1.5.2 Memory Layout

在Real mode下，磁盘操作可以通过两种方法进行，BIOS 13H中断，或者通过读写端口。而在Protected Mode下，BIOS中断不可用，只能通过读写端口的方式。而BIOS中断简单易用而且功能强大，同时我们在Booting阶段除了Loading Processing之外，所作的许多工作都需要依赖BIOS中断，所以我们Loading Processing应该发生在Real Mode下，通过BIOS中断调用来完成。

但Real Mode下的一种重要限制是1MB内存的局限，事实上仅有不到640 KB的可用RAM，我们必须把启动阶段所需要的各个程序，以及在启动阶段获取到的各种硬件参数，以及OS Kernel放入到这不到640 KB的RAM中。这样一来，我们如何在整个Booting阶段，合理有效的安排内存布局就显得非常重要。

相对于其他大多数子系统，软盘BIOS服务的相关资料要详尽的多。从第一台PC机开始，软盘系统的基本控制器接口就基本保持未变。当然，AT还加入了一些新的BIOS服务，最新的系统还支持2.88M的软盘。

软盘的访问要通过适配卡上的硬件和内置于系统主BIOS内的BIOS软件。该组合提供了简单方便的格式化，读和写软盘操作，从AT开始起，BIOS所支持的软盘驱动器的数目从四个减少到两个以内。访问两个以上的软驱需要专门的适配器硬件和驱动程序，比如MS-DOS的Driver.sys。

上面两图表现的是软盘的逻辑结构，每个软盘分为柱面（Cylinder），磁道（Track），扇区（Sector），最小的组成部分是扇区，通常每个扇区有512 Bytes的数据。多个扇区组成一个磁道。例如，一个1.44 MB的软盘每磁道有18个扇区，其它软盘类型每个磁道有9到36个扇区，这取决于在每英寸介质上可以可靠保存的位数。两个对称的磁道，软盘的一面各一个，定义为一个柱面。软盘有40或80个柱面，这取决于介质类型。

事实上，一个扇区的坐标位置由柱面，磁道，和扇区三个因素的坐标共同决定：X-柱面（0-39或0-79），Y-磁道(0-1)，Z-扇区(0-9或0-18或0-36）。如下图所示：

下表总结了由512 bytes扇区组成的各种软盘的参数。此表也列出了所使用的传输率，单位是bit/second。它是数据在Driver和Controler之间传输的速率。传输速率取决于软盘的容量、Driver类型以及软盘转动的速率，单位是RPM(Running Per Minute)转每分。软盘转得越快，每线性英寸的介质上被选中的数据就越多，传输速率总是固定的，软件不能对其进行定义。

驱动器及软盘类型	每面磁道数	每磁道扇区数	RPM	传输速率
360K,5.25英寸	40	9	300	250Kbps
1.2M,5.25英寸	40	9	360	300Kbps
1.2M,5.25英寸	80	15	360	500Kbps
720K,3.5英寸	80	9	360	250Kbps
1.44M,3.5英寸	80	9	360	250Kbps
1.44M,3.5英寸	80	18	360	500Kbps
2.88M,3.5英寸	80	9	360	250Kbps
2.88M,3.5英寸	80	18	360	500Kbps
2.88M,3.5英寸	80	36	360	1Mbps

表1-5-1 软盘种类表

软盘参数表

在BIOS的中断向量表中断1Eh的地址0:78h处(参见A.1 BIOS Interrupt Overview)，保存着指向存放于系统BIOS ROM中的软盘参数表的远指针（远指针指需要通过segment:offset的方式来制定的指针，它所指向的地址可以跨越不同的64K段；而近指针则只需要通过offset来制定同一段内的另外一个地址）。里面包含了有关驱动器（Driver）的信息。BIOS使用这个表来为软盘控制器编程和指定软驱的控制定时——当某个程序调用13h中断来使用软盘服务时，BIOS将会使用软盘参数表中提供的数据来对软盘控制器进行编程。

