料、与同学讨论，我逐渐填补了知识上的漏洞，懂得了计算机开机时会去哪个设备的哪个扇区，将多少数据传送到内存中的哪个单元；还学会了以文本方式在显示器上显示字符和字符串，甚至还直到如何改变字符的颜色和背景。

在之前的计算机组成原理课程中，我虽然学过一点 x86 汇编的知识，可是真正上手编程的机会并不是很多。通过本次实验，我学习了 NASM 汇编的格式、伪指令等知识。在程序末尾使用times伪指令来填充数据是我学到新的 NASM 汇编知识的一个例子。

疑惑与问题

• 都说主引导扇区末尾两个字节必须是 55AA。可是当引导程序不足512个字节时（此时第511和512个字节当然不是55和AA，因为它们根本不存在），虚拟机仍然可以正确引导程序。

参考资料

1. Linux dd命令 | 菜鸟教程
2. 软盘_百度百科