http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7098981

原創 yu_chenglong 2018-09-01 11:47

[置頂]全面剖析《自己動手寫操作系統》第三章---保護模式       

        分類：            操作系統2011-12-24 00:30649人閱讀評論(16)收藏舉報

《自己動手寫操作系統》讀後感                http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7059936

全面剖析《自己動手寫操作系統》第一章   http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7060032

全面剖析《自己動手寫操作系統》第二章 http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7062065

[html] view plaincopyprint?
  1. 1 ; ========================================== 
  2. 2 ; pmtest1.asm 
  3. 3 ; 編譯方法：nasm pmtest1.asm -o pmtest1.com 
  4. 4 ; ========================================== 
  5. 5 
  6. 6 %include "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些說明 
  7. 7 
  8. 8 org  0100h 
  9. 9  jmp LABEL_BEGIN 
  10. 10 
  11. 11 [SECTION .gdt] 
  12. 12 ; GDT 
  13. 13 ;                                         段基址,      段界限     , 屬性 
  14. 14 LABEL_GDT:       Descriptor         0,                0, 0           ; 空描述符 
  15. 15 LABEL_DESC_CODE32:   Descriptor         0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32    ; 非一致代碼段, 32 
  16. 16 LABEL_DESC_VIDEO:    Descriptor   0B8000h,           0ffffh, DA_DRW      ; 顯存首地址 
  17. 17 ; GDT 結束 
  18. 18 
  19. 19 GdtLen       equ $ - LABEL_GDT   ; GDT長度 
  20. 20 GdtPtr       dw  GdtLen - 1  ; GDT界限 
  21. 21      dd  0       ; GDT基地址 
  22. 22 
  23. 23 ; GDT 選擇子 
  24. 24 SelectorCode32       equ LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT 
  25. 25 SelectorVideo        equ LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT 
  26. 26 ; END of [SECTION .gdt] 
  27. 27 
  28. 28 [SECTION .s16] 
  29. 29 [BITS    16] 
  30. 30 LABEL_BEGIN: 
  31. 31  mov ax, cs 
  32. 32  mov ds, ax 
  33. 33  mov es, ax 
  34. 34  mov ss, ax 
  35. 35  mov sp, 0100h 
  36. 36  
  37. 37  ; 初始化 32 位代碼段描述符 
  38. 38  xor eax, eax 
  39. 39  mov ax, cs 
  40. 40  shl eax, 4 
  41. 41  add eax, LABEL_SEG_CODE32 
  42. 42  mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax 
  43. 43  shr eax, 16 
  44. 44  mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al 
  45. 45  mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah 
  46. 46 
  47. 47  ; 爲加載 GDTR 作準備 
  48. 48  xor eax, eax 
  49. 49  mov ax, ds 
  50. 50  shl eax, 4 
  51. 51  add eax, LABEL_GDT      ; eax <- gdt 基地址 
  52. 52  mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址 
  53. 53 
  54. 54  ; 加載 GDTR 
  55. 55  lgdt    [GdtPtr] 
  56. 56 
  57. 57  ; 關中斷 
  58. 58  cli 
  59. 59 
  60. 60  ; 打開地址線A20 
  61. 61  in  al, 92h 
  62. 62  or  al, 00000010b 
  63. 63  out 92h, al 
  64. 64 
  65. 65  ; 準備切換到保護模式 
  66. 66  mov eax, cr0 
  67. 67  or  eax, 1 
  68. 68  mov cr0, eax 
  69. 69 
  70. 70  ; 真正進入保護模式 
