存储器的保护——《x86汇编语言:从实模式到保护模式》读书笔记20

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了存储器的保护——《x86汇编语言:从实模式到保护模式》读书笔记20相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

存储器的保护(三)

改动本章代码清单,使之能够检測1MB以上的内存空间(从地址0x0010_0000開始,不考虑快速缓存的影响)。要求:对内存的读写按双字的长度进行。并在检測的同一时候显示已检測的内存数量。建议对每一个双字单元用两个花码0x55AA55AA和0xAA55AA55进行检測。

上面的文字选自原书第12章的习题1.
这篇博文就讨论一下这道题。由于是初学,我不正确自己做太高的要求。仅仅要实现功能就可以。

代码清单

        ;文件说明:第12章习题-1
        ;创建日期:2016-3-7


        ;--------- equ some colors

        GREEN         equ 0x02
        RED           equ 0x04
        BLUE_LIGHT    equ 0x09
        YELLOW        equ 0x0e

        MEMORY_START  equ 0x100000
        MEMORY_END    equ 0x800000
        MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位

        LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示26次方
        BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

        ;设置堆栈段和栈指针 
        mov eax,cs      
        mov ss,eax
        mov sp,0x7c00

        mov ah,0x00; 清屏
        mov al,0x03
        int 0x10

        ;计算GDT所在的逻辑段地址
        mov eax,[cs:pgdt+0x7c00+0x02]      ;GDT的32位线性基地址 
        xor edx,edx
        mov ebx,16
        div ebx                            ;分解成16位逻辑地址 

        mov ds,eax                         ;令DS指向该段以进行操作
        mov ebx,edx                        ;段内起始偏移地址 

        ;跳过0#描写叙述符


        ;创建1#描写叙述符,这是一个数据段,相应0~4GB的线性地址空间
        mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0,段界限为0xfffff
        mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB,存储器段描写叙述符 

        ;创建保护模式下初始代码段描写叙述符,代码段可读
        mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00512字节 
        mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节。代码段描写叙述符 

        ;创建栈段描写叙述符
        mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
        mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600

        ;初始化描写叙述符表寄存器GDTR
        mov word [cs: pgdt+0x7c00],31      ;描写叙述符表的界限   

        lgdt [cs: pgdt+0x7c00]

        in al,0x92                         ;南桥芯片内的port 
        or al,0000_0010B
        out 0x92,al                        ;打开A20

        cli                                ;中断机制尚未工作

        mov eax,cr0
        or eax,1
        mov cr0,eax                        ;设置PE位

        ;下面进入保护模式... ...
        jmp dword 0x0010:flush             ;16位的描写叙述符选择子:32位偏移

        [bits 32]                          
flush:                                     

        mov eax,0x0008                     ;载入数据段(0..4GB)选择子; ds,es,fs,gs指向了(0..4G)
        mov ds,eax   
        mov es,eax
        mov fs,eax
        mov gs,eax

        mov eax,0x0018                   ;载入栈段选择子
        mov ss,eax
        xor esp,esp                        ;ESP <- 0    

        ; 绘制白色条
        push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
        push BAR_POSITION
        push 0x7720 ; white block
        call put_char

        push 21*80+25
        push BLUE_LIGHT
        push MEMORY_SIZE
        call show_hex_dword ;显示总共要检測的数量(以双字为单位)

        ; 显示 ‘/‘
        push 1
        push 21*80+23
        push 0x092f ; 蓝色的‘/‘
        call put_char

        xor ecx,ecx          ;计数器清零,记录检測了多少个双字
        mov ebx,MEMORY_START ;检測的起始地址 

;-----------------------------------------------------  
exam:   ;显示正在检測的地址
        push 21*80+6
        push YELLOW
        push ebx
        call show_hex_dword

        mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
        cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
        jnz err

        mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
        cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
        jnz err

        add ebx,4    ;地址添加4个字节
        inc ecx

        push 21*80+15
        push BLUE_LIGHT
        push ecx
        call show_hex_dword ;显示已经检測的数量(以双字为单位)

        push BAR_POSITION  ;绘制进度条
        push ecx
        push MEMORY_SIZE
        call draw_progress_bar

        cmp ebx,MEMORY_END  
        jnz exam

err:          
        hlt 

;--------------------------------------     
;功能:在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 属性和字符  
;返回:无

put_char:
        pushad
        mov ebp,esp
        mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
        mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
        mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字

put:
        mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
        inc ebx
        loop put

        popad
        ret 3*4

;-----------------------------------------      
;功能:依据比例在指定位置绘制进度条
;输入: 
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 分子
;      push 分母       
;返回:无   

draw_progress_bar:
        pushad
        mov ebp,esp
        mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
        mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
        mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母

        shr ebx,LENGTH_OF_BAR
        xor edx,edx
        div ebx
        cmp eax,1
        jb out

        push eax
        push esi
        push 0x2020; 绿色背景。空格
        call put_char

out:
        popad
        ret 3*4         

;-----------------------------------
;功能:在指定位置显示16进制的数字
;输入: 
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 属性
;      push 要显示的值       
;返回:无   

