操作系統實驗四：保護模式之局部任務（LDT）初探

      通過前幾次實驗，對於實模式與保護模式間的跳轉已經有了充分認知。此次實驗與接下來的實驗主要集中在認識保護模式下的一些特性，

如多任務的基礎（局部任務LDT）、分頁機制、中斷、異常、I/O等。爲了儘可能將實驗設計的簡單，我儘量將以上實驗壓縮在引導扇區的

512字節內。爲了節省空間，我將pm16.c精簡了許多，它只負責跳轉到保護模式（程序限制在80字節以內），在pm32.c裏會重新加載新

的GDT（程序加載到內存0x7c50處）。

此次實驗內容爲：

    （pm16.c部分）

    1.清屏，並跳轉到保護模式（pm32.c，內存地址0x7c50）

    （pm32.c部分）

    1.加載新的GDT

    2.爲GDT中局部任務描述符設置LDT的基地址

    3.顯示字符串This is protect model.

    4.跳轉到局部任務

    5.顯示字符串This is local model.

    6.進入死循環

 

 

實驗代碼如下：

code：run.c（因爲重新設置了pm32.c的內存分佈，所以需要修改run.c中的幾個數據，下面是修改好了的run.c代碼）

 //文件：run.c //功能：編譯操作系統的實驗代碼並創建img，生成bochs配置文件，運行bochs。 //說明：實驗代碼由16位部分引導程序與32位部分引導程序組成。 // 16位部分引導程序放在引導扇區的前半部分，0~79字節 // 32位部分引導程序放在引導扇區的後半部分，80~509字節 // 510、511字節放引導程序結束標記：0x55、0xaa //運行：請使用yc09編譯器編譯運行。 //作者：miao //時間：2010-1-13 #define FDISK_SIZE 1474560 //鏡像大小：1.4MB //虛擬機設置 char *pmSrc = "megs: 32 /n" "romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000 /n" "vgaromimage: VGABIOS-elpin-2.40 /n" "floppya: 1_44=pm.img, status=inserted /n" "boot: a /n" "log: pm.out /n" "mouse: enabled=0 /n" "keyboard_mapping: enabled=1, map=x11-pc-us.map /n"; //編譯指定代碼文件並放入鏡像指定位置 //filename:要編譯的文件名 imgBuffer:保存到的鏡像緩衝區 //startIndex:指定起始位置 limitSize:編譯後程序限定大小 int CompileFile(char *fileName, byte *imgBuffer, int startIndex, int limitSize) { char *tempBuffer; //保存部分引導程序的臨時緩衝區 //編譯此部分引導程序，結果放到tempBuffer中 int length = YC_CompileCpp(&tempBuffer, fileName, 0, 0); if(length <= 0 || length >= limitSize) { printf("文件:%s中存在一些錯誤或文件過大(超過%d字節):%d字節/n",fileName,limitSize,length); return 1; } printf("文件:%s 編譯成功，大小爲：%d字節。/n", fileName, length); //將1此部分引導程序放到鏡像引導扇區緩衝區指定起始位置 memcpy(imgBuffer + startIndex, tempBuffer, length); free(tempBuffer); return 0; } int main(int argc, char **argv) { char * filePath = argv[0]; //當前文件夾路徑 char fileName[MAX_PATH]; //用於緩存各個文件名 //將可執行文件的完整路徑去掉文件名，保留文件夾路徑 for( int i = strlen(filePath);filePath[i] != '//';i--) filePath[i] = '/0'; byte *imgBuffer = new byte[FDISK_SIZE];//鏡像緩衝區 _start: //編譯16位部分引導程序並放在引導扇區的前半部分，0~79字節 if(CompileFile("pm16.c", imgBuffer, 0, 80)) goto _restart; //編譯32位部分引導程序並放在引導扇區的後半部分，80~509字節 if(CompileFile("pm32.c", imgBuffer, 80, 512-80-2)) goto _restart; //0000H-01FFH 爲FAT引導扇區[第0扇區] 以55 AA標誌結束 長度爲200H(512)字節 imgBuffer[510] = 0x55; imgBuffer[511] = 0xaa;//標記軟盤引導結尾 //創建操作系統鏡像pm.img if(YC_writefile("pm.img", imgBuffer, FDISK_SIZE) != FDISK_SIZE) { printf("寫: %s 文件過程中出現錯誤。/r/n", fileName); goto _restart; } printf("/n%s 創建成功。/n", fileName); //生成操作系統虛擬機配置文件pm.src YC_writefile("pm.src", pmSrc, strlen(pmSrc)); //運行虛擬機 YC_WinExec(strcat(strcpy(fileName, filePath), "bochs.exe"), "-q -f pm.src"); _restart: printf("/n點擊回車重新編譯運行！/n/n/n"); while(getchar() != '/n'); goto _start; return 0; }