  71. 71  jmp dword SelectorCode32:0  ; 執行這一句會把 SelectorCode32 裝入 cs, 並跳轉到 Code32Selector:0  處 
  72. 72 ; END of [SECTION .s16] 
  73. 73 
  74. 74 
  75. 75 [SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入. 
  76. 76 [BITS    32] 
  77. 77 
  78. 78 LABEL_SEG_CODE32: 
  79. 79  mov ax, SelectorVideo 
  80. 80  mov gs, ax          ; 視頻段選擇子(目的) 
  81. 81 
  82. 82  mov edi, (80 * 10 + 0) * 2  ; 屏幕第 10 行, 第 0 列。 
  83. 83  mov ah, 0Ch         ; 0000: 黑底    1100: 紅字 
  84. 84  mov al, 'P' 
  85. 85  mov [gs:edi], ax 
  86. 86 
  87. 87  ; 到此停止 
  88. 88  jmp $ 
  89. 89 
  90. 90 SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32 
  91. 91 ; END of [SECTION .s32]  
 1 ; ==========================================
 2 ; pmtest1.asm
 3 ; 編譯方法：nasm pmtest1.asm -o pmtest1.com
 4 ; ==========================================
 5
 6 %include	"pm.inc"	; 常量, 宏, 以及一些說明
 7
 8 org	0100h
 9	jmp	LABEL_BEGIN
10
11 [SECTION .gdt]
12 ; GDT
13 ;                                         段基址,      段界限     , 屬性
14 LABEL_GDT:		Descriptor	       0,                0, 0     		; 空描述符
15 LABEL_DESC_CODE32:	Descriptor	       0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32	; 非一致代碼段, 32
16 LABEL_DESC_VIDEO:	Descriptor	 0B8000h,           0ffffh, DA_DRW		; 顯存首地址
17 ; GDT 結束
18
19 GdtLen		equ	$ - LABEL_GDT	; GDT長度
20 GdtPtr		dw	GdtLen - 1	; GDT界限
21		dd	0		; GDT基地址
22
23 ; GDT 選擇子
24 SelectorCode32		equ	LABEL_DESC_CODE32	- LABEL_GDT
25 SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT
26 ; END of [SECTION .gdt]
27
28 [SECTION .s16]
29 [BITS	16]
30 LABEL_BEGIN:
31 	mov	ax, cs
32 	mov	ds, ax
33 	mov	es, ax
34 	mov	ss, ax
35 	mov	sp, 0100h
36 
37 	; 初始化 32 位代碼段描述符
38 	xor	eax, eax
39 	mov	ax, cs
40 	shl	eax, 4
41	add	eax, LABEL_SEG_CODE32
42	mov	word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
43	shr	eax, 16
44	mov	byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
45	mov	byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah
46
47 	; 爲加載 GDTR 作準備
48 	xor	eax, eax
49	mov	ax, ds
50	shl	eax, 4
51	add	eax, LABEL_GDT		; eax <- gdt 基地址
52	mov	dword [GdtPtr + 2], eax	; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址
53
54	; 加載 GDTR
55	lgdt	[GdtPtr]
56
57	; 關中斷
58	cli
59
60	; 打開地址線A20
61	in	al, 92h
62	or	al, 00000010b
63	out	92h, al
64
65	; 準備切換到保護模式
66	mov	eax, cr0
67	or	eax, 1
68	mov	cr0, eax
69
70	; 真正進入保護模式
71	jmp	dword SelectorCode32:0	; 執行這一句會把 SelectorCode32 裝入 cs, 並跳轉到 Code32Selector:0  處
72 ; END of [SECTION .s16]
73
74
75 [SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入.
76 [BITS	32]
77
78 LABEL_SEG_CODE32:
79	mov	ax, SelectorVideo
80	mov	gs, ax			; 視頻段選擇子(目的)
81
82	mov	edi, (80 * 10 + 0) * 2	; 屏幕第 10 行, 第 0 列。
83	mov	ah, 0Ch			; 0000: 黑底    1100: 紅字
84	mov	al, 'P'
85	mov	[gs:edi], ax
86
87	; 到此停止
88	jmp	$
89
90 SegCode32Len	equ	$ - LABEL_SEG_CODE32
91 ; END of [SECTION .s32]