show_hex_dword:
        pushad

        mov ebp,esp
        mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y) 
        mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value

        mov ebx,16
        xor ecx,ecx

remainder:  
        xor edx,edx
        div ebx

        inc ecx
        push edx
        cmp eax,0
        jnz remainder

        mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
print:  
        pop ebx
        mov al,[cs:string_hex+ebx]      
        mov [es:0xb8000+esi*2],ax
        inc esi
        loop print

        popad
        ret 3*4         
;-------------------------------------------------------------------------------
        pgdt     dw 0
                 dd 0x00007e00      ;GDT的物理地址

        string_hex: db‘0123456789ABCDEF‘
;-------------------------------------------------------------------------------                             
        times 510-($-$$) db 0
        db 0x55,0xaa

代码分析

设计思路

  1. 这个程序实现的主要功能是:检測1MB以上的内存空间。比方检測物理地址为1M~8M的单元。
  2. 检測方法是向每一个双字单元写入0x55aa55aa。并读出来和0x55aa55aa做比較,假设相等。则再写入0xaa55aa55,并读出来和0xaa55aa55作比較,假设相等。那么这个双字单元是OK的。把物理地址加上4,继续检測。假设读出的和写入的不相等,那么检測出错,程序停止。

  3. 检測的时候,显示正在检測的内存地址
  4. 显示一个进度条
  5. 显示“已经检測的内存数 / 总共须要检測的内存数”

下面我们分析详细的实现。不打算逐行讲述所有代码,仅选择重点部分解说。

定义一些常量

        GREEN         equ 0x02 ; 黑底绿字
        RED           equ 0x04 ; 黑底红字
        BLUE_LIGHT    equ 0x09 ; 黑底蓝色字
        YELLOW        equ 0x0e ; 黑底黄字

        MEMORY_START  equ 0x100000
        MEMORY_END    equ 0x800000
        MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位

        LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示26次方
        BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

前四行定义了字符属性;
中间三行定义了要检測的内存起始地址,结束地址(检測不包括结束地址),还有检測的内存大小(以双字为单位)。

之所以用equ定义是由于改动起来方便。
LENGTH_OF_BAR equ 6 ; 表示2的6次方
这句话表示进度条的总长度占64(2^6=64)个字符,当然能够依据须要改动。但应该是2的N次方(详细原因下文会说明)。
BAR_POSITION equ 10*80+4 ;进度条的位置
这行定义了进度条的位置,假设是x行y列,相应的表示就是(x*80+y);由于一行有80个字符。

清屏

        mov ah,0x00; 清屏
        mov al,0x03
        int 0x10

这三行代码是为了清屏。

详细原理能够參见我的博文《Bios功能调用之滚屏与清屏》

http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50806752

创建GDT

        ;跳过0#描写叙述符


        ;创建1#描写叙述符。这是一个数据段,相应0~4GB的线性地址空间
        mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0,段界限为0xfffff
        mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB。存储器段描写叙述符 

        ;创建保护模式下初始代码段描写叙述符,代码段可读
        mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00,512字节 
        mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节,代码段描写叙述符 

        ;创建栈段描写叙述符
        mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
        mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600

以上代码用于创建GDT。由于想在引导程序中实现所有功能,所以编译后的文件不能超过512字节。为了节省笔墨。我跳过了0#描写叙述符。
关于代码段,必须是可读的,由于过程“show_hex_dword”须要訪问代码段中的一个表格:
string_hex: db‘0123456789ABCDEF‘
关于栈段描写叙述符的定义,详细解说參见 存储器的保护(一)——《x86汇编语言:从实模式到保护模式》读书笔记18 http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50759826

绘制白色条

        ; 绘制白色条
        push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
        push BAR_POSITION
        push 0x7720 ; white block
        call put_char

这里调用了过程 put_char

;--------------------------------------     
;功能:在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 属性和字符   
;返回:无

put_char:
        pushad
        mov ebp,esp
        mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
        mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
        mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符

put:
        mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
        inc ebx
        loop put

        popad
        ret 3*4

曾经我们都是用寄存器传递參数,这次我们用栈传递參数。在调用过程之前。先依照要求把參数压入栈中。当进入过程,执行完pushad这条指令后,栈的情况例如以下图:

技术分享
这里用到了pushad和popad指令。假设你不懂的话,能够參考我的另一篇博文:

《PUSHA/PUSHAD POPA/POPAD 指令详细解释》

http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50866801

所以下面四行就能够取得栈中的參数。

        mov ebp,esp
        mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
        mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
        mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符

另一点须要说明,
ret 3*4 这句话使用了带操作数的过程返回指令。这样的使用方法在原书P278页解说了。
假设希望在过程返回的同一时候,顺便弹出调用者压入的參数(使栈平衡)。那么能够用带操作数的过程返回指令。指令格式是:

    ret imm16
    retf imm16

这两条指令都同意用16位的马上数作为參数,不同之处仅在于前者是近返回,后者是远返回。马上数一般总是偶数,原因是栈操作总是以字或者双字进行。马上数的值表示在过程返回时应当从栈中弹出多少字节的数据。
对于我们的put_char过程,由于调用的时候压入了3个參数(3*4=12字节),所以ret后面的參数是12.

