ブートローダーを書く

この記事は、さまざまなものがどのように機能するかを常に知りたい人のために書かれました。 通常、高レベルでプログラムを作成する開発者にとって、C、C ++、またはJavaは重要ではありませんが、同時に低レベルで何かをする必要に直面しています。 例としてブートローダーを使用した低レベルのプログラミングを検討します。

コンピューターの電源を入れた後の動作とシステムの起動方法について説明します。 実際の例として、実際にシステムを起動するための開始点である、独自のブートローダーの作成方法を検討してください。

ブートローダーとは何ですか？

ブートローダーは、ハードドライブの最初のセクターに記録されるプログラムです。 BIOSは、電源をオンにした直後に、最初のセクターのすべての内容を自動的にメモリに読み込みます。 最初のセクターは、マスターブートレコードとも呼ばれます。 実際、ハードドライブの最初のセクターで何かをロードする必要はありません。 開発者がこのようなメカニズムを使用してオペレーティングシステムをロードしたため、この名前は歴史的に確立されました。

より深く潜る準備をする

このセクションでは、独自のブートローダーを開発するために必要な知識とツール、およびシステムのブートに関する有用な情報について説明します。

ブートローダーを作成するには、どの言語を知っておく必要がありますか

まず第一に、コンピューターの実行中、ハードウェア制御は主に「割り込み」として知られるBIOS機能を通じて実行されます。 アセンブラーで中断を引き起こすことができるだけです-この言語に少なくとも少し精通していれば素晴らしいでしょう。 しかし、これは前提条件ではありません。 なんで？ 「混合コード」テクノロジーを使用して、高レベルの設計と低レベルのチームを組み合わせることができます。 これはタスクを大幅に単純化するものではありません。

この記事では、主にC ++言語を使用します。 しかし、Cを知っていれば、必要なC ++要素を簡単に学ぶことができます。 一般に、C言語の知識さえあれば十分ですが、例のソースコードを変更する必要があります。

JavaまたはC＃を知っている場合、残念ながらこれはタスクに役立ちません。 実際には、コンパイル後に生成されるJavaおよびC＃コードは中間です。 特別な仮想マシンがさらなる処理に使用され（Javaの場合はJavaマシン、C＃の場合は.NET）、中間コードをプロセッサーの命令に変換します。 変換後、実行できます。 このようなアーキテクチャにより、混合コードテクノロジーの使用は不可能になりますが、それを使用して生活を楽にするため、JavaとC＃はここでは役に立ちません。

したがって、単純なローダーを開発するには、CまたはC ++を知っている必要があります。また、少しアセンブラーを知っていると便利です。

どのコンパイラが必要ですか

混合コードテクノロジを使用するには、少なくとも2つのコンパイラが必要です。アセンブラとC / C ++、およびオブジェクトファイル（.obj）を1つの実行可能ファイルに結合するリンカ用です。

それでは、いくつかの特別なポイントについて話しましょう。 プロセッサー操作には、実モードと保護モードの2つのモードがあります。 リアルモードは16ビットであり、いくつかの制限があります。 保護モードは32ビットであり、オペレーティングシステムによって完全に使用されます。 コンピュータが起動したばかりのとき、プロセッサは16ビットモードで実行されます。 したがって、プログラムを作成して実行可能ファイルを取得するには、16ビットモードのアセンブラー用のコンパイラーとリンカーが必要です。 C / C ++の場合、16ビットモードのオブジェクトファイルを作成できるコンパイラのみが必要です。

最新のコンパイラは32ビットアプリケーション用に作成されているため、使用できません。

16ビットモード用の無料の商用コンパイラをいくつか試し、Microsoftの製品を選択しました。 コンパイラーとアセンブラー用のアセンブラー、CおよびC ++は、Microsoft Visual Studio 1.52に含まれており、会社の公式Webサイトからダウンロードできます。 必要なコンパイラに関する詳細を以下に示します。

ML 6.15は、16ビットモード用のMicrosoftのアセンブラコンパイラです。
LINK 5.16は、16ビットモード用のCOMファイルを作成できるリンカーです。
CL -16ビットモード用のC、C ++コンパイラ。

