【BIOS中断】磁盘与 INT 13H
INT 13h是 x86 PC 架构中BIOS 提供的磁盘服务中断，用于在实模式下对软盘、硬盘等存储设备进行底层读写操作。它是操作系统引导程序（如 MBR、bootloader）访问磁盘的唯一标准接口。
一、基本概念
（一）int 13H
- 中断号：
0x13（十进制 19） - 调用方式：
int 0x13 - 运行环境：实模式（Real Mode）
- 支持设备：软盘（Floppy）、硬盘（HDD）、早期 USB 存储（需 BIOS 支持）
- 寻址方式：
- 传统 CHS（柱面-磁头-扇区）：最大 ～8.4 GB
- 扩展 LBA（逻辑块地址）：通过
INT 13h Extensions（AH=42h）支持大容量磁盘
💡 BIOS 将
INT 13h的中断向量（地址）存放在内存0x0000:0x004C处。
（二）磁盘结构
（三）磁盘布局
磁盘的布局（Disk Layout）是指存储设备（如硬盘、SSD、软盘）上数据的物理或逻辑组织方式。不同层级（硬件、BIOS、操作系统）对磁盘布局的理解不同。以下是x86 PC 启动过程中的关键结构。
1. 物理/传统布局（CHS 模型）
早期硬盘使用CHS（Cylinder-Head-Sector）模型：
- 柱面（Cylinder）：所有盘片上相同半径的磁道集合
- 磁头（Head）：每个盘面对应一个读写磁头
- 扇区（Sector）：每个磁道被划分为多个扇区（通常512 字节/扇区）
⚠️ 现代磁盘已不使用 CHS，但 BIOS 和 MBR 仍模拟此模型以保持兼容。
2. 逻辑布局（LBA 模型）
现代磁盘使用LBA（Logical Block Addressing）：
- 扇区编号从0 开始连续编号
- LBA 0 = 第一个扇区
- LBA 1 = 第二个扇区
- ...
- 总容量 = (LBA 最大值 + 1) × 512 字节
✅LBA 是操作系统和现代 BIOS 使用的标准。
二、PC 磁盘关键布局（启动相关）
（一）主引导记录（MBR）— LBA 0
| 偏移 | 大小 | 内容 |
|---|---|---|
0x000 | 446 字节 | 引导代码（Bootstrap Code） |
0x1BE | 64 字节 | 分区表（4 项 × 16 字节） |
0x1FE | 2 字节 | 签名（0x55AA） |
💡 MBR 总共512 字节，是磁盘的第一个扇区。
分区表项结构（16 字节）：
| 偏移 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 状态（0x80 = 可启动） |
| 1 | 3 | 起始 CHS（已废弃） |
| 4 | 1 | 分区类型（如 0x0B = FAT32, 0x83 = Linux） |
| 5 | 3 | 结束 CHS（已废弃） |
| 8 | 4 | 起始 LBA（关键！） |
| 12 | 4 | 分区总扇区数 |
✅现代系统只使用“起始 LBA”字段，忽略 CHS。
（二）分区布局（以主分区为例）
假设一个硬盘有 1 个主分区：
| LBA 地址 | 内容 |
|---|---|
| 0 | MBR |
| 1 ～ N-1 | 空闲（或第二阶段 bootloader） |
| N | 分区引导记录（PBR） / Volume Boot Record（VBR） |
| N+1 ～ ... | 文件系统数据（如 FAT 表、根目录、簇数据） |
💡N = 分区起始 LBA（来自 MBR 分区表）
（三）典型文件系统布局（以 FAT32 为例）
在分区内部（从 PBR 开始）：
| 偏移（相对分区起始） | 内容 |
|---|---|
0x000 | PBR（512 字节） • BPB（BIOS Parameter Block） • 引导代码 • 签名（0x55AA） |
0x00D | BPB：每扇区字节数（通常 512） |
0x00E | BPB：每簇扇区数 |
0x01C | BPB：FAT 表数量 |
0x024 | BPB：根目录起始簇 |
0x02C | BPB：总扇区数（32 位） |
0x036 | BPB：每个 FAT 表占用扇区数 |
| 紧随 PBR | FAT 表 1 |
| + FAT 大小 | FAT 表 2（备份） |
| + FAT 大小 | 根目录区 |
| 之后 | 数据区（文件内容） |
（四）Linux ext2/ext3/ext4 布局
| 偏移 | 内容 |
|---|---|
0x000 | 超级块（Superblock） • 文件系统元信息（块大小、inode 数等） |
0x400 | 块组描述符表（GDT） |
| 后续 | 块位图、inode 位图、inode 表、数据块 |
💡 ext 系列使用块（Block）而非扇区（通常 1K～4K/块）。
（五）启动过程中的磁盘访问流程
- BIOS将MBR（LBA 0）加载到内存
0x7C00 - MBR 代码：
- 扫描分区表，找到活动分区（状态=0x80）
- 用
INT 13h读取该分区的PBR（LBA = 分区起始 LBA）到0x7E00
- PBR 代码：
- 解析 BPB，定位 FAT 表/根目录
- 读取第二阶段 bootloader（如 GRUB 的
core.img或 DOS 的IO.SYS）
- 第二阶段：
- 加载内核（如