在下面我要講述3.1中所遇到的問題和迷惑。主要以pmtest1.asm爲例，從以下幾方面進行分析和講解。
1）[SECTION .XXX]爲何物？
2）全局描述符表(GDT)、描述符(Descriptor)、全局描述符表寄存器(GDTR)、選擇子(SelectorXXX) 是什麼？用來做什麼？
3）實模式下的尋址方式與保護模式下的尋址方式的區別？
4）描述符宏定義和初始化段描述符
5）爲加載gdtr做準備工作
6）其他
1、[SECTION .XXX]爲何物？
	SECTION和SEGMENT的作用相類似，就是代表“段”的意思，從整個程序來看，該程序分爲3個模塊，分別是[SECTION .gdt]、[SECITON .s16]、[SECTION .s32]三部分。我們很容易就可以看出，其中的[SECTION .gdt]應該是數據段，其他的兩個是代碼段。通過[SECTION .XXX]將程序分成不同模塊，完成不同的功能，使得程序看起來清晰明瞭。
2、描述符(Descriptor)、全局描述符表(GDT)、全局描述符表寄存器(GDTR)、選擇子(SelectorXXX) 是什麼？用來做什麼？
 
 
	段，在80X86中，分段機制將內存空間分成一個或者多個線性區域，我們把這些線性區域稱爲段。我們需要將這些段區分開來，於是分段機制爲每個段賦予3個屬性，分別是：1、段基址(Base address)：指定段在線性地址空間中的開始地址。2、段界限(Limit)：表示了段內最大可用偏移量，也就是說它定義了段的長度。3、段屬性(Attribute)：指定了段的特性，包括：可讀，可寫或者可執行，特權等級等特性。
	段描述符(Descriptor)，在程序中，我們需要定義一個數據結構來表示段，它同樣包含三個元素，段基址(Base)，段界限(Limit)，段屬性(Attribute)，我們稱它爲段描述符(Descriptor)。段描述符和段就是同一個概念，每個段描述符要佔用8個字節的空間。
	段描述符表(Descriptor Table)，在一個程序中，不只存在一個段（段描述符）。所以我們需要將這些段描述符組織起來，於是定義了一個存儲段描述符的數組，稱爲段描述符表。
	段選擇子(SelectorXXX)，把所有段描述符都存儲在段描述符表中，當我們使用其中某一個段的時候，我們並不直接指向該段，而是通過該段描述符在段描述符表中的位置來訪問的。故段選擇子，就是一個16位的標識符，用來標識該段描述符在描述符表中的位置。
 
 
	段描述符表可以分爲兩類，一類是全局描述符表GDT(Global Descriptor Table)，一類是局部描述符表LDT(Local Descriptor Table)。系統中供所有的任務共享的是全局描述符表，而不同的任務卻是使用自己的局部描述符表。
	緊接着，如何讓系統知道段描述符表在什麼地方呢？處理器提供了內存管理寄存器，分別是全局描述符表寄存器(GDTR)、局部描述符表寄存器(LDTR)。GDTR寄存器中用於存放全局描述符表GDT的32位線性基地址和16位的表的長度值。LDTR寄存器中用於存放局部描述符表LDT的32位線性基地址和16位的表的長度值。通過系統指令，lgdt將GDT的線性基址和長度值加載到GDTR寄存器中，lldt將LDT的線性基址和長度值加載到LDTR寄存器中。
下面我們來分析程序中的代碼：
[html] view plaincopyprint?
  1. 11 [SECTION .gdt] 
  2. 12 ; GDT 
  3. 13 ; 段基址, 段界限 , 屬性 
  4. 14 LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符 
  5. 15 LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32 ; 非一致代碼段, 32 
  6. 16 LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW ; 顯存首地址 
  7. 17 ; GDT 結束 
  8. 18 
  9. 19 GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT長度 
  10. 20 GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限 
  11. 21 dd 0 ; GDT基地址 
  12. 22 
  13. 23 ; GDT 選擇子 
  14. 24 SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT 
  15. 25 SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT 
  16. 26 ; END of [SECTION .gdt] 
11 [SECTION .gdt]
12 ; GDT
13 ;                                         段基址,      段界限     , 屬性
14 LABEL_GDT:		Descriptor	       0,                0, 0     		; 空描述符
15 LABEL_DESC_CODE32:	Descriptor	       0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32	; 非一致代碼段, 32
16 LABEL_DESC_VIDEO:	Descriptor	 0B8000h,           0ffffh, DA_DRW		; 顯存首地址
17 ; GDT 結束
18
19 GdtLen		equ	$ - LABEL_GDT	; GDT長度
20 GdtPtr		dw	GdtLen - 1	; GDT界限
21		dd	0		; GDT基地址
22
23 ; GDT 選擇子
24 SelectorCode32		equ	LABEL_DESC_CODE32	- LABEL_GDT
25 SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT
26 ; END of [SECTION .gdt]