いくつかの代替オプションを使用することもできます。

DMCは、16ビットおよび32ビットのデジタル火星モード用のアセンブラ、C、C ++をコンパイルするための無料のコンパイラです。
LINKは、DMCコンパイラ用の無料のリンカです。

ボーランドの製品もいくつかあります。

BCC 3.5-16ビットモードのファイルを作成できるC、C ++コンパイラ。
TASMは、16ビットモード用のアセンブラコンパイラです。
TLINKは、16ビットモード用のCOMファイルを作成できるリンカーです。

この記事のすべてのコード例は、Microsoftのツールを使用して開発されました。

システムの起動方法

問題を解決するために、システムのロード方法を覚えておく必要があります。
システムの起動時にシステムのコンポーネントがどのように相互作用するかを簡単に考えてみましょう。



コントロールがアドレス0000：7C00に転送された後、マスターブートレコード（MBR）は作業を開始し、オペレーティングシステムの読み込みを開始します。

コーディングに移りましょう

次のセクションでは、低レベルのプログラミングに直接関与します-独自のブートローダーを作成します。

プログラムアーキテクチャ

私たちは自分用のブートローダーを開発しています。 そのタスクは次のとおりです。

1. アドレス0000のメモリへの正しいロード：7 C00。
2. 高水準言語で作成した関数のBootMainを呼び出します。
3. 「Hello、world ...」というフレーズを低レベルから表示します。

プログラムのアーキテクチャ。



最初のオブジェクトはStartPointであり、これはアセンブラー専用に記述されています。高水準言語には必要な命令がないためです。 これにより、コンパイラに使用するメモリの種類と、読み取り後に実行する必要があるRAM内の命令のアドレスが通知されます。 また、プロセッサのレジスタを修正し、高レベル言語で記述されたBootMain関数に制御を渡します。

次のオブジェクトであるBootMainはmainの類似物であり、これはすべてのプログラム機能が集中するメイン機能です。

CDisplayおよびCStringクラスは、プログラムの機能部分を処理し、画面にメッセージを表示します。 前の図でわかるように、CDisplayクラスはその作業でCStringクラスを使用します。

開発環境

ここでは、Microsoft Visual Studio 2005または2008の標準開発環境を使用します。他のツールも使用できますが、これら2つのツールは、いくつかの設定があれば、簡単かつ便利にコンパイルして動作します。

まず、主な作業を行うMakefileプロジェクトを作成する必要があります。

ファイル->新規\プロジェクト->一般\メイクファイルプロジェクト

BIOS割り込みとスクリーンクリーニング

画面にメッセージを表示するには、最初にメッセージをクリアする必要があります。 この目的のために特別なBIOS割り込みを使用します。

BIOSは、ビデオカード、キーボード、システムディスクなどのハードウェアを操作するための多数の割り込みを提供します。 各割り込みの構造は次のとおりです。

int [number_of_interrupt]; 

ここで、「number_of_interrupt」は割り込み番号です。

各割り込みには、呼び出される前に設定する必要があるいくつかのパラメーターがあります。 プロセッサのレジスタはahであり、常に現在の割り込みの機能の数を担当します。通常、他のレジスタは現在の操作の他のパラメータに使用されます。 アセンブラで割り込み番号10hがどのように機能するかを見てみましょう。 00関数を使用して、ビデオモードを変更し、画面をクリアします。

 mov al, 02h;    80x25 () mov ah, 00h;      int 10h;   

アプリケーションで使用される割り込みと機能のみを考慮します。 必要なもの：

 int 10h, function 00h –       ; int 10h, function 01h –   ; int 10h, function 13h –    ; 

「混合コード」

C ++コンパイラは組み込みアセンブラをサポートしています。つまり、高レベル言語でコードを記述する場合、低レベル言語を使用することもできます。 高レベルで使用されるアセンブラー命令は、asm挿入とも呼ばれます。 これらは、キーワード「__asm」とアセンブラー命令のブロックで構成されています。

