进入保护模式
Posted chengmf
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了进入保护模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
全局描述符
??和一个段有关的信息需要 8 个字节来描述，所以称为段描述符（Segment Descriptor），每个段都需要一个描述符。为了存放这些描述符，需要在内存中开辟出一段空间。在这段空间里，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，这就构成一个描述符表，最主要的描述符表是全局描述符表（Global Descriptor Table，GDT）。
??为了跟踪全局描述符表，处理器内部有一个 48 位的寄存器，称为全局描述符表寄存器（GDTR）。该寄存器分为两部分，分别是 32 位的线性地址和 16 位的边界。32 位的处理器具有 32 根地址线，可以访问的地址范围是 0x00000000 到0xFFFFFFFF，共 232字节的内存，即 4GB 内存。所以，GDTR的 32 位线性基地址部分保存的是全局描述符表在内存中的起始线性地址，16 位边界部分保存的是全局描述符表的边界（界限），其在数值上等于表的大小（总字节数）减一。
??因为 GDT 的界限是 16 位的，所以，该表最大是 216 字节，也就是 65536 字节（64KB）。又因为一个描述符占 8 字节，故最多可以定义 8192 个描述符。
??由于在实模式下只能访问 1MB 的内存，故 GDT 通常都定义在 1MB 以下的内存范围中。当然，允许在进入保护模式之后换个位置重新定义 GDT。
存储器的段描述符
??先是确定 GDT 的起始线性地址，并初始化了一个双字0x00007e00，我们决定从这个地方开始创建全局描述符表（GDT）。在实模式下，主引导程序的加载位置是 0x0000:0x7c00，也就是物理地址 0x07c00。因为现在的地址是 32 位的，所以它现在对应着物理地址 0x00007c00。主引导扇区程序共 512（0x200）字节，所以，我们决定把 GDT 设在主引导程序之后，也就是物理地址 0x00007e00 处。因为 GDT 最大可以为 64KB，所以，理论上，它的尺寸可以扩展到物理地址 0x00017dff 处。
??相应地，因为堆栈指针寄存器 SP 被初始化为0x7c00，和 CS 一样，堆栈段寄存器 SS 被初始化为0x0000，而且堆栈是向下扩展的，所以，从 0x00007c00往下的区域是实际上可用的堆栈区域。只不过，该区域包含了很多 Bios 数据，包括实模式下的中断向量表。
??每个表述符在GDT中占8个字节，也就是2个双子，或者说是64位。
在 32 位保护模式下，段地址是 32 位的线性地址，如果未开启分页功能，该线性地址就是物理地址。
- G 位是粒度（Granularity） 位，用于解释段界限的含义。当 G 位是“0”时，段界限以字节为单位。此时，段的扩展范围是从 1 字节到 1 兆字节（1B～1MB），因为描述符中的界限值是 20 位的。相反，如果该位是“1”，那么，段界限是以 4KB 为单位的。这样，段的扩展范围是从 4KB到 4GB。
- S 位用于指定描述符的类型（Descriptor Type）。当该位是“0”时，表示是一个系统段；为“1”时，表示是一个代码段或者数据段（堆栈段也是特殊的数据段）。
- DPL 表示描述符的特权级（Descriptor Privilege Level，DPL）。这两位用于指定段的特权级。共有 4 种处理器支持的特权级别，分别是 0、1、2、3，其中 0 是最高特权级别，3 是最低特权级别。刚进入保护模式时执行的代码具有最高特权级 0（可以看成是从处理器那里继承来的），这些代码通常都是操作系统代码，因此它的特权级别最高。
- P 是段存在位（Segment Present）。P 位用于指示描述符所对应的段是否存在。一般来说，描述符所指示的段都位于内存中。但是，当内存空间紧张时，有可能只是建立了描述符，对应的内存空间并不存在，这时，就应当把描述符的 P 位清零，表示段并不存在。
- 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。通常，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。在多用户、多任务的系统中，这是一种常用的虚拟内存调度策略。
- D/B 位是默认的操作数大小（Default Operation Size） 或者默认的堆栈指针大小（Default Stack Pointer Size），又或者上部边界（Upper Bound） 标志。
- 在代码段，D＝0 表示指令中的偏移地址或者操作数是 16 位的；D＝1，指示 32 位的偏移地址或者操作数。