	在程序中，14、15、16行定義了3個段描述符，LABEL_GDT（空描述符），LABEL_DESC_CODE32（32位代碼段描述符），LABEL_SESC_VIDEO（顯示內存描述符）。每個描述符都包含了3個屬性，段基址、段界限、段屬性。
	將三個描述符組織到一起構成一個全局段描述符表(GDT)。12-17行完成了GDT的定義。
	GdtLen爲GDT的長度。
	GdtPtr爲一個數據結構，裏面包含兩個元素，第一個元素是2 bytes的GDT界限。第二個元素是4 bytes的GDT的基地址。該數據結構與全局描述符表寄存器（GDTR）的數據結構相同，所以在加載GDTR的時候(源代碼55行)，就是將該GdtPtr加載到GDTR中。
	由於第一個段LABEL_GDT是空描述符，它僅僅代表該GDT的初始地址，所以該描述符爲空描述符，一般情況下，不爲它創建選擇子。然後該程序建立了兩個選擇子(24、25行)SelectorCode32和SelectorVideo，分別對應着這兩個段LABEL_SESC_CODE32和LABEL_DESC_VIDEO。
	這段代碼的結構大家應該明白了吧，下面我要分別介紹段描述符，全局描述符表寄存器，選擇子的數據結構。
段描述符(Descriptor)的結構圖如下：
 
 
 
	段描述符佔有8個字節，在這裏我只想提醒大家一下，段基址分別佔有BYTE2、BYTE3、BYTE4和BYTE7。在下面初始化段描述符的時候需要用到這些。
段選擇子的結構圖如下圖所示：
 
 
	在這裏簡單的介紹一下，它使用(15…3)來表示索引，故每一個描述符表最多隻用213個描述符，除去第一個空描述符，則可以使用的描述符爲8191個描述符。
	TI標誌着該選擇子所指向的段描述符是全局描述符，還是局部描述符。當TI=0時，表示全局描述符，當TI=1時，表示局部描述符。
	RPL請求優先級，稍後下一節將會提到。
全局描述符表寄存器(GDT)的結構圖如下所示：
 
 
 
	在這裏，你可以和上面程序中的GdtPtr數據結構做比較，是不是格式相同。2個字節表示GDT界限，4個字節表示GDT基地址。
 
3、實模式下的尋址方式與保護模式下的尋址方式有什麼不同？
	在實模式下，也就是在8086系統下的尋址方式。 Intel 8086是16位的CPU，它有着16位的寄存器(Register)，16位的數據總線(Data Bus)以及20位的地址總線(Address Bus)和1MB的尋址能力。一個地址是由段和偏移兩部分組成的，物理地址遵循這樣的計算公式：
	物理地址(Physical Address) = 段值(Segment) * 16 + 偏移(Offset)
	其中段值和偏移都是16位的。故尋址範圍爲1MB。
	在保護模式下，有了分段機制，所以它的尋址方式發生了很大的變化。具體如下圖所示：
 
 
 
 
	在保護模式下，首先使用段選擇子 在 段描述符表 中查找到相對應的 段描述符，找到32位段基址，然後在與32位的偏移量相加，得到線性地址。段基址和段偏移量都是32位的，所以尋址範圍大小爲4GB。在程序中jmp dword SlectorCode32:0的作用，就是進入保護模式下的尋址方式。其中，在使用某個段時，它的段選擇子是存儲在段寄存器中的。
	這裏面存在着一個問題，是否我們每次尋址都要先去全局描述符表寄存器（GDTR）中，查找到全局描述符表(GDT)的基址，然後再次根據選擇子的索引跳轉到該描述符所在的位置，然後取得段描述符中的基址，如果這樣的話，我們裏裏外外採訪了幾次內存，太浪費時間了。實際上段寄存器結構是這樣的：
 