 __asm ;  ,    ASM  { ;   … ;     } ;   

混合コードの例を示すために、スクリーンクリーニングを実行し、それをC ++で記述されたコードと組み合わせる、前述のアセンブラコードを使用します。

 void ClearScreen() { __asm { mov al, 02h;    80x25 () mov ah, 00h;      int 10h;   } } 

Cstringの実装

CStringクラスは、文字列を処理するように設計されています。 Strlen（）メソッドが含まれています。このメソッドは、文字列へのポインターをパラメーターとして受け取り、その文字列の文字数を返します。

CDisplayクラスは、画面で動作するように設計されています。 いくつかのメソッドが含まれています。

1. TextOut（）-画面に行を表示します。
2. ShowCursor（）-画面上の表示カーソルを制御します：表示、非表示。
3. ClearScreen（）-ビデオモードを変更し、画面をクリアします。

 // CString.h #ifndef __CSTRING__ #define __CSTRING__ #include "Types.h" class CString { public: static byte Strlen(const char far* inStrSource); }; #endif // __CSTRING__ // CString.cpp #include "CString.h" byte CString::Strlen(const char far* inStrSource) { byte lenghtOfString = 0; while(*inStrSource++ != '\0') { ++lenghtOfString; } return lenghtOfString; } 

CDisplay-実装

  // CDisplay.h #ifndef __CDISPLAY__ #define __CDISPLAY__ // // colors for TextOut func // #define BLACK 0x0 #define BLUE 0x1 #define GREEN 0x2 #define CYAN 0x3 #define RED 0x4 #define MAGENTA 0x5 #define BROWN 0x6 #define GREY 0x7 #define DARK_GREY 0x8 #define LIGHT_BLUE 0x9 #define LIGHT_GREEN 0xA #define LIGHT_CYAN 0xB #define LIGHT_RED 0xC #define LIGHT_MAGENTA 0xD #define LIGHT_BROWN 0xE #define WHITE 0xF #include "Types.h" #include "CString.h" class CDisplay { public: static void ClearScreen(); static void TextOut( const char far* inStrSource, byte inX = 0, byte inY = 0, byte inBackgroundColor = BLACK, byte inTextColor = WHITE, bool inUpdateCursor = false ); static void ShowCursor( bool inMode ); }; #endif // __CDISPLAY__ // CDisplay.cpp #include "CDisplay.h" void CDisplay::TextOut( const char far* inStrSource, byte inX, byte inY, byte inBackgroundColor, byte inTextColor, bool inUpdateCursor ) { byte textAttribute = ((inTextColor) | (inBackgroundColor << 4)); byte lengthOfString = CString::Strlen(inStrSource); __asm { push bp mov al, inUpdateCursor xor bh, bh mov bl, textAttribute xor cx, cx mov cl, lengthOfString mov dh, inY mov dl, inX mov es, word ptr[inStrSource + 2] mov bp, word ptr[inStrSource] mov ah, 13h int 10h pop bp } } void CDisplay::ClearScreen() { __asm { mov al, 02h mov ah, 00h int 10h } } void CDisplay::ShowCursor( bool inMode ) { byte flag = inMode ? 0 : 0x32; __asm { mov ch, flag mov cl, 0Ah mov ah, 01h int 10h } } 

Types.h-実装

Types.hは、データ型とマクロ定義を含むヘッダーファイルです。

 // Types.h #ifndef __TYPES__ #define __TYPES__ typedef unsigned char byte; typedef unsigned short word; typedef unsigned long dword; typedef char bool; #define true 0x1 #define false 0x0 #endif // __TYPES__ 

BootMain.cpp-実装

BootMain（）はプログラムのメイン関数であり、最初のエントリポイントです（main（）に類似）。 主な作業はここで行われます。

 // BootMain.cpp #include "CDisplay.h" #define HELLO_STR "\"Hello, world…\", from low-level..." extern "C" void BootMain() { CDisplay::ClearScreen(); CDisplay::ShowCursor(false); CDisplay::TextOut( HELLO_STR, 0, 0, BLACK, WHITE, false ); return; } 

