实验要求

实现一个FAT12镜像查看工具。本次实验重点在于：熟悉掌握FAT12文件系统、gcc+nasm联合编译，了解实模式与保护模式的基本内容。

用C/C++和nasm编写一个FAT12镜像查看工具，读取一个.img格式的文件并响应用户输入。

功能列表

  1. 运行程序后，读取FAT12镜像文件，并提示用户输入指令
  2. 用户输入ls 路径，输出根目录及其子目录的文件和目录列表。
  3. 首先输出路径名，加一个冒号:，换行，再输出文件和目录列表；
  4. 使用红色(\033[31m)颜色输出目录的文件名，不添加特殊颜色输出文件的文件名。
  5. 当用户不添加任何选项执行ls命令时，每个文件/目录项之前用两个空格隔开
  6. 当用户添加-l为参数时，
  7. 在路径名后，冒号前，另输出此目录下直接子目录和直接子文件的数目，两个数字之间用空格连接。此两个数字不添加特殊颜色
  8. 每个文件/目录占据一行，在输出文件/目录名后，空一格，之后：
  9. 若项为目录，输出此目录下直接子目录和直接子文件的数目，两个数字之间用空格连接。此两个数字不添加特殊颜色
  10. 不输出.和…目录的子目录、子文件数目
  11. 若项为文件，输出文件的大小
  12. 对于-l参数用户可以在命令任何位置、设置任意多次-l参数，但只能设置一次文件名
  13. 直接子目录不计算.和…
  14. 当用户给出不支持的命令参数时，报错
  15. 当用户不设定路径时，默认路径为镜像文件根目录
  16. 用户输入cat 文件名，输出路径对应文件的内容， 若路径不存在或不是一个普通文件则给出提示，提示内容不严格限定，但必须体现出错误所在。
  17. 用户输入exit， 退出程序。

实现思路

读取指令略去，先简单记录一下如何查找目录及文件：

FAT12 根据路径字符串查找目录及文件

对于字符串将其按/分割，根据需求处理.和..的问题。然后调用searchTargetDir(target, des)，函数会搜索并修改target的值，获得在数据区的位置。

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// 19-32号扇区为根目录文件项
//从根目录文件项起始位开始向后寻找目录
int searchTargetDir(int target, string des)
{
	while (true)
	{
		if (file[target] == 0)
		{
			break;
		}
		int flag = 0;
		for (int i = 0; i < 11; i++) // 0-10B是名字，文件的话，8-10B是后缀
		{
			if (!isTrue(file[target + i]))
			{
				target += 32; //每个目录项为32B，跳到下一项
				flag = -1;
				break;
			}
		}
		if (flag == -1)
		{
			continue;
		}
		if (file[target + 11] == 0x10) // 11B为属性项：15——长目录项，可跳过；16：文件夹；32：文件
		{
			string m = "";
			for (int i = 0; i < 11; i++)
			{
				if (file[target + i] != 0x20)
				{ //不是文件则为路径
					m = m + char(file[target + i]);
				}
			}
			if (m == des)
			{													 // 33号扇区往后为数据区，26-27B表示在数据区的簇号
				return 512 * 33 + (file[target + 26] - 2) * 512; // 数据区起始地址对应编号为2
			}
		}
		target += 32;
	}
	return -1;
}

int searchTargetFile(int target, string name)
{
	while (true)
	{
		if (file[target] == 0)
		{
			break;
		}
		int flag = 0;
		for (int i = 0; i < 11; i++)
		{
			if (!isTrue(file[target + i]))
			{
				target += 32;
				flag = -1;
				break;
			}
		}
		if (flag == -1)
		{
			continue;
		}
		if (file[target + 11] == 0x20) // 11B属性，0x20代表文件
		{
			string m = "";
			for (int i = 0; i < 8; i++) // 0-7B名字
			{
				if (file[target + i] != 0x20)
					m = m + char(file[target + i]);
			}
			if (file[target + 8] != 0x20)
			{
				m = m + ".";
			}
			for (int i = 8; i < 11; i++) // 8-10B：.后缀
			{
				if (file[target + i] != 0x20)
					m = m + char(file[target + i]);
			}
			if (m == name)
			{
				return 512 * 33 + (file[target + 26] - 2) * 512;
			}
		}
		target += 32;
	}
	return -1;
}