- 在堆栈段，该位被叫做“B”位，用于在进行隐式的堆栈操作时，是使用 SP 寄存器还是ESP 寄存器。如果该位是“0”，在访问那个段时，使用 SP 寄存器，否则就是使用 ESP 寄存器。同时，B 位的值也决定了堆栈的上部边界。如果 B＝0，那么堆栈段的上部边界（也就是 SP 寄存器的最大值）为 0xFFFF；如果 B＝1，那么堆栈段的上部边界（也就是 ESP 寄存器的最大值）为 0xFFFFFFFF。
- L 位是 64 位代码段标志（64-bit Code Segment），保留此位给 64 位处理器使用。
- TYPE 字段共 4 位，用于指示描述符的子类型，或者说是类别。
- X 表示是否可以执行（eXecutable）。数据段总是不可执行的，X＝0；代码段总是可以执行的。
- E 位指示段的扩展方向。E＝0 是向上扩展的，也就是向高地址方向扩展的，是普通的数据段；E＝1 是向下扩展的，也就是向低地址方向扩展的，通常是堆栈段。
- W 位指示段的读写属性，或者说段是否可写，W＝0 的段是不允许写入的，否则会引发处理器异常中断；W＝1的段是可以正常写入的。
- C 位指示段是否为特权级依从的（Conforming）。C＝0 表示非依从的代码段，这样的代码段可以从与它特权级相同的代码段调用，或者通过门调用；C＝1 表示允许从低特权级的程序转移到该段执行。
- R 位指示代码段是否允许读出。R＝0 表示不能读出，如果企图去读一个 R＝0 的代码段，会引发处理器异常中断；如果 R＝1，则代码段是可以读出的，即可以把这个段的内容当成 ROM 一样使用。
- 数据段和代码段的 A 位是已访问（Accessed） 位，用于指示它所指向的段最近是否被访问过。在描述符创建的时候，应该清零。之后，每当该段被访问时，处理器自动将该位置“1”。对该位的清零是由软件（操作系统）负责的，通过定期监视该位的状态，就可以统计出该段的使用频率。当内存空间紧张时，可以把不经常使用的段退避到硬盘上，从而实现虚拟内存管理。
- AVL 是软件可以使用的位（Available），通常由操作系统来用，处理器并不使用它。
安装存储器的段描述符并加载GDTR
??处理器规定，GDT 中的第一个描述符必须是空描述符，或者叫哑描述符或 NULL 描述符。在初始状态下（计算机启动之后），GDTR 的基地址被初始化为0x00000000；界限值为 0xFFFF。
;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
mov dword [bx+0x00],0x00
mov dword [bx+0x04],0x00
;创建#1描述符，保护模式下的代码段描述符
;线性基地址为 0x00007C00。
段界限为 0x001FF，粒度为字节（G＝0）。该段的长度为 512 字节。
属于存储器的段（S＝1）。
这是一个 32 位的段（D＝1）。
该段目前位于内存中（P＝1）。
段的特权级为 0（DPL＝00）。
这是一个只能执行的代码段（TYPE=1000）。
mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff
mov dword [bx+0x0c],0x00409800
;创建#2描述符，保护模式下的数据段描述符（文本模式下的显示缓冲区）
线性基地址为 0x000B8000。
段界限为 0x0FFFF，粒度为字节（G＝0）。即，该段的长度为 64KB。
属于存储器的段（S＝1）。
这是一个 32 位的段（D＝1）。
该段目前位于内存中（P＝1）。
段的特权级为 0（DPL＝00）。
这是一个可读可写、向上扩展的数据段（TYPE=0010）。
mov dword [bx+0x10],0x8000ffff
mov dword [bx+0x14],0x0040920b
;创建#3描述符，保护模式下的堆栈段描述符
线性基地址为 0x00000000。
段界限为 0x07A00，粒度为字节（G＝0）。
属于存储器的段（S＝1）。
这是一个 32 位的段（D＝1）。
该段目前位于内存中（P＝1）。
段的特权级为 0（DPL＝00）。
这是一个可读可写、向下扩展的数据段，即堆栈段（TYPE=0010）。
mov dword [bx+0x18],0x00007a00
mov dword [bx+0x1c],0x00409600
;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: gdt_size+0x7c00],31 ;描述符表的界限（总字节数减一）
lgdt [cs: gdt_size+0x7c00] ;指向一个包含了 48 位（6 字节）数据的内存区域。
;在 16 位模式下，该地址是 16 位的；在 32 位模式下，该地址是 32 位的。该指令在实模式和保护模
式下都可以执行。
关于第21条地址线A20的问题
