一、实验题目
接管裸机的控制权
二、实验目的
1、了解原型操作系统设计实验教学方法与要求
2、了解计算机硬件系统开机引导方法与过程
3、掌握操作系统的引导程序设计方法与开发工具
4、复习加强汇编语言程序设计能力
三、实验要求
1、 知道原型操作系统设计实验的两条线路和前6个实验项目的差别
2、 掌握PC电脑利用1.44MB软驱的开机引导方法与过程的步骤
3、 在自己的电脑上安装配置引导程序设计的开发工具与环境
4、 参考样版汇编程序，完成在PC虚拟机上设计一个1.44MB软驱的引导程序的完整工作。
5、 编写实验报告，描述实验工作的过程和必要的细节，以证实实验工作的真实性。
四、实验方案
实验要求我们完成的任务有以下两个：
1. 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个人信息。
2. 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XXXPC，直到成功。
1、实验环境
实验所使用的计算机配置为：
- CPU：Intel(R) Core(TM) i7-8750H CPU @ 2.20GHz
- RAM：8.00GB
- 系统：Windows 10 - x64 10.0.17763
使用的开发工具如下：
- Oracle VM VirtualBox - 6.0.14 r133895 (Qt5.6.2)：虚拟机软件，相比起VMware，有着小巧轻便的特点，功能也很齐全。用于创建、运行虚拟机，创建虚拟软盘，引导虚拟软盘启动。
- WinHex - 19.6 x64：16进制文件编辑器，用于查看、编辑虚拟软盘文件的内容。
- Visual Studio Code - 1.44.2 ：代码编辑器，可以根据需要配置插件，用于编辑
.asm代码。 - NASM version 2.14.02 ：汇编语言编译程序，安装在Windows 10环境下；利用命令行操作，将
.asm代码汇编成.bin二进制文件。 - FloppyWriter：轻量级的软盘写入工具，用于将
.bin二进制文件写入.img软盘文件。
2、实验思路
根据实验要求和相关知识，我们按照以下思路完成实验：
- 创建虚拟机，并创建、格式化几个用于实验的虚拟软盘；
- 完成引导扇区的汇编指令编写，使用NASM进行汇编，使用FloppyWriter将二进制文件写入虚拟软盘的引导扇区；
- 在虚拟机上搭载该虚拟软盘，运行并查看结果，根据结果进行调试。
五、实验过程
1、虚拟机配置、软盘创建
使用VirtualBox创建虚拟机，具体设置如下：
- 虚拟机类型、版本分别选择“Other”与“DOS”
- 内存大小分配64MB（由于只执行软盘的引导扇区指令，实际上可以更小）
- 创建时选择“不添加虚拟硬盘”，创建后在“设置”中调整虚拟机的启动顺序，仅勾选“软驱”；
- 打开“设置”-“存储”界面，创建一张1.44MB大小的虚拟软盘，并添加至虚拟机的存储媒介中；
完成软盘创建后，使用WinHex打开，可以看到软盘已经按照FAT12文件系统格式被格式化。
2、填满个人信息
实验要求将虚拟软盘的首扇区填满个人信息，这里直接使用WinHex进行操作：
软盘文件test1.img中，在空白位置直接键入个人信息，选择数据选块，ctrl+C复制选块，ctrl+B写入选块，几次操作后即可完成整个首扇区的充填，效果如下：
3、引导扇区程序设计
实验要求为：
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。
通过阅读老师给的参考程序代码，我理解了程序实现思路：
- 使用常数1、2、3、4分别表示四个运动方向，使用变量rdul存储当前的运动方向；
- 使用变量x、y表示当前位置，并根据当前运动方向对x/y进行自增/自减处理；
- 使用两个延迟计数器的组合控制运动速度的快慢；
- 每一次循环都包含以下步骤：
- 根据当前的运动方向处理坐标x、y；
- 判断是否到达边界，若是，改变运动方向；
- 将更新后的字符显示出来；
理解了代码的思路，就可以按照NASM汇编语法重新完成并扩展代码，对原代码做出了以下修改与扩展：
- 将两个延迟计数器修改为一个，并将其数据宽度修改为dd（4B），保证了速度的合适且不会发生溢出。
- 修改了改变运动方向的逻辑：
- 原逻辑为若坐标越界，修改方向并重新修改坐标；
- 修改后的逻辑为若坐标刚好临界，修改方向；
- 同时，原代码在字符运动到四个角落时会出现逻辑错误，从屏幕飞出，并不会发生反弹；通过对这一逻辑的修改，进行了运动到四个角落时按原路径反弹的修复。
- 在屏幕左上角显示当前的运动方向信息：DR（右下）、DL（左下）、UR（右上）、UL（左上）
- 字符在边界反弹时改变字符的颜色；
- 显示的字符为个人学号信息
18340011CBJ，并进行循环显示；
扩展后代码的具体说明如下：
- 相关常数和数据区：
Dn_Rt equ 1 ;D-Down,U-Up,R-right,L-Left
Up_Rt equ 2 ;
Up_Lt equ 3 ;
Dn_Lt equ 4 ;
LENGTH equ 11 ;显示字符串长度
delay equ 50000000 ;计时器延迟计数,用于控制运动速度
org 7c00h ;程序加载到100h，可用于生成COM/7c00H引导扇区程序
;code....
