《Orange‘s 一個操作系統的實現》3.保護模式8-頁式存儲(啓動分頁機制)
下述代碼展示瞭如何啓動分頁機制,及頁目錄及頁表項的初始化:
; ==========================================
; pmtest6.asm
; 編譯方法：nasm pmtest6.asm -o pmtest6.com
; ==========================================%include "pm.inc" ; 常量, 宏, 以及一些說明
PageDirBase equ 200000h ; 頁目錄開始地址: 2M
PageTblBase equ 201000h ; 頁表開始地址: 2M+4Korg 0100h
jmp LABEL_BEGIN[SECTION .gdt]
; GDT
; 段基址, 段界限, 屬性
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW ; Normal 描述符
LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW;頁目錄描述符
LABEL_DESC_PAGE_TBL: Descriptor PageTblBase, 1023, DA_DRW|DA_LIMIT_4K;頁表描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C+DA_32 ; 非一致代碼段, 32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ; 非一致代碼段, 16
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW ; Data
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW ; 顯存首地址
; GDT 結束GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT長度
GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限
dd 0 ; GDT基地址; GDT 選擇子
SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorPageDir equ LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDT
SelectorPageTbl equ LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDT
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt][SECTION .data1] ; 數據段
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode dw 0
; 字符串
PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 進入保護模式後顯示此字符串
OffsetPMMessage equ PMMessage - $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]; 全局堆棧段
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK:
times 512 db 0TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1
; END of [SECTION .gs]
[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0100hmov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
mov [SPValueInRealMode], sp; 初始化 16 位代碼段描述符
mov ax, cs
movzx eax, ax
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE16
mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah; 初始化 32 位代碼段描述符
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE32
mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah; 初始化數據段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_DATA
mov word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah; 初始化堆棧段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK
mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah; 爲加載 GDTR 作準備
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址
mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; 加載 GDTR
lgdt [GdtPtr]; 關中斷
cli; 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 SelectorCode32:0 ; 執行這一句會把 SelectorCode32 裝入 cs, 並跳轉到 Code32Selector:0 處;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
LABEL_REAL_ENTRY: ; 從保護模式跳回到實模式就到了這裏
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, axmov sp, [SPValueInRealMode]
in al, 92h ; ┓
and al, 11111101b ; ┣ 關閉 A20 地址線
out 92h, al ; ┛sti ; 開中斷
mov ax, 4c00h ; ┓
int 21h ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入.
[BITS 32]LABEL_SEG_CODE32:
call SetupPaging ;開啓分頁機制mov ax, SelectorData
mov ds, ax ; 數據段選擇子
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 視頻段選擇子mov ax, SelectorStack
mov ss, ax ; 堆棧段選擇子mov esp, TopOfStack
; 下面顯示一個字符串
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 紅字
xor esi, esi
xor edi, edi
mov esi, OffsetPMMessage ; 源數據偏移
mov edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的數據偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
cld
.1:
lodsb
test al, al
jz .2
mov [gs:edi], ax
add edi, 2
jmp .1
.2: ; 顯示完畢; 到此停止
jmp SelectorCode16:0; 啓動分頁機制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:
; 爲簡化處理, 所有線性地址對應相等的物理地址.; 首先初始化頁目錄
mov ax, SelectorPageDir ; 此段首地址爲 PageDirBase
mov es, ax
mov ecx, 1024 ; 共 1K 個表項
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PageTblBase | PG_P | PG_USU | PG_RWW ;初始化第一個目錄項的頁表基址爲PageTblBase
.1:
stosd ;加載eax中的頁目錄地址加載至es:edi中->SelectorPageDir:edi中
add eax, 4096 ; 爲了簡化, 所有頁表在內存中是連續的.-增加4K下個頁目錄項的起始地址
loop .1; 再初始化所有頁表 (1K 個, 4M 內存空間)
mov ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址爲 PageTblBase緊接在1024*4k=4m+2M(起始地址)
mov es, ax
mov ecx, 1024 * 1024 ; 共 1M 個頁表項, 也即有 1M 個頁(1024個頁目錄每個對應1024個頁表)
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW
.2:
stosd
add eax, 4096 ; 每一頁指向 4K 的空間
loop .2mov eax, PageDirBase
mov cr3, eax;將頁目錄首地址加載入cr3
mov eax, cr0
or eax, 80000000h;PG=1
mov cr0, eax;開啓分頁機制
jmp short .3
.3:
nopret
; 分頁機制啓動完畢 ----------------------------------------------------------SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]; 16 位代碼段. 由 32 位代碼段跳入, 跳出後到實模式
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
; 跳回實模式:
mov ax, SelectorNormal
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, axmov eax, cr0
and eax, 7FFFFFFEh ; PE=0, PG=0關閉分頁,進入實模式
mov cr0, eaxLABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 段地址會在程序開始處被設置成正確的值Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16
; END of [SECTION .s16code]
關於初始化頁目錄和頁表的代碼請參照頁目錄和頁表的關係
上述代碼的分佈爲
頁目錄首地址200000h,頁目錄1024個PDE,佔用1024*4kb=4M
頁表首地址200000h + 10000h(4M)=201000h,頁表1024個PTE,1024*4KB=4M
每個頁表對應一個4M的頁共有1024*1024個頁,又因爲每個頁佔有4KB，所以線性地址空間爲1024*1024*4KB=4GB