软盘参数表是一个重要的概念——如果系统上只有一个驱动器类型，正像早期的PC和XT系统一样。参数表在早期的PS/2上工作得也很好，在这里要从两种类型的驱动器中选择一个，比如3.5英寸，1.44M。软盘参数表用于完整的定义驱动器参数。

下表为软盘参数表的概要内容：

偏移量	描述
0	软盘控制器（端口3F5h)
1	软盘控制器（端口3F5h)
2	驱动器休眠马达关闭延时
3	每扇区字节数： 0=128 bytes；1=256 bytes；2=512 bytes；3=1024 bytes； 4=2048 bytes；5=4096 bytes；7=16384 bytes；8-FFh=Reserverd
4	每磁道的扇区数： 9=9 sectors；360K和720K 0Fh=15 sectors；1.2M 12h=18 sectors；1.44M 24h=36 sectors；2.88M
5	扇区之间的间隙长度： 1Bh for 1.2M,1.44M and 2.88M floppy 2Ah for 360K and 720K floppy
6	数据长度
7	格式化间隙长度
8	格式化填充字节
9	磁头定位时间
A	等待马达开启时间

从软盘读取数据，不能够跨越磁道，即每次读取，尽管可以同时读取多个扇区，而这些扇区却必须都属于同一个磁道。BIOS 13h服务例程将对此进行验证，如果发现用户所要读取扇区跨越了不同的磁道，则返回调用失败。而验证所依据的数据则是软盘参数表。假如，软盘参数表中所记录的“每磁道的扇区数”（偏移量为4的位置）为9；如果现在一个INT 13h, ax = 2的调用指定：磁头为0，磁道为1，磁道内起始扇区为2，要读取的扇区数目为9；由于磁道内起始扇区+要读取的扇区数-1 = 2+9 -1 = 10 〉9，则调用将会失败。（之所以减去1是因为磁道内起始扇区是从1开始计数的，而不是0）。

但这并不意味着，如果通过了BIOS软盘参数表的验证，而读取就一定能够成功。例如，软盘参数表中所记录的“每磁道的扇区数”为18，而实际的“每磁道的扇区数”为9，如果现在一个INT 13h, ax = 2的调用指定：磁头为0，磁道为1，磁道内起始扇区为2，要读取的扇区数目为9；由于磁道内起始扇区+要读取的扇区数-1 = 2+9 -1 = 10 < 18，通过软盘参数表的验证没有任何问题，但当软盘驱动器真正去读取磁头0，磁道1，第10个扇区的时候，而这个扇区并不存在，调用依然会失败。

所以，为了保证一个需要读取软盘的程序不出错误，我们必须保证：

“要读取的扇区数” + “磁道内起始扇区” - 1 <= 软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值

同时保证：

“要读取的扇区数” + “磁道内起始扇区” - 1 <= 实际的“每磁道的扇区数”

你如果想保证你的程序永远不在读取软盘的时候出此类错误，最稳妥的方法是每次只读取一个扇区，但这样效率很低，真正作软件的人都愿意有效率更高，而又稳妥地方法——所以我们要在提高效率的目标下，寻找一种方法来确保效率。

我们还是看一看上面所列的两个条件，从中我们可以首先得知——我们必须知道实际的“每磁道的扇区数”，否则，我们肯定会出错。那么，在我们知道实际的“每磁道的扇区数”的前提下，软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值不能小于实际的“每磁道的扇区数”，否则，仍然会出错。那么大于呢？由于BIOS对软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值的验证放在前面，如果大于的话，这一级验证即使通过了，还有实际的“每磁道的扇区数”这一关需要通过。所以大于是不会有任何问题的。等于就更不用说了。

