第5章 虚拟机的安装和使用
第5章 虚拟机的安装和使用
从本章开始，按照书籍的划分，第5章到第9章就进入实模式部分。关于实模式，我也建议阅读王爽的《汇编语言》，就是王爽的《汇编语言》采用的MASM编译器，风格和本书的NASM风格不太一样，知识点都是差不多的。
因为之前我有读过王爽的汇编语言，所以这几章相对来讲还是容易理解。
计算机的启动过程
如何将编译好的程序提交给处理器
该小结主要介绍了在不同的操作系统上，可执行文件都要按照操作系统的规定，在文件的开始部分增加编译日期、版本等信息，方便操作系统识别并执行。
但是在上一个章节有提到，通过 NASM 编译器编译的二进制文件是纯纯的机器语言（Machine Language）代码，没有加入任何操作系统的规定内容，所以是无法在操作系统上运行的。既然是纯纯的机器语言，那么直接让计算机执行。
画个图就比较清楚了：
从层级上来看，操作系统是封装的底层硬件设备的操作，并提供API给应用程序层使用。想想我们编写的汇编程序也是直接操作硬件设备，那么就可以直接让计算机执行了。
计算机的加电和复位
既然要让计算机执行我们编写的汇编程序，那要怎么执行呢？计算机执行程序的原理是什么？
本小节中介绍了计算机的加电和复位的原理，同时介绍了内存的特点，为后续小节基本输入输出系统做铺垫。
一些知识点：
- 计算机加电和复位（Reset），CPU内寄存器会回复到初始状态。
- 内存全称动态随机访问存储器（Dynamic Random Access Memory,DRAM），断电丢失数据
总结来看就是：不管计算机加电还是复位初始，内存中都没有数据，那么计算机从哪里开始执行指令？
基本输入输出系统
既然内存断电就没有数据，那么有没什么存储器可以长期存储程序，计算机启动的时候可以从这里开始执行指令？这个就是ROM（Read Only Memory）。
该小节介绍了ROM存储器和存储在ROM内的基本输入输出系统BIOS（Base Input Out System）。
一些知识点：
- 8086 CPU 20根地址线的地址不全分配给内存，也分配给ROM-BIOS和其他设备。
- 计算机一开始执行的时候就是从ROM开始执行的。
- BIOS基础指令执行完成后，就可以通过 jmp 指令跳转到其他地方执行。
画了个示例图就更加容易理解了。
硬盘及其工作原理
书中介绍了硬盘的机械结构，而后引出了磁道（Track）、柱面（Cylinder）、扇区（Sector）、磁头（Head）概念。
书中是给二维的图，没有标注柱面，以前刚接触硬盘结构的时候也是头晕，自己尝试画了个立体的：
涉及到立体的样子，比较难画，各位看官蛮看看，意思能看明白就行。
磁盘读取数据是根据柱面（Cylinder）、磁头（Head）、扇区（Sector）进行读取的，简称CHS。
- 柱面定位盘片上的圆环，编号从0开始。
- 磁头定位哪个盘片上的圆环，编号从0开始。
- 扇区定位圆环上的圆弧，编号从1开始。
每次读取以扇区为单位进行读取，扇区包括：
- 扇区头：每个扇区自己的信息，主要有磁道号、磁头号和扇区号等。
- 数据区：512字节。
因为这种读取数据的方式比较复杂，后面都是用LBS（Logical Block Addressing），就是用逻辑地址对应CHS地址，这样就比较简单，书籍后面也有介绍，这里不多说了。
虽然现在固态硬盘大行其道，但是因为磁盘容量大、价格便宜，再加上保存时间久，所以也还是挺有市场的，适当了解还是有必要的哈。
一切从主引导扇区开始
该小节介绍了主引导扇区MBR（Master Boot Record）的概念和作用。
主引导扇区的概念：磁盘的第一个扇区（0柱0头1扇区），称为引导扇区。
书中第一个扇区叫法为 0面0道1扇区 和 0头0柱1扇区。
但个人更喜欢用 0柱0头1扇区 的方式，因为符合CHS的顺序。
主引导扇区的作用：计算机执行时，ROM-BIOS会从引导扇区读取内容，加载到内存地址0x7c00，而后处理器就从这里开始运行。
为什么是0x7c00？网上找到一篇文章，链接见文末，姑且了解下，大意就是说：
- 早期的内存都是16KB、32KB、48KB和64KB。
- 从软盘启动所需的最小内存量是32KB，软盘的第一个扇区会被加载到内存接近32KB末尾但稍微靠前的位置。32KB的地址就是0x8000。
- 0x0500-0x7bff，BIOS至少会使用其中的一个字节作为打印屏幕标志。要避开这个区域，就用0x7c00了。
读完这个章节后，发现书籍并没有总结计算机的启动过程，于是自己总结了一下。
- 计算机启动后从ROM-BIOS开始执行。
- ROM-BIOS从磁盘主引导扇区读取内容并存入到内存0x7c00开始处。
- 跳转到0x7c00开始执行。
而后就是主引导程序的事情了。
实际计算机的启动过程会更加复杂，比如现在有UEFI替代BIOS，另外可以设置启动盘等，这里的总结更多是针对8086处理器的启动总结。
创建和使用虚拟机
别害怕，虚拟机是软件
该小节主要介绍了虚拟机（Virtual Machine, VM）的概念和用途。
概念：虚拟机是一款软件，用来模拟计算机的。
用途：研制防病毒软件、测试最新的系统、双系统、教学、学习用等。
我以前学习Linux的时候，就是用虚拟机来安装Linux进行学习的。后来Linux用熟练了，就把宿主机换成了Linux，因为有些软件在Linux上没有，又安装了个虚拟机装了个windows用。太囧了。
下载和安装Oracle VM VirtualBox
该小节主要介绍了虚拟机的安装和使用。
Virtual Box官网：https://www.virtualbox.org/
作者提供了另外一个文档来专门说明虚拟机的安装，照着操作即可了，主要注意点就是虚拟硬盘要选择 VHD(Virtual Hard Disk) 格式。
虚拟硬盘简介
该小节介绍了 VHD 文件的数据格式以及为什么要使用VHD文件格式和固定尺寸的原因。
根据书中介绍的数据格式，绘制如下图，方便理解：
备注：书中用0面0道n扇区的方式表达，个人不太适应，所以改成上图格式，其中：柱对应书中说的道；头对应书中说的面；
为什么要使用VHD文件格式和固定尺寸：因为VHD格式比较简单，通过前面章节可以知道我们的程序要运行就要写入虚拟磁盘，VHD格式容易写入。VirtualBox虚拟机也支持VHD格式。
练习使用FixVhdWr工具向虚拟硬盘写数据
该小节作者介绍了自己编写的虚拟硬盘写入工具 FixVhdWr 和 LBA（Logical Block Address）逻辑块地址。
FixVhdWr软件打开截图：
膜拜一下大佬，确实牛B。
LBA：CHS模式读取磁盘比较复杂，用LBA比较简单。根据书中说明，每个LAB逻辑扇区对应着CHS一个扇区。
CHS需要3个参数才能定位具体的扇区，LBA只要1个逻辑扇区号即可。
书中给出了LBA的计算公式，摘录在此：
LBA = C*磁头总数*每道扇区数+H*每道扇区数+（S-1）其中：C：柱面（多个同位置的磁道构成柱面）H：磁头S：扇区号
本章习题
- 第1题
照着书本敲代码：
- 第2题
进入代码目录编译：
$ nasm -f bin .\demo.asm -o .\demo.bin -l .\demo.lst
写入虚拟硬盘：
- 第3题
使用virtual box运行
输出这个表示各种安装配置啥的都OK了。
参考资料
- [Disk Basic Knowledge] What Is Cylinder-head-sector? - MiniTool Partition Wizard
- CHS and LBA Hard Disk Addresses - Thomas-Krenn-Wiki-en
- ibm pc - Why did the BIOS load the MBR at 0x7c00? - Retrocomputing Stack Exchange