操作系統實驗二：從實模式跳轉到保護模式

寫在前面的話：

      編寫這一個實驗實在是讓我感到慚愧，搗鼓了許多次，也失敗了許多次，才好不容易纔正確跳轉到保護模式。想當初我按照《自己動手寫操作系統》直接打代碼，用nasm編譯運行，儘管也會出現一些小錯誤。但仔細對照書或直接拉出源代碼來對比一下就ok了。自以爲已經完全弄懂了，如今換個編譯器，在代碼不完全通用而編譯器又極度缺乏相關的參考資料、只能靠使用bochsdbg.exe一點一點調試的情況下編寫，才知道自己當初的認識有多麼膚淺。也因爲如此，更堅定了我的想法，只有用另一種編譯器，按照編譯器作者的設計理念來實現同種功能，才能更深刻的理解操作系統。

      說說我用yc09編寫代碼是遇到的困難吧。首先，像是語法上有些細微的不同，一些指令不通用等等只算是小問題。比較麻煩的是，在一個文件裏yc09似乎只能用一種格式編譯。像是16位代碼段、32位代碼段、數據段等，只能分開編寫與編譯。如此，各代碼段間就不能根據名稱直接引用函數變量標籤等的地址計算偏移量什麼的了（也許有變通的方法，可惜我水平不夠沒找到）。但還好，因爲yc09的動態編譯特性，使得編程具有很大的靈活特性，只要預先設計好各個代碼段數據段的地址就可以了。總之，也正因爲如此，對於如何用bochsdbg.exe調試變得得心應手了。

 

實驗代碼結構說明：

      此次是由實模式跳轉到保護模式，也是由16位的代碼段跳轉到32位的代碼段。由於編譯器似乎不支持不同位數代碼段的混合編譯，因此需要分別編譯再拼裝起來，也正因爲如此，給了編程者很大的靈活度。

我對此次試驗的16位代碼段和32位代碼段只是簡單的做了如下處理：

16位代碼段放在引導扇區的前半部分，0~255字節中。

32位代碼段放在引導扇區的後半部分，256~509字節。

最後兩個字節510、511字節是引導程序結束標記：0x55、0xaa。

 

code：run.c

特別說明：此版本修正了前一個版本在實驗代碼存在語法錯誤時，無法繼續無限循環編譯實驗代碼的問題。

//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，0~255字節 // 32位部分引導程序放在引導扇區的後半部分，256~509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：%d字節/n", fileName, 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，0~255字節 if(CompileFile("pm16.c", imgBuffer, 0, 256)) goto _restart; //編譯32位部分引導程序並放在引導扇區的後半部分，256~509字節 if(CompileFile("pm32.c", imgBuffer, 256, 256-2)) 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 //作者：miao //時間：2010-1-13 //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 //GDT 選擇子，根據pm16.c中的GDT界限設置偏移量值 #define SelectorSode32 8*1 //指向32位段處 #define SelectorVideo 8*2 //指向顯存首地址 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：設置GDT，在GDT中初始化32位代碼段，然後切換到保護模式跳轉到32位代碼段 //說明：16位部分引導程序放在鏡像引導扇區的前半部分，0~255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 //作者：miao //時間：2010-1-13 #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 DESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 屬性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(0x7d00, 0xfffff, DA_CR | DA_32),//32位代碼段，可執行可讀 Descriptor(0xb8000, 0xffff, DA_DRW) //顯存地址段，可讀可寫 }; #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 #define MsgLngth 24 //串長度 char Msg[MsgLngth] = "This is real model! "; 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 mov ax, &Msg mov bp, ax //es:bp=串地址 mov ah, 13h //AH:13顯示字符串 mov al, 1h //AH = 13, AL = 01h mov bx, 0014h //頁號爲0(BH = 0) 藍底紅字(BL = 14h) mov cx, MsgLngth //CX = 串長度 mov dl, 00h //起始列 mov dh, 00h //起始行 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 mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax //真正進入保護模式 jmp dword SelectorSode32:0x0 }  

code:pm32.c

//文件：pm16.c //功能：保護模式下32位代碼段，功能爲顯示一個字符串 //說明：32位部分引導程序放在鏡像引導扇區的後半部分，256~509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 //作者：miao //時間：2010-1-13 #define YCBIT 32 //告訴編譯器，以32位格式編譯程序 #define YCORG 0x0 //必須定義一個值 #include "pm.h" char Msg1[] = "This is protect model!"; //32 位代碼段. 由實模式跳入（可執行可讀） asm void main() { mov ax, SelectorVideo mov gs, ax //視頻段選擇子(目的) //下面顯示一個字符串(顯示已經到達保護模式信息) mov ah, 14h //藍底紅字(BL = 14h) mov esi, &Msg1 //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。 //循環逐個將字符串輸出 _DispStr: mov al, cs:[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 jmp _stop }  

 

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，安裝只需一分鐘左右。

2.將以上run.c、boot.c代碼拷貝到某個實驗用的文件夾內。

3.在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