实现cat：读取文件内容

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int cluster = target / 512 - 33 + 2; //计算簇数，从33号扇区开始，起始对应编号为2
while (true)
{
	int i = 0;
	string str = "";
	for (i = 0; file[target + i] != 0 && i < 512; i++)
	{
		char c = (char)file[target + i];
		str = str + c;
	}
	printSentence(str, true);
	if (i != 512)
	{ //文件结束
		break;
	}
	if (cluster % 2 == 0)
	{ // FAT12: 12位代表一个FAT项，2个FAT占3个字节
		int fat12 = 512 + cluster / 2 * 3;
		cluster = ((file[fat12 + 1] & 0x0F) << 8) | file[fat12]; //左移8位（低位补零），计算簇数
	}
	else
	{
		int fat12 = 513 + cluster / 2 * 3;
		cluster = (file[fat12 + 1] << 4) | (file[fat12] >> 4 & 0x0F);
	}
	target = 512 * 33 + (cluster - 2) * 512; //重新计算tgt
}

cluster = target / 512 - 33 + 2;计算簇数，从33号扇区开始，起始对应编号为2，在一个簇读取完毕时，需要到下一个簇区，由于FAT12中12位代表一个FAT项，2个FAT占3个字节，故需要分奇偶来处理。

问答题

课件相关

1.什么是实模式，什么是保护模式？

实模式使用基地址加偏移量的方式就可以直接拿到物理地址的模式。

保护模式是不能直接拿到物理地址的模式，需要进行地址转换。

2.什么是选择子？

选择子总共16位，存放在段选择寄存器中，低2位表示请求特权级，第3位表示选择GDT方式还是LDT方式，高13位表示在描述符表中的偏移。

3.什么是描述符？

保护模式下引入描述符来描述各种数据段，所有的描述符均为8个字节（0-7），由第5个字节说明描述符的类型。类型不同，描述符的结构也有所不同。

4.什么是GDT，什么是LDT？

GDT是全局描述符表，是全局唯一的。存放一些公有的描述符和包含各进程局部描述符表首地址的描述符。

LDT是局部描述符表，每个进程都可以有一个。存放本进程中使用的描述符。

5.请分别说明GDTR和LDTR的结构

GDTR：48位寄存器，高32位放置GDT首地址，低16位放置GDT限长，限长决定了可寻址的大小。（注意低16位放的不是选择子）

LDTR：16位寄存器，放置一个特殊的选择子，用于查找当前进程的LDT首地址。

6.请说明GDT直接查找物理地址的具体地址

  1. 给出段选择子（放置在段选择寄存器中）+偏移量

  2. 若选择了GDT方式，从GDTR中获取GDT首地址，用段选择子中的13位做偏移，拿到GDT中的描述符

  3. 如果合法且有权限，用描述符中的段首地址加上1中的偏移量找到物理地址，寻址结束

7.请说明通过LDT查找物理地址的具体步骤

  1. 给出段选择子（放置在段选择寄存器中）+偏移量

  2. 若选择了LDT方式，则从GDTR获取GDT首地址，用LDTR中的偏移量做偏移，拿到GDT中的描述符1

  3. 从描述符1获取LDT首地址，用段选择子中的13位做偏移，拿到LDT中的描述符2

  4. 如果合法且有权限，用描述符2中的段首地址加上1中的偏移量找到物理地址，寻址结束

8.根目录区大小一定吗？扇区号是多少？为什么？

不一定，根目录区位于第二个FAT表之后，开始的扇区号为19，它由若干个目录条目（Directory Entry）组成，条目最多有BPB_RootEntCnt个。由于根目录区的大小是依赖于BPB_RootEntCnt的，所以长度不固定，根目录区中的每一个条目占用32字节。（BPB_RootEntCnt即根目录文件数（条目数）最大值）

