《操作系统真象还原》第四章——保护模式入门

本文主要是介绍《操作系统真象还原》第四章——保护模式入门，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前置知识

段描述符格式

• 段界限：表示段边界的扩展最值
  • 此段界限是一个单位量，其单位要么是字节，要么是4KB，具体可由G位进行指定
  • 最终段界限=此段界限值*单位
  • 实际段界限计算公式：（此段界限值+1）*（G位）-1
• G：粒度位，用于解释段界限的单位
  • 为0：表示段界限的单位表示为字节
  • 为1：表示段界限的单位表示为4KB
• S：描述符类型
  • 为0，表示系统段
  • 为1，表示非系统段（代码段或者数据段）
• type：用于指示描述符的子类型
  • 
• DPL：Descriptor Privilege Level，即描述符特权级
  • 特权级共有0、1、2、3，用于解释段界限的含义
• P：段存在位，用于指示描述符所对应的段是否存在
  • P位是由处理器负责检查的。每当通过描述符访问内存中的段时，如果P位是“0”，处理器就会产生一个异常中断
  • 该中断处理过程是由操作系统提供的，该处理过程的任务是负责将该段从硬盘换回内存，并将P位置1
• D/B：标志位，为了能够在32位处理器上兼容运行16位保护模式的程序。该标志位对不同的段有不同的效果。
  • 对于代码段，此位称作“D”位，用于指示指令中默认的有效地址和操作数尺寸；
    • D=0表示指令中的有效地址或者操作数是16位的；
    • D=1，指示32位的有效地址或者操作数。
  • 对于栈段和向下扩展的数据段来说，该位被叫作“B”位，用于指定在进行隐式的栈操作时，是使用寄存器SP还是寄存器ESP，隐式的栈操作指令包括push、pop和call等。
    • 如果该位是“0”，在访问那个段时，使用寄存器SP；
    • 否则就是使用寄存器ESP。
• AVL：表示软件是否可以使用(Available)，通常由操作系统来用，处理器并不使用它。
• L:用于设置是否是64位代码段
  • 为1，表示64位代码段
  • 为0，表示32位代码段

选择子

• RPL：请求特权级
• TI（table indicator）：表示在GDT（全局描述符表）还是在LDT（局部描述符表）中索引描述符
  • 为0，在GDT中进行索引
  • 为1，在LDT中进行索引 
• 3~15位，具体描述符的索引值，2^13=8192，故最多可以索引8192个段 

 GDT寄存器GDTR

• 作用：用于指向GDT的内存地址
• 访问格式：lgdt 48位内存数据

由上述GDTR寄存器的格式可以看出，GDT的大小占16位，也就是65536个字节，而每个描述符占8个字节，因此GDT最多可以容纳的描述符数量是65536/8=8192个 

控制寄存器CR0

控制寄存器是CPU的窗口，既可以用来展示CPU的内部状态，也可以用于控制CPU的运行机制

其中CR0的PE位是保护模式的开关

• 为0时，表示在实模式下运行
• 为1时表示在保护模式下运行 

进入保护模式

boot.inc

原书勘误，显存描述符应该为的最后应该是0x0b，而不是0x00

DESC_VIDEO_HIGH4 equ (0x00<<24) + DESC_G_4K \+ DESC_D_32 + DESC_L + \DESC_AVL + DESC_LIMIT_VIDEO2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + \DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x0b

%include "boot.inc"SECTION loader vstart=LOADER_BASE_ADDR
;初始化栈指针地址
LOADER_STACK_TOP equ LOADER_BASE_ADDR
jmp loader_start;------------- 构建gdt及其内部的描述符 -------------GDT_BASE: dd 0x00000000dd 0x00000000;代码段描述符的低4字节部分，其中高两个字节表示段基址的0~15位,在这里定义为0x0000;低两个字节表示段界限的0~15位，由于使用的是平坦模型，因此是0xFFFFCODE_DESC:  dd 0x0000FFFFdd DESC_CODE_HIGH4;段描述符的高4字节部分DATA_STACK_DESC: dd 0x0000FFFFdd DESC_DATA_HIGH4;定义显存段的描述符;文本模式下的适配器地址为0xb8000~0xbffff,为了方便显存操作，显存段不使用平坦模型;因此段基址为0xb8000,段大小为0xbffff-0xb8000=0x7fff,;段粒度位4k，因此段界限的值为0x7fff/4k=7VIDEO_DESC: dd 0x80000007dd DESC_VIDEO_HIGH4GDT_SIZE equ $-GDT_BASEGDT_LIMIT equ GDT_SIZE-1times 60 dq 0 ;此处预留60个描述符的空位;------------- 构建选择子 -------------SELECTOR_CODE equ (0x0001<<3) + TI_GDT + RPL0SELECTOR_DATA equ (0x0002<<3) + TI_GDT + RPL0SELECTOR_VIDEO equ (0x0003<<3) + TI_GDT + RPL0;------------- 定义gdtr（指向GDT的寄存器） -------------gdt_ptr dw GDT_LIMITdd GDT_BASE;------------- 加载器的显式信息 -------------loadermsg db '2 loader in real .'loader_start:
;------------------------------------------
;INT 0x10 功能号：0x13 功能描述：打印字符串
;------------------------------------------
;输入：;AH:功能号;AL:显示输出方式;   0——字符串中只含显示字符，显示属性在BH中，显示后光标位置不变;   1——字符串中只含显示字符，显示属性在BH中，显示后光标位置改变;   2——字符串中含显示字符和显示属性，显示后光标位置不变;   3——字符串中含显示字符和显示属性，显示后光标位置改变;BH:页码;BL:属性;CX:字符串长度;(DH、DL):坐标（行、列）;ES:BP 字符串地址
;无返回值mov sp,LOADER_BASE_ADDRmov bp,loadermsgmov cx,17mov ax,0x1301mov bx,0x001f;页号为0，蓝底粉红字mov dx,0x1800int 0x10;------------- 准备进入保护模式 -------------
;1.打开A20
;2.加载gdt
;3.置cr0的PE位为1;------------- 打开A20 -------------in al,0x92or al,0000_0010Bout 0x92,al;------------- 加载gdt -------------lgdt [gdt_ptr];------------- 置cr0的PE位为1 -------------mov eax,cr0or eax,0x00000001mov cr0,eaxjmp dword SELECTOR_CODE:p_mode_start;刷新流水线[bits 32]
p_mode_start:mov ax,SELECTOR_DATAmov ds,axmov es,axmov ss,axmov esp,LOADER_STACK_TOPmov ax,SELECTOR_VIDEOmov gs,axmov byte [gs:160],'p'jmp $

编译

nasm -I ./include/ -o mbr.bin mbr.S

nasm -I ./include/ -o loader.bin loader.S

磁盘写入

注意loader.S写入磁盘时count参数为2

dd if=./osCode/mbr.bin of=./bochs/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc

dd if=./osCode/loader.bin of=./bochs/hd60M.img bs=512 count=2 seek=2 conv=notrunc

运行

输出p说明GDT成功建立，如下调试所示

这篇关于《操作系统真象还原》第四章——保护模式入门的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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