??8086只有20根地址线，只能访问1MB的内存，到了80386有32根地址线，这里就会出现一个问题，在8086时代，很多程序都会利用20位地址回绕特性（当物理地址超过0xFFFFF就会回绕到0x00000），而到了80286以后，由于地址线加多了，这个进位不会被丢弃，所以就会引发很多问题。
??Intel想了一个方法，他们在80286和80386在A20处使用一个与门控制，并且把这个与门的控制阀门放在键盘上，端口号是0x60，向这个端口写入数据的时候，如果这个第一位是1，那么键盘控制器通向与门的输出就是1，与门的输出决定于A20是0还是1（在实模式下，只要强制与门的输出为0，那么实模式的回绕特性将会被保留）。
??这种方法非常麻烦，后来到了80486，这个问题被得到简化。在80486以后，处理器本身就有了A20M#引脚（A20 Mask，A20屏蔽），这个引脚低电平有效。在ICH上，有一个用于兼容老式设备的端口0x92，第7-2位保留，第0位叫做INIT_NOW，用于初始化处理器，当它从0到1过渡的，ICH会使INIT#引脚电平变为低电平有效，并保持至少16个PCI时钟周期，也就是说，如果向0x92写入1，那么就会让处理器复位，导致计算机强制重启。
??当INIT_NOW从0到1，ALT_A20_GATE将会被置为1，这就是说，计算机启动的时候，第21个根引线是自动启用的（但是A20#M是仅用于单处理器系统，多核系统一般是不用的）。现在基本都是USB设备了。
保护模式下的内存访问
??要开启保护模式，除了加载GDT，打开A20还不够，我们必须还要对CR0开关进行操作，CR0也是一个处理器内部的控制寄存器（Control Register，RD）。这样的控制器还有CR1，CR2，CR3等。CR0是一个32位的寄存器，他的第一位（0位）是保护模式允许位（Protection Enable，PE），如果把这个位置为1，那么处理器将会进入保护模式，按保护模式的规则开始运行。在保护模式下，实模式下的中断向量表不再适用，且我们不能再使用BIOS中断，这就是为什么我们之前要把中断关掉的原因。
??在32位处理器下的实模式下，首先如果处理器要引用一个段（也就是执行将段地址传到段寄存器的指令），处理器会自动将段地址左移4位，然后传到描述符高速缓存器，这以后，就一直使用描述符高速缓存器的内容作为段地址。只要不改变段寄存器DS的内容，以后每次访问内存都直接使用DS描述符高速缓存器中的内容，在实模式下段寄存器只能传送16位的逻辑地址。（这个时候处理器不会把他看成是段的选择子），处理器也只能访问1MB的内存。
??在32位处理器下的保护模式下，传入段寄存器的内容不再是逻辑地址，而是段的选择子，所谓段的选择子，其实就是段描述符在描述符表（GDT，LDT） 的索引号。
??第一部分（0 ~ 1）是RPL特权级，表示给出当前选择该选择子的那个程序的特权级，第二部分是TI（2）（Table Indicator），当TI=0，表示描述表在GDT中；当TI=1，表示描述符在LDT中。第三部分（3~15）是描述符索引号，这个部分是只有13位的，正好和213=8192个描述符对应。
??GDT的线性基地址在GDTR中，每个描述符占用8个字节，党处理器在执行改变段选择器的指令的时候，就将指令中的索引号乘以8得到偏移地址，和GDTR中的线性地址相加，以此访问GDT，处理器会根据GDT的界限以及特权级检查，如果没有问题，那么处理器就会将在对应描述符的内容的一部分（线性基地址，段界限和段的访问属性）加载到高速缓存中。此后，每当有访问内存的指令，就不会再访问GDT的描述符，而是直接用当前段寄存器的高速缓存的内容提供线性基地址。，访问代码段遗失一样如此访问的（EIP+高速缓存中的线性基地址）。
清空流水线并且串行化处理器
??在进入保护模式之前的最后一个步骤，就是要清空流水线，因为在实模式下，高速缓存器也被用来直接访问内存，但是这些内容在保护模式下是无效的；并且，在进入保护模式之前，已经有很多指令进入流水线了，在实模式下他们都是按照16位操作数或者16位地址长度编译的，即使用bits32编译的指令，进入保护模式之后，因为CS的描述符高速缓存中还有实模式残留的内容，可能会导致指令执行结果不正确，并且乱序执行得到的中间结果也是无效的，所以我们必须在进入保护模式之前把CS，SS，DS，ES，FS和GS的内容，包括段选择器和描述符高速缓存器的内容清除。
??建议的做法就是在设置了CR0的PE位后，立马使用直接远转移指令jmp，当处理器遇到jmp时，一般会清空流水线，并且串行化执行。不仅如此，CS还会被重新加载，描述符高速缓存器的内容会被刷新。
??当然也可以使用dword来描述偏移地址，这样的话flush对应标号有所不同（因为偏移地址和段的选择子的长度变了，变成32位，不加dword这两个长度都是16位），但是不影响执行。
??需要注意的是，在保护模式下，不允许直接用mov指令改变段寄存器CS的内容，企图这样操作会引发无效操作码的异常中断。