vmlinuz、KERNEL.SYS）
- 加载内核（如
三、通用寄存器约定
| 寄存器 | 用途 |
|---|---|
AH | 功能号（子功能选择） |
CF | 返回状态：CF=0成功，CF=1失败 |
AL/AX | 输入/输出参数（依功能而定） |
DL | 驱动器号（关键！） |
AH功能编码
00H —磁盘系统复位 0DH —硬盘系统复位 | 0EH —读扇区缓冲区 0FH —写扇区缓冲区 10H —读取驱动器状态 11H —校准驱动器 12H —控制器RAM诊断 13H —控制器驱动诊断 14H —控制器内部诊断 15H —读取磁盘类型 16H —读取磁盘变化状态 17H —设置磁盘类型 18H —设置格式化媒体类型 19H —磁头保护 1AH —格式化ESDI驱动器 |
驱动器号（DL）编码
| 值 | 设备 |
|---|---|
0x00 | 软驱 A: |
0x01 | 软驱 B: |
0x80 | 第一块硬盘（主盘） |
0x81 | 第二块硬盘 |
0xE0–0xFF | 可能用于 CD-ROM（需 El Torito） |
⚠️重要：当 BIOS 加载 MBR 时，会将启动驱动器号放入
DL，你的代码应直接使用它！
四、基础功能
（一）复位磁盘系统（AH = 00h）
mov ah, 0x00 mov dl, 0x80 ; 硬盘0 int 0x13 ; CF=0: 成功；CF=1: 失败（AH=错误码）- 重置控制器，清除错误状态
- 建议在读写前调用（提高兼容性）
（二）读取扇区（AH = 02h）✅ 最常用！
mov ah, 0x02 ; 读扇区 mov al, 1 ; 读 1 个扇区 mov ch, 0 ; 柱面低8位 mov cl, 2 ; 扇区号（1-63），位7-6为柱面高2位 mov dh, 0 ; 磁头号 mov dl, 0x80 ; 驱动器（硬盘0） mov bx, 0x7E00 ; ES:BX = 目标缓冲区 int 0x13 jc error ; CF=1 表示错误🔢CHS 地址说明：
- 扇区号从 1 开始（不是 0！）
CL的位结构：text
CL = [C9 C8 | S5 S4 S3 S2 S1 S0] 柱面高2位 扇区号（1-63）🔄 LBA → CHS 转换（假设 255 磁头/63 扇区）：
sector = (LBA % 63) + 1; head = (LBA / 63) % 255; cyl = (LBA / 63) / 255; // CL = (cyl >> 2) | sector; // CH = cyl & 0xFF;（三）写入扇区（AH = 03h）
mov ah, 0x03 ; 写扇区 mov al, 1 ; 写 1 个扇区 ; ... 其他参数同读 ... mov bx, buffer ; ES:BX = 源数据 int 0x13⚠️注意：很多 BIOS 禁止在 MBR 中写硬盘（安全限制）！
（四）获取驱动器参数（AH = 08h）
mov ah, 0x08 mov dl, 0x80 ; 查询硬盘0 int 0x13 ; 返回： ; AL = 最后一个有效磁头号（0-based） ; CH = 最大柱面低8位 ; CL = [C9 C8 | max_sector] ; DH = 最大磁头号（同 AL） ; DL = 驱动器数量（bit7=1表示硬盘）- 用于动态探测磁盘几何结构
（五）检测驱动器就绪（AH = 15h）
mov ah, 0x15 mov dl, 0x80 int 0x13 ; 返回： ; AH = 状态 ; 00h: 不支持 ; 01h: 无介质 ; 02h: 可移动盘，有介质 ; 03h: 固定盘（硬盘） ; CX:DX = 扇区总数（仅当 AH=03h 时有效）- 可用于判断是否为硬盘
五、扩展功能
传统 CHS 无法访问 >8.4GB 磁盘。扩展 INT 13h（由 Enhanced Disk Drive Specification 定义）使用 LBA 寻址。
（一）读取扇区（AH = 42h）
1.定义磁盘地址包（Disk Address Packet, DAP）
struct DAP { uint8_t size; // = 0x10 (16 字节) uint8_t reserved; // = 0 uint16_t count; // 要读取的扇区数 uint16_t offset; // 目标缓冲区偏移（ES:offset） uint16_t segment; // 目标缓冲区段地址 uint64_t lba; // 起始 LBA（64 位） };2. 使用示例
; 定义 DAP（在数据段） dap: db 0x10 ; size db 0 ; reserved dw 1 ; 读 1 个扇区 dw 0x7E00 ; offset dw 0x0000 ; segment dq 1 ; LBA = 1 ; 调用扩展读 mov ah, 0x42 mov dl, 0x80 ; 驱动器 mov si, dap ; DS:SI -> DAP int 0x13 jc error（二）检测扩展支持
mov ah, 0x41 mov bx, 0x55AA ; magic mov dl, 0x80 int 0x13 ; 如果 CF=0 且 BX=0xAA55，则支持扩展✅优势：支持 64 位 LBA，可访问超大磁盘（理论上 2^64 扇区）