X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（31）-第13章 程序的动态加载和执行（9）

兰陵月

13.4  用户程序的加载和重定位

一、加载用户程序前显示友好信息

为了表示程序的友好性、交互性，在用户程序加载之前，我们先显示一段信息，意思就是要加载用户程序了。第567、568行，处理器将调用公用例程段的过程put_string显示标号message_5处的字符信息。

二、加载用户程序

（一）调用过程load_relocate_program

信息显示完了后，下面就要正式开始加载用户程序。第569行，将用户程序在硬盘上的存储位置即扇区号50给寄存器ESI。第570行，调用一个过程load_relocate_program，从指令中我们看出，这时一个段内调用，该过程在内核当前的代码段内，在程序的第387行。我们来到第387行，该过程有解释：功能是加载并重定位用户程序；参数是ESI，用户程序在硬盘上的起始逻辑扇区号；返回值是ax，它指向用户程序头部的选择子。

（二）进入过程load_relocate_program，并做相关前期工作

第390行~第397行，压栈保存在过程内部要用到的通用寄存器和段寄存器；第399、400行，切换DS到内核数据段，此前DS也是指向内核数据段的，为什么这里还要这样做，因为我们的这个过程有可能被很多代码调用，而不仅仅是第570行那里调用，因为那些代码执行的时候DS是否指向内核数据段我们不得而知，所以这里为了确保我们的过程能够正常运行，我们必须在这里切换DS指向内核数据段。

（三）加载用户程序的第一个扇区

加载用户程序的过程是read_hard_disk_0，它位于公用例程段内第144行，其功能与主引导程序的同名过程是一样的，即读取硬盘上指定的一个扇区。它需要的参数是：1、EAX，需要读取的硬盘的逻辑扇区号；2、DS:EBX，加载到内存的目标地址。它的返回值是：EBX=EBX+512，在传入参数的基础上加512，指向下一个要加载到内存的目标地址。该过程具体的实现过程已经重温多次，不再重复。第402行，将ESI的值（ESI在调用load_relocate_program前已经作为参数给值50）给EAX，EAX将作为过程read_hard_disk_0的参数。第403行，将标号core_buf的值给EBX，DS:EBX将作为过程read_hard_disk_0的另一个参数，它是用户程序准备加载到内存的目标地址，该地址位于内核数据段中，是在第376行声明的一个2048字节长的缓冲区。因为在内核中开辟出一段固定的空间，对于分析、加工和中转数据都比较方便。第404行，调用内核公用例程段的read_hard_disk_0过程读取用户程序的第一个扇区到缓冲区。

（四）计算用户程序实际占用的扇区数量

用户程序必须符合规定的格式，才能被内核程序识别和加载。通常情况下，流行的操作系统会规定自己的可执行文件格式，一般都比较复杂，这种复杂性和操作系统自身的复杂性是息息相关的。

1、首先分析用户程序头部的相关数据

所有操作系统的可执行文件都包括文件头，这里也不例外。事实上，这也是我们熟悉的、一贯的做法。用户程序头部在用户程序的第7行~第38行。

（1）偏移0x00，双字长，用户程序总长度，字节为单位。

（2）偏移0x04，双字长，用户程序头部长度，字节为单位。

（3）偏移0x08，双字长，为栈保留，用于接收堆栈段选择子。和早先的做法不同，内核不要求用户程序提供栈空间，而改由内核动态分配，以减轻用户程序编写的负担。当内核分配了栈空间后，会把栈段的选择子填写到这里，用户程序开始执行时，可以从这里取得该选择子以初始化自己的栈。

（4）偏移0x0C，双字长，供用户程序使用，编写者建议的栈大小，以4KB为单位。如果是1，就是希望分配4KB的栈空间；如果是2，就是希望分配8KB的栈空间，依次类推。