??在跳转指令之前，处理器虽然进入了保护模式，但是，这个时候描述符高速缓存器的内容没有被刷新，但是处理器任然是可以继续执行下去的，因为检查描述符是否有效，通常是在加载段寄存器（选择器），并刷新描述符高速缓存器的时候进行的，比如jmp 0x0008:flush这条指令，而对于数据段来说，是加载段选择子的时候，比如mov ds,cx，但是现在因为是刚进入保护模式，描述符的很多位，是在实模式下都是无效的。
进入保护模式例程
;文件说明：硬盘主引导扇区代码
;设置堆栈段和栈指针
mov ax,cs
mov ss,ax
mov sp,0x7c00
;计算GDT所在的逻辑段地址
mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00] ;低16位
mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02] ;高16位
mov bx,16
div bx
mov ds,ax ;令DS指向该段以进行操作
mov bx,dx ;段内起始偏移地址
;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
mov dword [bx+0x00],0x00
mov dword [bx+0x04],0x00
;创建#1描述符，保护模式下的代码段描述符
mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff
mov dword [bx+0x0c],0x00409800
;创建#2描述符，保护模式下的数据段描述符（文本模式下的显示缓冲区）
mov dword [bx+0x10],0x8000ffff
mov dword [bx+0x14],0x0040920b
;创建#3描述符，保护模式下的堆栈段描述符
mov dword [bx+0x18],0x00007a00
mov dword [bx+0x1c],0x00409600
;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: gdt_size+0x7c00],31 ;描述符表的界限（总字节数减一）
lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]
in al,0x92 ;南桥芯片内的端口
or al,0000_0010B
out 0x92,al ;打开A20
cli ;保护模式下中断机制尚未建立，应
;禁止中断
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax ;设置PE位
;以下进入保护模式... ...
jmp dword 0x0008:flush ;16位的描述符选择子：32位偏移
;清流水线并串行化处理器
[bits 32]
flush:
mov cx,00000000000_10_000B ;加载数据段选择子(0x10)
mov ds,cx
;以下在屏幕上显示"Protect mode OK."
mov byte [0x00],‘P‘
mov byte [0x02],‘r‘
mov byte [0x04],‘o‘
mov byte [0x06],‘t‘
mov byte [0x08],‘e‘
mov byte [0x0a],‘c‘
mov byte [0x0c],‘t‘
mov byte [0x0e],‘ ‘
mov byte [0x10],‘m‘
mov byte [0x12],‘o‘
mov byte [0x14],‘d‘
mov byte [0x16],‘e‘
mov byte [0x18],‘ ‘
mov byte [0x1a],‘O‘
mov byte [0x1c],‘K‘
;以下用简单的示例来帮助阐述32位保护模式下的堆栈操作
mov cx,00000000000_11_000B ;加载堆栈段选择子
mov ss,cx
mov esp,0x7c00
mov ebp,esp ;保存堆栈指针
push byte ‘.‘ ;压入立即数（字节）
sub ebp,4
cmp ebp,esp ;判断压入立即数时，ESP是否减4
jnz ghalt
pop eax
mov [0x1e],al ;显示句点
ghalt:
hlt ;已经禁止中断，将不会被唤醒
;-------------------------------------------------------------------------------
gdt_size dw 0
gdt_base dd 0x00007e00 ;GDT的物理地址
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa
以上是关于进入保护模式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章