老PC从U盘启动裸机内核，到底行不行？
介绍
在上一篇文章里，我们从引导扇区开始写了一个会打招呼的裸机“内核”，在QEMU里跑得很开心，最后把“拿真机开刀”的几个坑留了下来。这一篇就来填坑，回答一个具体的问题：老PC到底能不能从U盘启动我们自己写的裸机内核？
先把答案放这：能。大约2003年以后、BIOS里有USB启动选项的机器基本都可以。但上一篇那个镜像直接dd进U盘，在不少真机上会翻车——不是BIOS压根不认这个U盘，就是读盘读出一堆垃圾。这篇文章给引导程序做两个小升级，把这两个坑都填平。
U盘启动的原理：BIOS的“模拟大法”
先想一个问题：BIOS又不懂文件系统，也没有什么“USB启动协议”，它是怎么从U盘启动的？答案是模拟（emulation）：BIOS用自己内置的USB驱动把U盘伪装成一块普通硬盘（USB-HDD模式）或软盘（USB-FDD模式），然后照常提供INT 13h读盘服务、照常执行“搬运第一个扇区到0x7C00”的老流程。对我们的引导程序来说，U盘“看起来”就是一块硬盘。
听上去很美，但两个坑正是藏在这套模拟里：
- 坑一：CHS几何参数是BIOS现编的。U盘本来就没有柱面、磁头这些东西，模拟成“硬盘”时的几何参数全靠BIOS即兴发挥，不同BIOS编出来的还不一样。上一篇我们用CHS方式读盘，一旦BIOS编的参数和我们想的对不上，读出来的就是垃圾，屏幕一黑到底。
- 坑二：不少BIOS认分区表。它们要在U盘的第一个扇区里看到一张像样的MBR分区表，才承认这是“可启动硬盘”。上一篇的镜像里没有分区表，这类BIOS会直接跳过U盘，连机会都不给。
步骤
升级一：改用INT 13h扩展读（LBA）
治CHS的办法很直接：不用CHS。1990年代中期之后的BIOS都提供“INT 13h扩展”，可以用LBA（逻辑块地址）直接说“从第几个扇区开始读几个”，完全绕开几何参数。顺便理清计数方式：内核在磁盘的“第2个扇区”，用CHS的说法是柱面0、磁头0、扇区2（CHS的扇区从1数），换成LBA就是LBA 1（LBA从0数，LBA 0是引导扇区自己）。
用法分两步：先用功能41h探测扩展是否可用，可用的话就用功能42h读。42h的参数不再塞寄存器，而是填一个16字节的“参数包”（Disk Address Packet）：
; 先问BIOS一句：支持INT 13h扩展吗？
mov ah, 0x41
mov bx, 0x55aa
mov dl, [BOOT_DRIVE]
int 0x13
jc use_chs ; 不支持，退回老式CHS读
cmp bx, 0xaa55
jne use_chs
; 支持扩展：用LBA方式读，不用管BIOS现编的几何参数
mov si, dap
mov ah, 0x42
mov dl, [BOOT_DRIVE]
int 0x13
jc disk_error
...
; ---- 扩展读的参数包（Disk Address Packet）----
dap:
db 0x10 ; 包大小：固定16字节
db 0 ; 保留
dw 16 ; 要读的扇区数
dw KERNEL_ADDR ; 目标地址：偏移
dw 0 ; 目标地址：段
dq 1 ; 起始LBA：内核在LBA 1
注意我们保留了上一篇的CHS读法作为兜底（use_chs分支）：万一碰上真·上古BIOS不支持扩展（多见于软盘模拟模式），就退回老办法，两头都照顾到。
升级二：给引导扇区塞一张分区表
MBR的512字节其实是有规定格局的：前446字节归引导代码，接下来64字节是4个分区表项（每个16字节），最后2字节是魔数0xAA55。我们的引导代码离446字节还远，正好把分区表补上，专治坑二：
; ---- 分区表：有些BIOS要看到它才肯把U盘当可启动硬盘 ----
times 446-($-$$) db 0 ; 引导代码区到此为止（446字节）
; 分区1：可启动，类型0x0C（FAT32 LBA），LBA 2048起，共2048个扇区
db 0x80 ; 0x80 = 可启动标志
db 0x20, 0x21, 0x00 ; 起始CHS（按255磁头/63扇区折算，仅供老BIOS参考）
db 0x0c ; 分区类型
db 0x41, 0x01, 0x00 ; 结束CHS（同上）
dd 2048 ; 起始LBA
dd 2048 ; 扇区数（1MB）
times 48 db 0 ; 分区2、3、4：不用，清零
dw 0xaa55 ; 引导扇区魔数
这个分区基本上是“演给BIOS看”的：它从LBA 2048开始，而我们的内核放在LBA 1到16——藏在分区开始之前的空隙里（现代分区工具管这段叫MBR gap，GRUB也把自己的一部分塞在这里，我们算是蹭了个正规位置）。分区里并没有真的FAT文件系统，BIOS也不会去检查；讲究的话，你可以之后真的把它格式化成FAT放点文件，两不耽误。
完整引导程序
把两个升级并进上一篇的boot.asm，就得到了boot_usb.asm。保护模式切换、GDT和打印函数与上一篇完全相同，内核的kernel_entry.asm和kernel.c一个字都不用改：
[org 0x7c00]
[bits 16]
KERNEL_ADDR equ 0x8000 ; 内核会被加载到这个物理地址
; BIOS不保证段寄存器的初始值，先自己清零
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7c00
mov [BOOT_DRIVE], dl ; BIOS把启动盘号放在DL里，先存起来
mov si, msg_real
call print_string
; 先问BIOS一句：支持INT 13h扩展吗？
mov ah, 0x41
mov bx, 0x55aa
mov dl, [BOOT_DRIVE]
int 0x13
jc use_chs ; 不支持，退回老式CHS读
cmp bx, 0xaa55
jne use_chs
; 支持扩展：用LBA方式读，不用管BIOS给U盘现编的几何参数
mov si, dap
mov ah, 0x42
mov dl, [BOOT_DRIVE]
int 0x13
jc disk_error
jmp load_ok
use_chs: ; 兜底：老式CHS读（和上一篇相同）
mov ah, 0x02
mov al, 16
mov ch, 0
mov dh, 0
mov cl, 2
mov dl, [BOOT_DRIVE]
mov bx, KERNEL_ADDR
int 0x13
jc disk_error
load_ok:
mov si, msg_load
call print_string
; 进入保护模式（和上一篇完全相同）
cli
lgdt [gdt_descriptor]
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
jmp CODE_SEG:protected_mode_start
disk_error:
mov si, msg_disk_err
call print_string
jmp $
; 实模式下的打印函数：SI = 0结尾的字符串
print_string:
xor bx, bx
.loop:
lodsb
or al, al
jz .done
mov ah, 0x0e
int 0x10
jmp .loop
.done:
ret
; ---- 扩展读的参数包（Disk Address Packet）----
dap:
db 0x10 ; 包大小：固定16字节
db 0 ; 保留
dw 16 ; 要读的扇区数
dw KERNEL_ADDR ; 目标地址：偏移
dw 0 ; 目标地址：段
dq 1 ; 起始LBA：内核在LBA 1（LBA从0数，0是引导扇区）
[bits 32]
protected_mode_start:
mov ax, DATA_SEG
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
mov esp, 0x90000
call KERNEL_ADDR ; 跳进内核！
jmp $
; ---- GDT：平坦模型（和上一篇完全相同）----