9.数据区第一个簇号是多少？为什么？

需要根据根目录大小RootDirSectors计算，数据区DataSectors=RootDirSectors+引导扇区（1）+FAT1（9）+FAT2（9），一般值是33。

数据区的第一个簇是2，因为1.44M的软盘上，FAT前三个字节的值是固定的0xF0、0xFF、0xFF用于表示这是一个应用在1.44M软盘上的FAT12文件系统。本来序号为0和1的FAT表项应该对应簇0和簇1，但是这两个表项都被设置为固定值，簇0和簇1没有存在意义。

10.FAT表的作用？

文件分配表被划分为紧密排列的若干个表项，每个表项都与数据区中的一个簇相对应，而且表项的序号也是与簇号一一对应。

11.解释静态链接的过程

静态链接是指在编译阶段直接把静态库加入到可执行文件中，这样可能导致可执行文件比较大。

  1. 空间与地址的分配：每个.o文件都有自己的段属性，比如.text和.data等，链接的第一步就是将这些段属性合并在一起。

  2. 符号解析和重定位：重定位（修正地址）、重定位表（相对地址修正）

12.解释动态链接的过程

动态链接是指链接阶段仅仅加入一些描述信息，而程序执行时再从系统中把相应动态库加载到内存中去。

  1. 动态链接器自举

    动态链接器本身也是一个不依赖其他共享对象的共享对象，需要完成自举。

  2. 装载共享对象

    将可执行文件和链接器自身的符号合并成为全局符号表，开始寻找依赖对象。加载对象的过程可以看作图的遍历过程；新的共享对象加载进来后，其符号将合并入全局符号表；加载完毕后，全局符号表将包含进程动态链接所需全部符号。

  3. 重定位和初始化

    链接器遍历可执行文件和共享对象的重定位表，将它们GOT/PLT中每个需要重定位的位置进行修正。完成重定位后，链接器执行.init段的代码，进行共享对象特有的初始化过程（例如C++里全局对象的构造函数）

  4. 转交控制权

    完成所有工作，将控制权转交给程序的入口开始执行。

13.静态链接为什么使用ld链接而不是gcc

gcc工具链包含很多工具，其中用于链接的是ld，ld是binutils工具集的底层部件，所以工作在汇编级别。

14.linux下可执行文件的虚拟地址空间默认从哪里开始分配？

0x08048000

实验相关问题

1.BPB指定字段的含义

名称 偏移 长度 内容
BS_jmpBoot 0 3 一个短跳转指令
BS_OEMName 3 8 厂商名
BPB_BytsPerSec 11 2 每扇区字节数
BPB_SecPerClus 13 1 每簇扇区数
BPB_RsvdSecCnt 14 2 Boot记录占用多少扇区
BPB_NumFATs 16 1 共有多少FAT表
BPB_RootEntCnt 17 2 根目录文件数最大值
BPB_TotSec16 19 2 扇区总数
BPB_Media 21 1 介质描述符
BPB_FATSz16 22 2 每FAT扇区数
BPB_SecPerTrk 24 2 每磁道扇区数
BPB_NumHeads 26 2 磁头数（面数）
BPB_HiddSec 28 4 隐藏扇区数
BPB_TotSecc32 32 4 若BPB_TotSec16为0，由这个值记录扇区
BS_DrvNum 36 1 中断13的驱动器号
BS_Reservedl 37 1 未使用
BS_BootSig 38 1 扩展引导标记
BS_VolID 39 4 卷序列号
BS_VolLab 43 11 卷标
BS_FileSysType 54 8 文件系统类型
引导代码及其他 62 448 引导代码、数据、其他填充字符
结束标志 510 2 0xAA55

2.如何进行C代码和汇编之间的参数传递和返回值传递?

参数传递，可以通过栈esp完成，C调用时的函数参数会被放置在esp中，然后汇编从esp+4开始，逐一拿出参数。

汇编语言的返回值，放置在eax中进行返回。