datadef:
count dd delay
Y dw 0 ; y轴
X dw 0 ; x轴
rdul db Dn_Rt ; 向右下运动
color db 0x8 ; 颜色
char db '18340011CBJ', 0x0 ; 显示字符
- 核心循环部分：每次都根据rdul的值确定运动方向，跳转到指定位置执行指令。
loop1:
dec dword[count] ; 循环计数
jnz loop1 ; >0：跳转
mov dword[count],delay
xor ax,ax ; 根据rdul的值确定运动方向
mov al,1
cmp al,byte[rdul]
je DnRt
mov al,2
cmp al,byte[rdul]
je UpRt
mov al,3
cmp al,byte[rdul]
je UpLt
mov al,4
cmp al,byte[rdul]
je DnLt
jmp $ ;end
- 运动的实现逻辑，以左下运动为例：
对坐标进行更新后需要考虑是否到达边界，这里的边界包括角落、下边界、右边界三种情况，其中下边界、右边界仅通过X坐标或Y坐标判断，角落的判断需要通过X、Y坐标的和或者差（左上、右下需要求和，左下、右上需要作差，才能正确判断角落的情况）判断；
判断后更新运动方向和字符颜色即可。
DnRt:
mov byte [gs:0x00],'D' ; 在屏幕左上角显示运动方向
mov byte [gs:0x02],'R'
inc word[Y] ; 更新坐标
inc word[X]
mov ax,word[Y] ; 判断是否到达角落
add ax,word[X]
cmp ax,25+80-2
jz dr2ul
mov bx,word[Y] ; 判断是否到达下边界
mov ax,25-1
sub ax,bx
jz dr2ur
mov bx,word[X] ; 判断是否到达右边界
mov ax,80-1
sub ax,bx
jz dr2dl
jmp show ;显示字符
dr2ul:
mov byte[rdul],Up_Lt
jmp setcolor
dr2ur:
mov byte[rdul],Up_Rt
jmp setcolor
dr2dl:
mov byte[rdul],Dn_Lt
jmp setcolor
- 颜色更新：
setcolor: ; 更新颜色
add byte[color], 1
cmp byte[color], 0x10
jz resetcolor
jmp show
resetcolor: ; 颜色超过范围，重新初始化
mov byte[color],0x8
jmp show
- 字符显示：首先根据X、Y坐标计算显存地址，然后更新显示的字符，将其存入显存。
show:
mov ax,word[Y] ; 根据坐标计算显存地址
mov bx,80
mul bx
add ax,word[X]
mov bx,2
mul bx
mov bx,ax ; bx = position
; 字符更新
inc si
cmp si, LENGTH
jne show2
mov si, 0
show2:
mov ah,byte[color] ; ax高八位为字符颜色
mov al,byte[char+si] ; ax低八位为显示字符
mov [gs:bx],ax ; 存入显存
jmp loop1 ; 进行下一次循环
4、软盘引导虚拟机
完成代码后，使用命令行执行nasm -f bin stone2.asm -o stone2.bin，将代码文件stone2.asm汇编形成二进制文件stone2.bin；并使用FloppyWriter工具将二进制文件写入刚刚创建的虚拟软盘stone2.img中。
需要注意的是，形成的二进制文件大小不能超过512B，这是由于写入虚拟软盘后，在软盘引导虚拟机时只会将首扇区载入内存，即载入512B的数据；如果二进制文件大小大于512B，即使被写入软盘，引导启动时也不会被加载至内存，运行时会发生错误。
将虚拟机的存储媒介选择为该虚拟软盘，启动，运行结果如下：
在屏幕的左上角实时显示运动方向，显示的字符18340011CBJ按顺序显示，在边界上反弹并改变颜色。
六、实验总结
第一次操作系统实验，可以说是一个开始。进行实验前的准备其实比实验本身花的时间更多，包括X86汇编语言的学习、计算机启动流程的学习和各种基础知识的学习，这些知识能够在实验中被运用.
在实验过程中的一大收获就是各类开发工具的熟悉，例如NASM、WinHex、VirtualBox，第一次实验本身难度不大，但也让我很好地熟悉了这几种工具的基本操作，比如进行asm文件的汇编，将二进制文件写入软盘，软盘文件的创建、浏览、编辑、格式化等。
这次实验容易被忽略的小细节：
- 原代码在字符运动到四个角落时会出现逻辑错误，从屏幕飞出，并不会发生反弹：这是由于原代码中只考虑了向两个位置的反弹（X轴边界或Y轴边界），如果到达角落，这两种反弹方式都会产生越界，所以需要增加一种专门相应角落的反弹机制。
- 汇编形成的二进制文件大小不能超过512B：这一问题是在我写了较长的代码，写入软盘成功，但执行时发生错误时发现。这一错误的寻找花了不少时间，不过也因此让我印象深刻。为了减少文件的大小，需要在代码逻辑上进行优化，在原有功能的基础上删除不必要的指令。
七、参考文献
- 李忠.《 x86 汇编语言-从实模式到保护模式》.电子工业出版社. 2012-09.