code：pm.h

//文件：pm.h //功能：pm16.c與pm32.c的公共頭文件 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-1-30 //定義GDT屬性 #define DA_32 0x4000 //32位段 #define DA_DRW 0x92 //存在的可讀寫數據段屬性值 #define DA_CR 0x9A //存在的可執行可讀代碼段屬性值 //定義LDT屬性 #define DA_LDT 0x82 //局部描述符表類型值 #define SA_TIL 0x4 //將TI位置1，表示是LDT選擇子 typedef unsigned int t_32; //4字節 typedef unsigned short t_16; //2字節 typedef unsigned char t_8; //1字節 typedef int t_bool;//4字節 typedef unsigned int t_port;//4字節 //存儲段描述符/系統段描述符 struct DESCRIPTOR //共 8 個字節 { t_16 limit_low; //Limit 2字節 t_16 base_low; //Base 2字節 t_8 base_mid; //Base 1字節 t_8 attr1; //P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) 1字節 t_8 limit_high_attr2; //G(1) D(1) 0(1) AVL(1) LimitHigh(4) 1字節 t_8 base_high; //Base 1字節 }; #define Descriptor(bas,len,attr) { (len) & 0xffff, / (bas) & 0xffff, / ((bas)>>16)&0xff, / (attr) & 0xff, / (((attr)>>8) &0xf0) + (((len)>>16) & 0x0f), / ((bas) >> 24) & 0xff } /  

code：pm16.c

//文件：pm16.c //功能：切換到保護模式，跳轉到32位代碼段 //說明：我試圖僅在引導扇區編寫保護模式的相關實驗，因此將這個程序精簡了很多。 // 它只負責跳轉到保護模式，其他的工作都在pm32.c下完成。 // pm16.c只佔引導扇區的前半部分0~79字節。 // pm32.c部分會加載到內存0x7c50處。 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-1-30 #define YCBIT 16 //告訴編譯器，以16位格式編譯程序 #define YCORG 0x7c00 //告訴編譯器，在7c00處加載程序 #include "pm.h" //GDT界限，只負責跳轉到保護模式，到時會加載新的GDT DESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(0x7c50, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代碼段(pm32.c),可執行可讀 }; //GDT 選擇子，根據GDT界限設置偏移量值 #define SelectorCode32 8*1 //指向32位段處 #pragma pack(1) struct GDT_PTR { unsigned short size; void *addr; }; #pragma pack() GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)label_gdt}; //段界限,基地址 asm void main() { mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax //清屏 mov ah, 06h //屏幕初始化或上卷 mov aL, 00h //AH = 6, AL = 0h mov bx, 1110h //藍色底色 mov cx, 0 //左上角: (0, 0) mov dl, 4fh //第0列 mov dh, 1fh //第0行 int 10h //顯示中斷 lgdt GdtPtr //加載 GDTR cli //關中斷 //打開地址線A20 in al, 92h or al, 00000010b out 92h, al //準備切換到保護模式，置cr0的PE位爲1 mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax //真正進入保護模式 jmp dword SelectorCode32:0x0 }  