push 0x7720 这句表示压入白底的空格符,显示出来就是白色的小方块了。

显示总共要检測的内存数量(以双字为单位)

        push 21*80+25
        push BLUE_LIGHT
        push MEMORY_SIZE
        call show_hex_dword ;显示总共要检測的数量(以双字为单位)

依旧用栈来传递參数,调用了过程show_hex_dword

;-----------------------------------
;功能:在指定位置显示16进制的数字
;输入: 
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 属性
;      push 要显示的值       
;返回:无   

show_hex_dword:
        pushad

        mov ebp,esp
        mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y) 
        mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value

        mov ebx,16
        xor ecx,ecx

remainder:  
        xor edx,edx
        div ebx

        inc ecx
        push edx
        cmp eax,0
        jnz remainder

        mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
print:  
        pop ebx
        mov al,[cs:string_hex+ebx]      
        mov [es:0xb8000+esi*2],ax
        inc esi
        loop print

        popad
        ret 3*4         

这段代码的功能就是在指定的位置(压入第一个參数,比方3行4列就写 push 3*80+4),显示指定属性(压入第二个參数,仅低字节有效,比方绿色0x02)的16进制数字(压入第三个參数,比方想在屏幕上显示16进制的8b9c,那么就push 0x8b9c).
这段代码的设计思路就是把要显示的数不断除以16(由于是以16进制显示),而且把余数压栈。直到商等于0.之后再从栈依次弹出余数,把余数作为索引值查表。将相应的字符写到屏幕上。

查表的关键语句是:

mov al,[cs:string_hex+ebx]      

表格定义在源文件的倒数第三行

        string_hex: db‘0123456789ABCDEF‘

由于查表须要对代码段进行訪问。所以在创建代码段描写叙述符的时候,一定要让代码段可读。

開始内存检測

        xor ecx,ecx          ;计数器清零。记录检測了多少个双字
        mov ebx,MEMORY_START ;检測的起始地址 

在检測之前,计数器清零,检測的起始地址传送到EBX寄存器。

exam:   ;显示正在检測的地址
        push 21*80+6
        push YELLOW
        push ebx
        call show_hex_dword

        mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
        cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
        jnz err

        mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
        cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
        jnz err

        add ebx,4    ;地址添加4个字节
        inc ecx

        push 21*80+15
        push BLUE_LIGHT
        push ecx
        call show_hex_dword ;显示已经检測的数量(以双字为单位)

        push BAR_POSITION  ;绘制进度条
        push ecx
        push MEMORY_SIZE
        call draw_progress_bar

        cmp ebx,MEMORY_END  
        jnz exam

err:          
        hlt 

上面的代码就是内存检測的主体部分了。
首先显示正在检測的地址(要检測的地址在ebx中)。

然后向这个地址写入花码,并读出比較,假设不相等。就跳转到

err:          
        hlt 

假设相等,则ebx加上4,ecx加上1,而且显示ecx的值,绘制进度条,然后继续检測。

绘制进度条

;-----------------------------------------      
;功能:依据比例在指定位置绘制进度条
;输入: 
;      push (x*80+y),  表示xy列
;      push 分子
;      push 分母       
;返回:无   

draw_progress_bar:
        pushad
        mov ebp,esp
        mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
        mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
        mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母

        shr ebx,LENGTH_OF_BAR
        xor edx,edx
        div ebx
        cmp eax,1
        jb out

        push eax
        push esi
        push 0x2020; 绿色背景,空格
        call put_char

out:
        popad
        ret 3*4         

上面的这个过程是在指定的位置绘制进绿色的进度条,要求压入三个參数。

第一个是位置,第二个是分子,第三个是分母。


比方说要检測160个双字,当前已经检測了10个了,那么第二个參数就是10,第三个參数就是160。

假设之前的白色条的长度是64,那么就绘制64*(10/160)=4个绿色方块。

看上去的效果就是绿色条的长度是总长度的十六分之中的一个。
在每次检測4个字节后。我们就调用这个过程。这样程序执行后就有一个动画效果了。
这个过程实现的关键是计算出要绘制多少个绿色空格。
假设白色空格数能够表示成2的m次方。
计算公式推导例如以下图:
技术分享

依据公式,我们把ebx右移LENGTH_OF_BAR(=6)位,作为除数。被除数就在eax中,然后edx清零。再然后
edx:eax / ebx(移位运算后的值) = eax …edx
余数舍去,假如计算出来画1.5个方块,那么就绘制1个。


须要注意的是,计算后eax的值可能为0,假设为0就一定要跳出,一个绿色方块也不绘制。
假设eax大于等于1。那么调用过程put_char绘制绿色方块。

好了。整个代码的分析就到这里了,我们赶紧看看结果吧。
技术分享

检測结束后:
技术分享

【end】




























以上是关于存储器的保护——《x86汇编语言:从实模式到保护模式》读书笔记20的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

《x86汇编语言:从实模式到保护模式》课后答案

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