由此得知，要想让我们的程序不出此类错误，我们必须保证两点：

1、保证 软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值 大于等于 实际的“每磁道的扇区数”。

2、知道实际的“每磁道的扇区数”；

对于第1点，或许大家会问，难道BIOS厂商不能够来保证这一点吗？答案是，能够。但不幸的是，在现实生活中，由于历史的原因，确确实实有一些BIOS厂商将软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值设置的比较小。这样，我们就必须靠自己来保证这一点。

如何保证软盘参数表中“每磁道的扇区数”大于等于实际的“每磁道的扇区数”？ 

我们在前面已经说过，在BIOS的中断向量表中断1Eh的地址0:78h处，放置的仅仅是指向软盘参数表的的指针，而软盘参数表被放在BIOS ROM中，我们无法修改。所以，我们可以在RAM中复制一份软盘参数表，进行修改。然后将BIOS的中断向量表中断1Eh的地址0:78h处的远指针修改为指向RAM中新复制的软盘参数表。

由于到目前为止，最大可能的“每磁道扇区数”为36（参见表1-5-1），所以我们只需要将新的软盘参数表中的“每磁道扇区数”修改为36，即可以保证软盘参数表中“每磁道的扇区数”的数值大于等于实际的“每磁道的扇区数”。

下面是Linux 2.4的相关代码。

# 将0:78h位置所保存的磁盘参数表指针所指向的位置的12格字节拷贝到0x4000-12的
# 位置处，然后将磁盘新参数表的sectors/track值修改为36（2.88M软盘的参数），
# 最后修改0:78h处的指针指向0x4000-12 (es:di)
#
 movw   %cx, %fs            # %fs = 0
 movw   $0x78, %bx       # %fs:%bx is parameter table address
 pushw  %ds
 ldsw     %fs:(%bx), %si    # %ds:%si is source
 movb   $6, %cl                # copy 12 bytes
 pushw  %di                     # %di = 0x4000-12.
 rep                                  # don't worry about cld
 movsw                            # already done above
 popw    %di
 popw    %ds
 movb    $36, 0x4(%di)     # patch sector count
 movw    %di, %fs:(%bx)
 movw    %es, %fs:2(%bx)

如何获取实际的“每磁道的扇区数”？

除了去猜测之外，没有什么好的方法能够获取“实际的每磁道扇区数”。所幸的是，实际存在的软盘只有有限的几个种类，而不同的“实际的每磁道扇区数”就更加有限。参见表1-5-1，我们可以得知，“实际的每磁道扇区数”有9，15，18，36四种。于是，我们就可以对一张软盘使用这四个数值从大到小依次猜测。

猜测的方法，是读取磁头0，磁道0，当前磁道最大扇区。首先猜测“当前磁道最大扇区”为36，如果实际的“每磁道扇区数”小于36，则读取失败。然后猜测“当前磁道最大扇区”为18，如果失败了，再猜测15……依次类推，直到猜测为9为止，这是最小可能的“每磁道扇区数”。

下面是Linux 2.4的相关代码。

# Get disk drive parameters, specifically number of sectors/track.

# It seems that there is no BIOS call to get the number of sectors.

# Guess 36 sectors if sector 36 can be read, 18 sectors if sector 18

# can be read, 15 if sector 15 can be read.  Otherwise guess 9.

# Note that %cx = 0 from rep movsw above.

        movw   $disksizes, %si   # table of sizes to try

probe_loop:
 lodsb                                # Load byte at address DS:SI to AL (DN)
 cbtw                                  # extend to word (ax = (disksizes))
 movw   %ax, sectors        # sectors = max sectors per track (DN)
 cmpw   $disksizes+4, %si # there is 4 parameters

        jae       got_sectors            # If all else fails, try 9

    # 读取第一个软驱的Head 0, Track 0, Max sector

        xchgw   %cx, %ax             # %cx = track and sector
 xorw     %dx, %dx             # drive 0, head 0
 movw   $0x0200, %bx      # address = 512, in INITSEG (%es = %cs)
 movw   $0x0201, %ax      # service 2, 1 sector
 int        $0x13
 jc          probe_loop          # try next value

got_sectors: