在之前的實作中，我們在 Host 端直接用 memcpy 將 boot.bin 放入 Guest 的 0x7C00 並跳過了 BIOS 與硬碟存取的整個流程。
因此，今天我們要實作一個簡易硬碟模型，讓 BIOS 的啟動流程回到真實硬體的路徑，讓 BIOS 使用內建的 ATA 驅動，透過 ATA 的 I/O port (如: 0x1F0–0x1F7, 0x3F6)讀取硬碟的 LBA0，並將 512 bytes 載入到 0x7C00，完成 boot.bin 的加載。此外我們會在 Host 透過攔截 I/O (KVM_EXIT_IO) 來模擬 ATA PIO 行為。

BIOS 如何訪問硬碟

在 PC/AT 架構下，BIOS 的磁碟存取邏輯其實非常直接。

• Primary IDE 通道的 I/O port 被固定在 0x1F0–0x1F7，控制暫存器則在 0x3F6。
• Secondary IDE 通道則對應到 0x170–0x177 與 0x376。
  而 BIOS 在實作 INT 13h 時，會根據命令對這些 I/O port 進行操作。
  下圖為 I/O port 的功能
  
  圖片擷取自 ATA_PIO_Mode
  BIOS 在實作 INT 13h 時，會根據命令去對這些 port 進行 in/out 操作。比如在 ATA/ATAPI-8控制命令中，0xEC 可以識別硬碟信息、0x20 可使用 28 位 LBA 尋址模式讀扇區，0x24 則可拓展至 48 位模式讀扇區、0x30 則可用於寫入扇區，同樣的 0x34 則為 48 位拓展模式的寫扇區操作。

連結 I/O 事件

在 KVM 環境下，任何來自 Guest 的 I/O 存取若沒有被內建周邊處理如之前用的 KVM_CREATE_IRQCHIP，就會觸發 VM-exit，並以 KVM_EXIT_IO 回到 Host，這正好給我們很好的切入點，無須在 BIOS 中下任何 hook 就可以很自然的攔截 I/O 事件，舉例來說:
當 Guest 執行 out 0x1F7, 0x20 (READ SECTOR 命令)，KVM 會幫我們攔截，在 Host 我們只需要透過
lseek 把 offset 指到 disk.img 的對應扇區即可，接著等待 Guest 執行 insw 把這些資料取回。

模擬 ATA

為了讓 BIOS 可順利讀到 MBR 並跳轉到 0x7C00，我們需要根據 ATA 協議實作一些項目:

1. 狀態暫存器
   
   指我們只需實作 BSY、DRDY、DRQ 即可。
   圖片擷取自 ATA_PIO_Mode
2. IDENTIFY DEVICE (0xEC)
   
   圖片擷取自 AT Attachment 8 - ATA/ATAPI Command Set

static void ata_pio_update_identify(struct ata_pio_device *dev)
{
    uint8_t *buf = dev->identify_data;
    memset(buf, 0, ATA_PIO_SECTOR_SIZE);

    buf[0] = 0x40; /* Word 0: legacy fixed-disk signature (0x0040). */

    uint16_t heads = 16;
    uint16_t sectors = 63;
    uint16_t cylinders = 0;
    if (dev->total_sectors > 0) {
        uint64_t total = dev->total_sectors;
        uint64_t sectors_per_cylinder = (uint64_t)heads * sectors;
        if (sectors_per_cylinder)
            cylinders = (uint16_t)(total / sectors_per_cylinder);
    }

    buf[1 * 2] = cylinders;
    buf[1 * 2 + 1] = cylinders >> 8;
    buf[3 * 2] = (uint8_t)heads;
    buf[3 * 2 + 1] = (uint8_t)(heads >> 8);
    buf[6 * 2] = (uint8_t)sectors;
    buf[6 * 2 + 1] = (uint8_t)(sectors >> 8);

    ata_identify_fill_string(buf + 10 * 2, 10, "ATA01"); // serial number
    ata_identify_fill_string(buf + 23 * 2, 4, "1.0"); // firmware number
    ata_identify_fill_string(buf + 27 * 2, 10, "ATA  Disk"); // model number

    uint32_t caps = 1u << 9; /* LBA supported */
    buf[49 * 2] = (uint8_t)caps;
    buf[49 * 2 + 1] = (uint8_t)(caps >> 8);

    uint64_t total_lba28 = dev->total_sectors;
    if (total_lba28 > 0x0FFFFFFFu)
        total_lba28 = 0x0FFFFFFFu; // lba 28
    uint16_t word60 = (uint16_t)total_lba28;
    uint16_t word61 = (uint16_t)((total_lba28 >> 16) & 0xFFFFu);
    buf[60 * 2] = (uint8_t)word60;
    buf[60 * 2 + 1] = (uint8_t)(word60 >> 8);
    buf[61 * 2] = (uint8_t)word61;
    buf[61 * 2 + 1] = (uint8_t)(word61 >> 8);
}

3. READ SECTORS (0x20, LBA28)
   
   我們只要支援扇區讀取，就足夠跑通整個開機流程。

static enum exit_handle_status ata_prepare_pio(struct ata_pio_device *dev,
                                               uint32_t count,
                                               uint32_t lba)
{
    if (dev->disk_fd < 0)
        return EXIT_HANDLE_ERROR;

    if (count == 0)
        count = 256u; // 手冊上寫如果填入 count = 0 則相當於讀取 256 個扇區
    if (count > ATA_PIO_MAX_SECTORS)
        count = ATA_PIO_MAX_SECTORS;

    uint64_t total_bytes = (uint64_t)count * dev->sector_size;
    if (total_bytes > sizeof(dev->data_buffer))
        return EXIT_HANDLE_ERROR;

    uint64_t byte_offset = (uint64_t)lba * dev->sector_size;
    off_t offset = (off_t)byte_offset;

    dev->status = ATA_STATUS_BSY;
    dev->error = 0;

    ssize_t n;
    do {
        n = pread(dev->disk_fd, dev->data_buffer, total_bytes, offset);
    } while (n < 0 && errno == EINTR);

    if (n < 0) {
        dev->status = ATA_STATUS_DRDY | ATA_STATUS_ERR;
        dev->error = 0x04; /* abort */
        return EXIT_HANDLE_ERROR;
    }

    size_t read_bytes = (size_t)n;
    if ((uint64_t)read_bytes < total_bytes)
        memset(dev->data_buffer + read_bytes, 0,
               (size_t)(total_bytes - (uint64_t)read_bytes));

    dev->data_length = (uint32_t)total_bytes;
    dev->data_offset = 0;
    dev->status = ATA_STATUS_DRDY | ATA_STATUS_DRQ;
    printf("[host][ata] read lba=%" PRIu32 " count=%" PRIu32 "\n", lba, count);
    return EXIT_HANDLE_CONTINUE;

執行結果