汇编系列03-不借助操作系统输出Hello World

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上一节，我们通过汇编指令，借助操作系统的系统调用实现了向标准输出打印Hello world。这一节我们打算绕过操作系统，直接在显示屏幕上打印Hello world。

计算机的启动过程

当我们给计算机加电启动的时候，它的CPU芯片引脚会自动将它的CS和IP寄存器设置成固定的值。比如8086处理器加电的时候，CS会被设置为0xFFFF，IP会被设置为0x0000。

CS寄存器是代码段寄存器，IP是指针寄存器（指向CPU将要执行的下一条指令的内存地址），真正要执行的指令的物理内存地址由CS寄存器的值左移4位（十六进制的一个0），加上IP寄存器中的值得到。当时8086这么设计是为了在16位寄存器的CPU上实现20位地址空间的内存寻址（即1MB）。

后续的80286、80386等为了兼容8086（在8086上可以运行的程序到升级后的CPU上仍然可以执行），都是遵从这个约定，然后会从实模式切换到保护模式（实模式下，程序中的内存地址就是物理内存地址，保护模式下的程序中的内存地址是逻辑地址，和物理内存地址有映射关系，但那已经是运行时决定的）。

计算机加电完的时候，CS:IP寄存器指向的指令所在的物理内存地址会是BIOS中固化的程序。BIOS即基本输入输出系统的意思，所谓的基本，是指它能做的事情很有限，毕竟BIOS程序很小，它通常用于将操作系统的前面部分装载进内存中（操作系统后边的部分，由操作系统自己装载）。

现在的操作系统基本上都保存在硬盘磁盘中，BIOS会从磁盘的0面0道1扇区将其中的指令读取到内存中执行。这个扇区也叫主引导扇区。

如果我们在主引导扇区中写入我们的可执行程序（比如汇编文件经过汇编器编译后得到的二进制文件），那么就可以让CPU直接执行我们的二进制程序，而不用经过操作系统了，这正是我们向屏幕打印Hello, world的好时机啊。

使用VirtualBox虚拟机

前面说过，我们可以将自己的二进制可执行程序写到硬盘的主引导扇区中，让BIOS将我们的程序拷贝到内存中进行执行。
我们打算在虚拟机中模拟这一流程。
我们在虚拟机中可以创建虚拟硬盘，它其实是我们宿主机器上的文件，比如VHD格式的虚拟硬盘文件。这样我们在宿主机上向这个文件中写入数据，然后让虚拟机将它作为磁盘使用，这样不就可以在虚拟机刚启动的时候，用它的CPU执行我们的二进制可执行文件了么？

创建VHD格式虚拟硬盘文件

在管理->工具中创建虚拟硬盘，选择VHD格式：

下一步，选择预分配大小，而不是在不够用的时候动态增加的：
设置好路径和大小：
然后Finish完成。

Hello world汇编文件

hello.asm源码（代码稍后会解释）：

mov ax,0xb800
mov ds,ax
mov byte [0x00],'H'
mov byte [0x01],0x74
mov byte [0x02],'e'
mov byte [0x03],0x74
mov byte [0x04],'l'
mov byte [0x05],0x74
mov byte [0x06],'l'
mov byte [0x07],0x74
mov byte [0x08],'o'
mov byte [0x09],0x74
mov byte [0x0a],','
mov byte [0x0b],0x74
mov byte [0x0c],' '
mov byte [0x0d],0x74
mov byte [0x0e],'w'
mov byte [0x0f],0x74
mov byte [0x10],'o'
mov byte [0x11],0x74
mov byte [0x12],'r'
mov byte [0x13],0x74
mov byte [0x14],'l'
mov byte [0x15],0x74
mov byte [0x16],'d'
mov byte [0x17],0x74jmp $
times 510-($-$$) db 0 
db 0x55,0xaa

通过nasm -f bin hello.asm -o hello.bin将文件汇编成二进制文件。
通过dd if=hello.bin of=hello.vhd bs=512 count=1 conv=notrunc命令将可执行文件复制到刚才创建的VHD文件中（bs表示bytes即字节数，count=1表示之拷贝1个block， notrunc表示do not truncate the output file）。
dd命令的参数含义，可以通过man dd查看:

刚才两个步骤的执行结果如下：

启动虚拟机输出Hello world

控制，新建虚拟机，选择Hard Disk为我们刚才创建的VHD文件：
给虚拟机起个名字（不用管虚拟机的类型和版本，因为我们不是通过ISO文件启动的）：

启动虚拟机：
虚拟机的开机界面上打印出了红色的"Hello, world"：

汇编程序的解释

我们已经实现了绕过操作系统向显示器屏幕上打印Hello world，那么hello.asm中的代码分别是什么意思啊？
mov ax,0xb800表示将ax寄存器设置为0xb800，mov ds,ax表示将ax寄存器中的内容，也就是0xb800移动到ds寄存器（数据段寄存器）中（注意，汇编语言不支持将立即数直接mov到段寄存器中，必须经过通用寄存器，如ax的转移）。
之所以这么设置，是因为8086启动的时候，会将内存地址空间中的0xb8000到0xbffff的空间留给显卡的显存。
注意：CPU能够访问的内存地址空间中，可不完全都是我们说的内存条，还有显卡的显存也在内存地址空间中。
等等，我们将0xb800赋值给ds，但是我们说的显存空间是从0xb8000开始的，我们是少赋值了一个0么？并不是，因为我们汇编代码中后边的mov都是基于ds的，比如mov [0x00],'H'其实相当于mov [ds:0x00],'H',ds左移4bit，也就是十六进制的一个0之后，再加上偏移量才是真正的内存地址。
mov [偏移量],0x74表示的字符的显示颜色是白底红字。这样字符占用1个字节，颜色占用1个字节，共2个字节用于表示一个字符。
然后我们就将Hello, world这个字符串中的每个字符都mov到0xb8000开始的内存空间上。

在汇编中，$表示当前行的内存地址，$$表示文件中的第一行的内存地址。
jmp $表示跳转到这个内存地址（该行编译后的内存地址）取指令执行，而它的指令又是跳转到这个地址，所以无限循环下去了。因为我们之作了打印Hello, world这一件事，不需要CPU做别的事情了，就让它陷入死循环了。
times 510-($-$$) db 0的意思是将该行内存地址填充0，填充（510-前面有内容字节数）次。
db 0x55,0xaa的意思是可执行文件的最后两个字节是0x55,0xaa，这是主引导扇区（512字节）的要求，最后2个字节必须是这两个，否则就认为主引导扇区有问题。

这样，我们的汇编程序就是要求CPU在显存开始的地址中拷贝Hello, world字符串，然后陷入死循环。程序后边填充0和追加那两个特殊字符，只是为了让二进制可执行文件能够被认为是合法的主引导扇区文件，大小是512字节，后两个字节是符合规定的。

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参考资料：
1.《x86汇编语言 从实模式到保护模式》（第2版）