（5）偏移0x10，双字长，用户程序入口点的32位偏移地址。

（6）偏移0x14，双字长，用户程序代码段的起始汇编地址。当内核完成对用户程序的加载和重定位后，将把该段的选择子回填到这里（仅占用低字部分）。这样一来，它和0x10处的双字一起，共同组成一个6字节的入口点，内核从这里转移控制到用户程序。

（7）偏移0x18，双字长，用户程序代码段的长度，字节为单位。

（8）偏移0x1C，双字长，用户程序数据段起始汇编地址，当内核完成用户程序的加载和重定位后，将把该段的选择子回填到这里（仅占用低字部分）。

（9）偏移0x20，双字长，用户程序数据段长度，字节为单位。

2、根据读取到的用户程序长度数据确定实际需要的扇区数量

用户程序的长度数据在其头部偏移0x00处的一个双字内，前面我们把用户程序的第一个扇区长度的数据加载到了目标缓冲区，该缓冲区由标号core_buf指向。也就是说，现在用户程序的第一个扇区起始地址就是标号core_buf所在的位置。第407行，把core_buf开始的偏移量为0x00的位置处的双字传送给寄存器EAX，这个位置处的数据就是用户程序的长度，因此，实际上就是把用户程序的长度数据给了寄存器EAX。

用户程序的大小（总字节数）不一定恰好是512的整数倍。也就是说，最后一个扇区未必是满的。因此，如果直接除以512，可能会使结果（除法的商）比实际的扇区数少1。通常情况下，需要判断除法的余数，根据余数是否为零，来决定实际的扇区总数，这不可避免地要使用判断和条件转移指令。

早先的处理器中，转移指令是影响处理器速度的重大因素之一，因为它会使流水线中那些已经预取和译码的指令失效。在较晚的处理器中，虽然普遍采用了分支预测技术，但并不总能保证预测是准的。因此，为了减少转移指令对处理器的影响，最好的办法就是尽量不使用转移指令。为了帮助程序员部分地戒掉使用转移指令的欲望，处理器引入了条件传送指令cmovcc。

cmovcc指令是从P6处理器开始引入的，因为并非所有处理器都支持它。要检测处理器是否支持cmovcc指令，可以以1号功能执行cpuid指令（mov eax,1; cpuid）当处理器执行这两条指令后，会在EBX、ECX和EDX寄存器返回丰富的信息，以指示各种详尽的处理器特性。此时，检查EDX寄存器的第16位（位15），当它是“1”时，表明处理器支持cmovcc指令。comvcc指令是条件转移指令和传送指令相结合的产物，既有条件转移指令的多样性，又执行的是传送操作。但是，和mov指令不同的是，它的目的操作数只允许是16位或者32位通用寄存器，源操作数只能是相同宽度的通用寄存器和内存单元。条件传送指令支持所有的条件转移指令的条件。只需要相应的把条件转移指令的“j”换成“cmov”即可。该指令不影响EFLAGS寄存器中的任何标志位。相反地，它的执行过程要依赖于这些标志，就像条件转移指令一样。

回到程序，关于一个数能否被512整除，我们可以找到一个规律，所有能被512整除的数，其最低端的9个比特都是“0”。掌握了这个规律，我们很多事情就好做了。第408行，将EAX值传送给EBX，等于是做个备份，因为还要用到。第409、410行，（先假设了EBX不能被512整除）先用and指令将长度数据的最低9个比特清零，等于是去掉那些不足512的零头，然后，再将其加上512，等于是将那些零头凑整。这样EBX中就是实际占用的整数个扇区长度数值。但是，如果人家原本就是512的整数倍，这样做无疑是多加了一个扇区。因此，第411行，先测试EAX（同样保存着用户程序长度数据）寄存器的最低9个比特，如果测试的结果是它们不全为零，则将EBX中内容传送至EAX，采用凑整的结果；如果为全零，则cmovnz指令什么也不做，依然采用用户程序原本的长度。