BIOS 與組合語言

mm117777

BM PC個人電腦 （以下簡PC） 目前使用的是IA32 的處理器，其啟動程式燒錄在 BIOS 當中。當PC啟動時，會進入 BIOS的啟動程式中，BIOS會進行『系統組態的分析』（System Configuration Analysis），以分析CPU型號、記憶體大小、軟、硬碟機的數量與型式、是否安裝浮點運算器等，做為其它動作的重要參考資料。接著進行『開機自我測試』（POST，Power-On Self Test），以測試記憶體、晶片組、CMOS儲存資料、鍵盤和磁碟機等硬體，若有錯則以訊息告知所在。 接著，會載入作業系統，像是 MS.MS DOS, MS.MS Windows, Linux 等。

另外，BIOS當中燒錄有中斷向量與中斷程式，因此、許多的輸出入動作都可以透過呼叫BIOS完成，不需要程式設計人員再撰寫輸出入程式。這對系統的開發人員而言，是較為方便的，但是對學習IA32組合語言的人而言，往往會將BIOS視為一組神奇的函數，反而無法理解輸出入的原理。

PC的BIOS模組，是由中斷向量 (0x000-0x400)、中斷資料區 (0x400-0x470) 與中斷處理函數所形成的，因此，使用像int $0x10 這樣的指令，就可以呼叫第 10 號中斷，在螢幕上輸出字串。這樣的指令其實是讓程式透過中斷向量，跳入中斷處理函數中，真正的輸出入反而是在中斷處理函數中做完了。

BIOS的資料區包含了輸出入的資訊，舉例而言，位移0x1E-0x3D之處存放了鍵盤緩衝區 (Keyboard typeahead buffer)，其中存放有一連串的鍵盤掃描碼，等待16號中斷 (int 16h) 進行處理。表格 1 顯示了PC的BIOS資料區中，各記憶體位址所包含的資料。

表格 1. 個人電腦的BIOS資料區
位移         說明         位移         說明
0000-0007         COM1-COM4埠位址         004A-004B         螢幕的欄數
0008-000F         LPT1-LPT4埠位址         004C-004D         視訊緩衝區的長度
0010-0011         已安裝的硬體清單         004E-004F         視訊緩衝區的起點
0012         初始化旗標         0050-005F         游標位址 (8個視訊頁)
0013-0014         記憶體的大小(KB)         0060         游標結束列
0015-0016         I/O通道的記憶體         0061         游標起始列
0017-0018         鍵盤的狀態旗標         0062         目前顯示的視訊頁編號
0019         替代鍵的儲存區         0063-0064         作用中的視訊基底位址
001A-001B         鍵盤緩衝區指標(頭)         0065         CRT模式暫存器
001C-001D         鍵盤緩衝區指標(尾)         0066         彩色圖形介面卡的暫存器
001E-003D         鍵盤緩衝區         0067-006B         卡帶磁帶資料區
003E-0048         磁碟資料區         006C-0070         計時器資料區
0049         目前的視訊模式                

PC每個BIOS中斷都有特殊的功能，例如10號中斷是控制螢幕的函數、16號中斷可控制鍵盤、17號中斷可控制印表機、1A中斷可取得計時器、1C中斷則是一個每秒會被執行18.2次的時間中斷函數，重新設定該中斷可讓程式乘是每隔1/18.2秒就執行一次。這些中斷，其實就是一組預先燒錄於BIOS中，可以透過中斷程序呼叫的『裝置驅動程式』。表格 2 顯示了PC的中斷表，這些中斷在撰寫 PC 組合語言時，具有重要的功能，因為PC組合語言可透過這些中斷存取周邊裝置，而不是讓程式設計師直接透過記憶體映射的方式存取周邊裝置。