code：pm32.c

//文件：pm32.c //功能：保護模式下32位代碼段，功能爲加載新的GDT，初始化LDT，跳入LDT局部任務 //說明：32位部分引導程序放在鏡像引導扇區的後半部分，80~509字節中，程序大小不能超過這個限制 //運行：run.exe自動會編譯pm16.c與pm32.c然後生成img並調用Bochs運行此程序 //提示：請先用yc09編譯run.c文件，生成run.exe程序 // 之後修改pm16.c與pm32.c中代碼，可直接運行run.exe查看效果 ，點擊回車再次編譯運行 //作者：miao //時間：2010-1-30 #define YCBIT 32 //告訴編譯器，以32位格式編譯程序 #define YCORG 0x0 //此指會對在編譯時對變量函數等產生地址基址偏移量，簡單起便，設置爲0 #include "pm.h" #define ProtecAddr 0x7c50 //進入保護模式後的程序基址 //LDT界限 DESCRIPTOR label_ldt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代碼段(pm32.c),可執行可讀 }; //LDT 選擇子，根據pm32.c中的LDT界限設置偏移量值 #define SelectorLDTCodeA 8*0+SA_TIL //指向32位段局部任務處 //GDT界限，注意，這個與pm16.c中的GDT不同，從pm16.c跳轉過來後會立即載入這個新的GDT DESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代碼段(pm32.c),可執行可讀 Descriptor(0xb8000, 0xffff, DA_DRW), //顯存地址段,可讀可寫 Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_DRW | DA_32), //令32位代碼段(pm32.c)的變量可以讀寫 Descriptor(0, 0xfffff, DA_LDT),//局部描述符，段基址和32位代碼段相同，調用時需要加上偏移量 }; //GDT 選擇子，根據pm32.c中的GDT界限設置偏移量值 #define SelectorCode32 8*1 //指向32位段處代碼段,可執行可讀 #define SelectorVideo 8*2 //指向顯存首地址 #define SelectorData32 8*3 //指向32位段處，這樣，在程序中的變量就可以讀寫了 #define SelectorLDT 8*4 //指向LDT,通過這個跳轉到局部任務 #pragma pack(1) struct GDT_PTR { t_16 size; void *addr; }; #pragma pack() GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)&label_gdt + ProtecAddr}; //段界限,基地址 char Msg1[] = "This is protect model."; char Msg2[] = "This is local model."; asm void LDTCode();//局部代碼段, 由32 位代碼段跳入 asm void DispStr();//顯示一個字符串，需要先設置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置 //32 位代碼段. 由實模式跳入 asm void main() { lgdt cs:GdtPtr //加載新的GDTR mov eax, SelectorVideo mov gs, ax //視頻段選擇子(目的) mov eax, SelectorData32 //令32位代碼段的變量（printPlace）可以讀寫 mov ds, ax //在GDT的上設置好LDT的基地址，然後加載局部描述符（LDT） xor eax, eax mov eax, &label_ldt + ProtecAddr mov word label_gdt+8*4+2, ax shr eax, 16 mov byte label_gdt+8*4+4, al mov byte label_gdt+8*4+7, ah mov ax, SelectorLDT lldt ax //下面顯示一個字符串(顯示已經到達保護模式信息) mov esi, &Msg1 //源數據偏移 mov edi, ((80 * 0 + 0) * 2) //目的數據偏移。屏幕第0行, 第0列。 call DispStr jmp SelectorLDTCodeA:&LDTCode //跳轉到局部任務 } //局部代碼段, 由32 位代碼段跳入 asm void LDTCode() { //下面顯示一個字符串(顯示已經到達保護模式信息) mov esi, &Msg2 //源數據偏移 mov edi, ((80 * 1 + 0) * 2) //目的數據偏移。屏幕第1行, 第0列。 call DispStr _end: jmp _end } //顯示一個字符串，需要先設置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置 asm void DispStr() { mov ah, 14h //藍底紅字(ah = 14h) //循環逐個將字符串輸出 _DispStr: mov al, ds:[esi]//因爲可讀，才能用cs指向當前段的Msg1字符串 inc esi cmp al, '/0' //判斷是否字符串結束 jz _stop mov gs:[edi], ax add edi, 2 jmp _DispStr _stop: //顯示完畢 ret }  

 

想要實驗以上代碼的朋友請注意：

1.到楊曉兵大大的博客上下載安裝yc09編譯器，安裝只需一分鐘左右。

2.將此次試驗中的run.c、pm.h、pm16.c、pm32.c代碼拷貝到某個實驗用的文件夾內。

3.在安裝yc09的目錄YC09/example文件夾內找到bochs.exe、BIOS-bochs-latest、VGABIOS-elpin-2.40、x11-pc-us.map四個文件拷貝到試驗用的文件夾內。

4.使用yc09編譯運行run.c