StartPoint.asm-実装

 ;------------------------------------------------------------ .286 ; CPU type ;------------------------------------------------------------ .model TINY ; memory of model ;---------------------- EXTERNS ----------------------------- extrn _BootMain:near ; prototype of C func ;------------------------------------------------------------ ;------------------------------------------------------------ .code org 07c00h ; for BootSector main: jmp short start ; go to main nop ;----------------------- CODE SEGMENT ----------------------- start: cli mov ax,cs ; Setup segment registers mov ds,ax ; Make DS correct mov es,ax ; Make ES correct mov ss,ax ; Make SS correct mov bp,7c00h mov sp,7c00h ; Setup a stack sti ; start the program call _BootMain ret END main ; End of program 

全部まとめましょう

COMフ​​ァイルを作成する

コードが開発されたので、16ビットOSのファイルに変換する必要があります。 そのようなファイルは.COMファイルです。 コマンドラインからコンパイラーを起動し、必要なパラメーターを渡して、いくつかのオブジェクトファイルを取得できます。 次に、リンカーを実行して、すべての.COMファイルを拡張子付きの1つの実行可能ファイルに変換します。 コム この作業は有能なオプションですが、それほど簡単ではありません。

このプロセスをより自動化しましょう。 これを行うには、.batファイルを作成し、必要なパラメーターとともに必要なコマンドを書き込む必要があります。



コンパイラとリンカーをプロジェクトディレクトリに配置します。 同じディレクトリに、例に従ってバッチファイルを作成し、入力します（VC152の代わりに任意のディレクトリを使用できます。主なことは、コンパイラとリンカがその中にあることです）。

 .\VC152\CL.EXE /AT /G2 /Gs /Gx /c /Zl *.cpp .\VC152\ML.EXE /AT /c *.asm .\VC152\LINK.EXE /T /NOD StartPoint.obj bootmain.obj cdisplay.obj cstring.obj del *.obj 

組み立て-自動化

このセクションの最後のステップとして、Microsoft Visual Studio 2005、2008をあらゆるコンパイラをサポートする開発環境に変える方法を説明します。 これを行うには、プロジェクトのプロパティに移動します： Project-> Properties-> Configuration Properties \ General-> Configuration Type 。

[ 構成プロパティ ]タブには、[ 全般 ]、[ デバッグ]、および[ NMake ]の3つの項目が含まれています 。 NMakeを選択し、 Build Command LineおよびRebuild Command Linで「build.bat」へのパスを指定します。



すべてが正しく完了したら、F7キーまたはCtrl + F7キーを押してコンパイルできます。 この場合、すべての関連情報が出力ウィンドウに表示されます。 ここでの主な利点は、アセンブリの自動化だけでなく、コード内のエラー（存在する場合）の監視でもあります。

テストとデモンストレーション

このセクションでは、ブートローダーの動作を確認する方法、テストとデバッグを実行する方法について説明します。

ブートローダーの確認方法

実際のハードウェアで、またはこれらの目的のために開発された仮想マシンであるVMwareを使用して、ブートローダーを確認できます。 実際のハードウェアでテストすることにより、仮想マシンと同様に機能することを確信できます。 もちろん、VmWareはテストとデバッグの優れた方法であると言えます。 両方の方法を検討します。

まず、ブートローダーを仮想ディスクまたは物理ディスクに書き込むツールが必要です。 私の知る限り、無料の商用コンソールとGUIアプリケーションがいくつかあります。 NTFS 3.66のディスクエクスプローラー（FATのディスクエクスプローラーと呼ばれるFATのバージョン）を使用してWindowsで動作し、Norton Disk Editor 2002を使用してMS-DOSで動作しました。

NTFS 3.66用のディスクエクスプローラーについて説明するのは、最も簡単な方法であり、目的に最も適しているからです。

VmWare仮想マシンを使用したテスト

仮想マシンの作成

VmWareソフトウェアバージョン5.0、6.0以上が必要です。 ブートローダーをテストするには、最小ディスクサイズ（たとえば、1 Gb）で新しい仮想マシンを作成します。 NTFSファイルシステムにフォーマットします。 次に、フォーマットされたハードドライブを仮想ドライブとしてVmWareにマップする必要があります。 これを行うには、次を選択します。

ファイル->仮想ディスクのマップまたは切断...