表格 2：個人電腦PC的中斷表
編號         說明         編號         說明
0         除法錯誤         19         啟動程式載入器
1         單步追蹤         1A         本日時間(單位為18.2次/秒)
2         不可遮罩中斷         1B         鍵盤中斷
3         中斷點         1C         使用者計時器中斷
4         溢位         1D         視訊參數
5         列印螢幕         1E         磁碟參數
6         無效的運算碼         1F         繪圖表格
7         無法使用處理器擴充         20         終止程式
8         IRQ0計時器中斷(18.2次/秒)         21         MS-DOS服務
9         IRQ1 鍵盤中斷         22         MS-DOS終止服務
A         IRQ2 可程式化中斷控制器         23         MS-DOS中斷位址
B         IRQ3 序列通訊 (COM2)         24         MS-DOS嚴重錯誤位址
C         IRQ4序列通訊 (COM1)         25         絕對磁碟的讀取 (已棄用)
D         IRQ5 固定磁碟         26         絕對磁碟的寫入 (已棄用)
E         IRQ6 磁碟中斷         27         終止並且常駐 (已棄用)
F         IRQ7 平行印表機         28-FF         保留
10         視訊服務 (螢幕)         33         滑鼠控制
11         設備檢查         34-3E         浮點樹模擬
12         記憶體大小         3F         覆蓋 (Overlay) 管理程式
13         軟碟服務         40-41         固定磁碟的服務
14         非同步序列埠服務         42-5F         保留：特殊用途
15         卡帶控制器         60-6B         可供應用程式使用
16         鍵盤服務         6C-7F         保留：特殊用途
17         印表機服務         80-F0         保留：由 ROM-BASIC 使用
18         執行ROM中的BASIC         F1-FF         可供應用程式使用

舉例而言，由於 0x10 號中斷為螢幕的視訊服務，該服務可以用來設定游標位置，將螢幕上下捲動，顯示字元與字串等。因此、組合語言可以透過 int 10h在螢幕上顯示訊息。表格 3 顯示了BIOS第10號中斷的功能與參數設置表。

表格 3. BIOS第10號中斷 – 螢幕銀幕控制的詳細功能
AH         功能         參數
0         設置顯示方式         AL=顯示模式（0～13H）
1         設置游標類型         CH=游標開始行 CL=游標結束行
2         設置游標位置         BH=頁號；DH/DL =行號/列號
3         讀游標位置         BH=頁號
5         設置當前顯示頁         AL=頁號
6         螢幕初始化或上卷         AL=上卷行數；AL=0全螢幕為空白；BH=捲入行屬性；CH/CL=左上角行號/列號；DH/DL=右上角行號/列號
7         螢幕初始化或下卷         AL=下卷行數；AL=0全螢幕為空白 BH=捲入行屬性 CH/CL=左上角行號/列號 DH/DL=右上角行號/列號
8         讀游標位置的屬性和字元         BH=顯示頁號；AH=屬性；AL =字元
9         在游標位置顯示字元和屬性         BH=顯示頁號；AL =字元 BL=屬性；CX=字元重複次數
A         在游標位置僅顯示字元         BH=顯示頁號；AL =字元 CX=字元重複次數
E         顯示字元（游標前移）         AL =字元；BL=前景色
13         顯示字串         ES：BP=串地址；CX=串長 DH/DL=起始行/列號；BH=頁號 AL =模式；BL=屬性

那麼，要如何利用組合語言呼叫 int 中斷呢？範例 1 展示了一個利用BIOS中10號中斷以輸出 “Hello!” 字串的程式片段，該程式在設定了許多參數屬性後，利用int $0x10 指令呼叫BIOS，然後就會在銀幕上顯示是一個黑底紅字的 Hello! 字串。

範例 1. 利用PC BIOS的10號中斷，輸出Hello!的範例 (AT&T語法)

…
    mov $msg, %ax
    mov %ax,%bp     #ES:BP = 串地址
    mov $6,%cx         #CX = 串長度
    mov $0x1301,%ax    #AH = 13, AL = 01h
    mov $0x00C,%bx     #頁號為0(BH = 0) 黑底紅字(BL = 0Ch,高亮)
    mov $0,%dl
    int $0x10         #10h 號中斷
    ret
msg:.ascii "Hello!"