gdt_start:
dq 0
gdt_code:
dw 0xffff, 0x0000
db 0x00, 10011010b, 11001111b, 0x00
gdt_data:
dw 0xffff, 0x0000
db 0x00, 10010010b, 11001111b, 0x00
gdt_end:
gdt_descriptor:
dw gdt_end - gdt_start - 1
dd gdt_start
CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start
BOOT_DRIVE db 0
msg_real db "[boot] USB boot, hello!", 13, 10, 0
msg_load db "[boot] Kernel loaded, entering protected mode...", 13, 10, 0
msg_disk_err db "[boot] Disk read error :(", 13, 10, 0
; ---- 分区表：有些BIOS要看到它才肯把U盘当可启动硬盘 ----
times 446-($-$$) db 0 ; 引导代码区到此为止（446字节）
; 分区1：可启动，类型0x0C（FAT32 LBA），LBA 2048起，共2048个扇区
db 0x80 ; 0x80 = 可启动标志
db 0x20, 0x21, 0x00 ; 起始CHS（按255磁头/63扇区折算，仅供老BIOS参考）
db 0x0c ; 分区类型
db 0x41, 0x01, 0x00 ; 结束CHS（同上）
dd 2048 ; 起始LBA
dd 2048 ; 扇区数（1MB）
times 48 db 0 ; 分区2、3、4：不用，清零
dw 0xaa55 ; 引导扇区魔数
制作镜像，先在QEMU里验证
nasm -f bin boot_usb.asm -o boot_usb.bin # 内核三件套和上一篇完全一样 nasm -f elf32 kernel_entry.asm -o kernel_entry.o gcc -m32 -ffreestanding -fno-pie -fno-stack-protector -O2 -c kernel.c -o kernel.o ld -m elf_i386 -Ttext 0x8000 --oformat binary -o kernel.bin kernel_entry.o kernel.o cat boot_usb.bin kernel.bin > usb.img truncate -s 2M usb.img # 4096个扇区，正好把分区表里声明的分区装下
做完可以先让fdisk验一眼——它把我们手搓的分区表当成正经分区表认了：
$ fdisk -l usb.img Disk usb.img: 2 MiB, 2097152 bytes, 4096 sectors Disklabel type: dos Device Boot Start End Sectors Size Id Type usb.img1 * 2048 4095 2048 1M c W95 FAT32 (LBA)
再进QEMU跑一圈，内核照常点亮（QEMU的SeaBIOS支持INT 13h扩展，走的正是新的LBA路径）：
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=usb.img
写进U盘，真机走起
老规矩：/dev/sdX一定要用lsblk确认成你U盘的设备名，写错盘神仙也救不回来。
lsblk sudo dd if=usb.img of=/dev/sdX bs=1M conv=fsync
然后按这张清单伺候真机：
- 开机狂按F2/F12/Del进BIOS设置（不同厂商按键不同，开机画面上一般有提示）；
- 有Legacy/UEFI选项的话选Legacy（真·老机器没这个选项，天生Legacy）；
- 启动顺序里把USB-HDD排到第一；有的BIOS会把U盘直接列在硬盘列表里，那就在硬盘顺序里把它提到最前；
- 保存重启。顺利的话，屏幕上会出现那两行熟悉的问候；
- 不顺利的话：USB-HDD不行就换USB-FDD、USB-ZIP模式挨个试；还不行就换个U盘（越小越老的U盘反而越容易被老BIOS认出来）。
最后的兜底方案：如果机器实在太老（大约2003年以前），BIOS压根没有USB启动这一项，可以用PLoP Boot Manager曲线救国——把它刻成光盘或写进软盘，从光盘/软盘启动后，它用自带的USB驱动接管，再把控制权交给U盘。老机器多半有光驱，这条路基本都走得通。
总结
回到标题的问题：老PC从U盘启动裸机内核，到底行不行？行。BIOS支持USB启动的机器（大约2003年以后），配上这篇的两个升级——LBA读盘防几何参数翻车、分区表防BIOS不认盘——就是一个比较靠谱的组合；更老的机器还有PLoP兜底。本文的代码小编在QEMU 6.2里完整验证过（fdisk的输出也是真的），真机部分是排坑清单，每台老机器的BIOS都有自己的脾气——如果你手头正好有一台吃灰的老伙计，欢迎在评论区报告战况。
下一篇要是有机会，就该让这个内核学会响应键盘中断了——毕竟一直自言自语也不是个事儿。