 
	這樣的好處就是，我們可以直接獲取段描述符。
 
4、描述符宏定義和初始化段描述符
[html] view plaincopyprint?
  1.  1 ; 描述符 
  2.  2 ; usage: Descriptor Base, Limit, Attr 
  3.  3 ; Base: dd 
  4.  4 ; Limit: dd (low 20 bits available) 
  5.  5 ; Attr: dw (lower 4 bits of higher byte are always 0) 
  6.  6 %macro Descriptor 3 
  7.  7 dw %2 & 0FFFFh ; 段界限 1 (2 字節) 
  8.  8 dw %1 & 0FFFFh ; 段基址 1 (2 字節) 
  9.  9 db (%1 >> 16) & 0FFh ; 段基址 2 (1 字節) 
  10. 10 dw ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh) ; 屬性 1 + 段界限 2 + 屬性 2 (2 字節) 
  11. 11 db (%1 >> 24) & 0FFh ; 段基址 3 (1 字節) 
  12. 12 %endmacro ; 共 8 字節 
 1 ; 描述符
 2 ; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
 3 ;        Base:  dd
 4 ;        Limit: dd (low 20 bits available)
 5 ;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
 6 %macro Descriptor 3
 7	dw	%2 & 0FFFFh				; 段界限 1				(2 字節)
 8	dw	%1 & 0FFFFh				; 段基址 1				(2 字節)
 9	db	(%1 >> 16) & 0FFh			; 段基址 2				(1 字節)
10	dw	((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)	; 屬性 1 + 段界限 2 + 屬性 2		(2 字節)
11	db	(%1 >> 24) & 0FFh			; 段基址 3				(1 字節)
12 %endmacro ; 共 8 字節

 2、3、4、5行註釋告訴我們，該宏定義需要三個變量，分別是段基址(4 bytes)，段界限(4 bytes)，段屬性(dw)。
 
 回顧剛纔的段描述符結構，該宏定義，就是將變量Base,Limit,Attr分別安插到描述符中相應的位置。Base是1，Limit是2，Attr是3
 7 是將Limit低16位賦值給描述符的BYTE0和BYTE1
 8 是將Base低16位賦值給描述符的BYTE2和BYTE3
 9 是將Base右移16位後的低8位（也就是原Base的第16—23位）賦值給描述符的BYTE4 
 10是將Limit右移8位之後的第8—11位和Attr的0—7和12—15位，組合起來存儲到描述符的BYTE5和BYTE6
 11是將Base右移24位後的低8位（也就是原Base的24—32位）賦值給描述符的BYTE7
初始化段描述符代碼：
[html] view plaincopyprint?
  1. 37 ; 初始化 32 位代碼段描述符 
  2. 38 xor eax, eax 
  3. 39 mov ax, cs 
  4. 40 shl eax, 4 
  5. 41 add eax, LABEL_SEG_CODE32 
  6. 42 mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax 
  7. 43 shr eax, 16 
  8. 44 mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al 
  9. 45 mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah 
37 	; 初始化 32 位代碼段描述符
38 	xor	eax, eax
39 	mov	ax, cs
40 	shl	eax, 4
41	add	eax, LABEL_SEG_CODE32
42	mov	word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
43	shr	eax, 16
44	mov	byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
45	mov	byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah

 爲什麼要初始化？你會發現這裏只是修改了段描述符LABEL_DESC_CODE32的BYTE2，BYTE4，BYTE7。是不是突然恍然大悟？因爲在我們初始化該LABEL_DESC_CODE32描述符時，將其基地址初始化爲0，所以我們要修改描述符的基地址爲其實際的地址。這也是在前面介紹段描述符的時候，我提醒大家需要注意的地方，即描述符的基地址所佔有的字節是BYTE2，BYTE4，BYTE7。
5、爲加載gdtr做準備工作
[html] view plaincopyprint?
  1. 47 ; 爲加載 GDTR 作準備 
  2. 48 xor eax, eax 
  3. 49 mov ax, ds 
  4. 50 shl eax, 4 
  5. 51 add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址 
  6. 52 mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址 
  7. 53 
  8. 54 ; 加載 GDTR 
  9. 55 lgdt [GdtPtr] 
47 	; 爲加載 GDTR 作準備
48 	xor	eax, eax
49	mov	ax, ds
50	shl	eax, 4
51	add	eax, LABEL_GDT		; eax <- gdt 基地址
52	mov	dword [GdtPtr + 2], eax	; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址
53
54	; 加載 GDTR
55	lgdt	[GdtPtr]

 這個很好理解，我們就是對GdtPtr進行賦值，主要是初始化GDT的基地址。也就是將GDT的初始地址，賦值給GdtPtr的BYTE2，BYTE3，BYTE4，BYTE5。使GdtPtr的數據結構剛好符合GDTR，然後執行lgdt [GdtPtr]，加載全局描述符表寄存器。將GDT的基地址和界限賦值給GDTR。
6、其他
 至於接下來的 關中斷、打開地址線A20、切換到保護模式、進入保護模式，跳轉到32位代碼段等一系列的問題，可以從書中找到合適的解釋。
 
參考書籍：Linux內核完全剖析基於0.12內核












    





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