その後、ウィンドウが表示されます。 そこで[マップ]ボタンをクリックする必要があります。 表示される次のウィンドウで、ディスクへのパスを指定する必要があります。 ドライブ文字も選択できるようになりました。



「読み取り専用モードでファイルを開く（推奨）」ボックスのチェックを外すことを忘れないでください。 上記のすべての指示を完了したら、データの破損を防ぐために、ドライブを読み取り専用モードで使用可能にする必要があります。

その後、Windowsの通常の論理ドライブと同様に、仮想マシンドライブで作業できます。 ここで、NTFS 3.66用のディスクエクスプローラーを使用して、位置0からブートレコードを書き込む必要があります。

NTFS用ディスクエクスプローラーの使用

プログラムを開始した後、ドライブに移動します（[ファイル]-> [ドライブ]）。 表示されるウィンドウで、論理ドライブのセクションに移動し、作成したドライブ（私の場合はZ）を選択します。



次に、16進コマンドとして表示のメニュー項目を選択します。 表示されるこのウィンドウでは、セクターに分割された16ビット表現でディスク情報を確認できます。 今はディスクが空なので、0しかありません。



次に、ブートローダーを最初のセクターに書き込む必要があります。 前の図に示すように、マーカーを位置00に設定します。 ブートローダーをコピーするには、メニュー項目[ 編集 ]- > [ファイルから貼り付け ] コマンドを使用します。 開いたウィンドウで、ファイルへのパスを指定し、[ 開く ]をクリックします。 その後、最初のセクターの内容が変更され、写真に示されているように見えるはずです-もちろん、コード内で何も変更しなかった場合。

また、セクターの先頭から1FEの位置に署名55AAhを書き込む必要があります。 これを行わないと、BIOSは最後の2バイトをチェックし、指定された署名を見つけられず、このセクターは起動可能ではないと見なし、メモリにロードしません。

編集モードに切り替えるには、 F2キーを押して必要な数字-55AAh署名を書き込みます。 編集モードを終了するには、 ESCを押します。

次に、記録されたデータを確認する必要があります。



記録を適用するには、 [ツール]-> [オプション]に移動し、[ モード]項目に移動して、記録方法-[ 仮想書き込み ]を選択し、[ 書き込み ]ボタンをクリックします。



最後に、ほとんどの定型アクションが完了し、この記事の最初から開発した内容を確認できます。 VwWareに戻って仮想ディスクを切断します（[ファイル]-> [仮想ディスクのマップまたは切断...]をクリックして[切断]をクリックします）。

仮想マシンを起動しましょう。 マシンコードの領域の深さから、おなじみの線がどのように表示されるかがわかります-"Hello World ..."、低レベル... "。

実際のハードウェアでのテスト

実際のハードウェアでのテストは、仮想マシンでのテストとほぼ同じですが、何かが機能しない場合は、新しい仮想マシンを作成するよりも復元に多くの時間が必要になります。 データを失うことなくブートローダーをチェックするには（すべて発生する可能性があります）、フラッシュドライブを使用することをお勧めしますが、最初にコンピューターを再起動し、BIOSにアクセスして、フラッシュドライブからの起動をサポートしていることを確認する必要があります。 彼が彼をサポートしていれば、すべてが順調です。 そうでない場合は、テストを仮想テストマシンに制限する必要があります。

NTFS 3.66のディスクエクスプローラーでブートローダーをフラッシュドライブに書き込むプロセスは、仮想マシンの場合と同じです。 論理パーティションではなく、ハードドライブ自体を選択するだけです。

おわりに

この記事では、ブートローダーとは何か、BIOSがどのように機能するか、システムのブート時にシステムのコンポーネントがどのように相互作用するかを調べました。 実用的な部分では、独自のシンプルなブートローダーを開発する方法を理解しました。 Microsoft Visual Studio 2005、2008を使用して、混合コードテクノロジーとビルド自動化プロセスのデモを行いました。

もちろん、これは低レベルのプログラミングという巨大なトピックに比べてほんの小さな部分ですが、この記事に興味があれば、これはクールです。

UPD： ソースリンク