在保护模式下无法访问 32 位

Posted 2023-03-29

【中文标题】在保护模式下无法访问 32 位

【英文标题】：Can't Access 32 Bit in Protected Mode

【发布时间】：2021-10-12 18:21:26

【问题描述】：

在开发小内核的过程中，我在使用 APIC 启动应用处理器时偶然发现了一个奇怪的问题。

正如OSDev 和英特尔手册所述，处理器首先进入实模式，我的目标是让它在保护模式下运行。在设置了一个小堆栈并启用“A20”-Line 并跳转到我的 32 位代码后，出于理智目的，我尝试使用 xor eax, eax 清除 eax。

令我惊讶的是，只有eax 的低位字被清除，但高位字保持不变。

有趣的是，如果我只是做一个xor ax, ax，而不是xor eax, eax，那么寄存器就会被完全清除。

下面是我使用 APIC 引导应用处理器的代码：

; Extern reference to the GDTR
section .data
extern g_gdtr

; Serves as a temporary stack used for flushing the cpu-pipeline
SMP_BOOT_STACK_SIZE equ 64
smp_boot_stack:
    dq 0
    dq 0
    dq 0
    dq 0

section .text
global __smp_ap_rm_entry
align 0x1000
[bits 16]
; Real-Mode Entry point for other processor cores (AP's)
; after a INIT-SIPI-SIPI was issued
__smp_ap_rm_entry:
    cli
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov ss, ax
    lea bp, [ds:smp_boot_stack + SMP_BOOT_STACK_SIZE - 1]
    mov sp, bp
    
    ; Enable A20 line
    sti
    in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al
    cli

    lgdt [ds:g_gdtr]

    ; Enable Protected Mode
    mov eax, cr0
    or eax, 0x1
    mov cr0, eax

    ; Far jump
    push 0x8
    push __smp_ap_pm_entry
    retf

align 4
[bits 32]
__smp_ap_pm_entry:
    mov ax, word 0x10
    ; Doing this two times is somehow necessary (wtf?)
    mov es, ax
    mov es, ax 

    mov ss, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ds, ax

    xor eax, eax
    int 3 ; To check for changed values in qemu

    jmp $

此外，我还尝试将 32 位值分配到寄存器中，例如mov eax, 0xDEADBEEF，但只剩下 BEEF 部分。

有人知道为什么这不起作用吗？

【问题讨论】：

再次检查您的bits 32 是否有效且机器码是否正确。 xor ax, ax 工作而不是 xor eax, eax 通常意味着您的汇编程序发出 16 位代码。

如果您处于 32 位模式，为什么 CS 描述符显示为 CS64？

@sj95126 我认为我没有正确理解您的答案。你在哪里遇到的？

在您发布的 QEMU 输出图像中，以CS =0008 开头的行。 32 位代码段应显示为 CS32 而不是 CS64。你确定你的 GDT 是正确的吗？

@sj95126 非常感谢您的提示，这确实是一直存在的问题！

【参考方案1】：

正如@sj95126 所暗示的，我似乎加载了错误的 GDT。 使用 32 位段描述符创建和加载 GDT 后，问题得到解决。

如果有人感兴趣，下面是我用于从实模式切换到保护模式的新 GDT 的代码：

struct SegmentDescriptor32_s

    u16 SegmentLimitLow;
    u16 BaseAddressLow;
    union
    
        struct
        
            u32 BaseAddressMiddle : 8;
            u32 Type : 4;
            u32 DescriptorType : 1;
            u32 DescriptorPrivilegeLevel : 2;
            u32 Present : 1;
            u32 SegmentLimitHigh : 4;
            u32 System : 1;
            u32 LongMode : 1;
            u32 DefaultBig : 1;
            u32 Granularity : 1;
            u32 BaseAddressHigh : 8;
        ;
        u32 Flags;
    ;
 __attribute__((packed));

__attribute__((aligned(0x1000)))
static struct SegmentDescriptor32_s smp_ap_gdt[] =

     /* Null-Selector */
        .SegmentLimitLow = 0x0,
        .BaseAddressLow = 0x0,
        .Flags = 0x0
    ,
     /* Flat Code */
        .SegmentLimitLow = 0xFFFF,
        .BaseAddressLow = 0x0000,
        .Flags = 0x00CF9A00
    ,
     /* Flat Data */
        .SegmentLimitLow = 0xFFFF,
        .BaseAddressLow = 0x0000,
        .Flags = 0x008F9200,
    ,
     /* TSS */
        .SegmentLimitLow = 0x68,
        .BaseAddressLow = 0x0000,
        .Flags = 0x00CF8900
    
;

【参考方案2】：

; Enable Protected Mode
mov eax, cr0
or eax, 0x1
mov cr0, eax

; Far jump
push 0x8
push __smp_ap_pm_entry
retf

当架构手册说改变 PE 位的 MOV CR0 必须紧跟 FAR JMP 时，它们的意思是特定指令 FAR JMP（操作码 EA 或 FF，取决于您想要的方式来表达操作数​​），他们的意思是它必须是下一条指令。如果你不这样做，后果是不可预测的。我怀疑你的模拟器在执行 FAR JMP 之前实际上并没有翻转开关，所以你仍然处于 16 位实模式，机器指令 31 c0 仍然意味着 xor ax,ax 而不是 xor eax, eax。

FAR JMP 采用显式的绝对段：偏移量表达式；你不能只写jmp far __smp_ap_pm_entry。我不知道你到底需要写什么。

（请参阅Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual Combined Volumes 3A, 3B, 3C, and 3D: System Programming Guide 的第 9.9 节，“模式切换”。如果您还没有阅读本手册，那么现在是个好时机。）

【讨论】：

PE 位在 mov 指令上立即翻转。完成后，您将处于 16 位保护模式。在 JMP（或 RETF）之后，您处于 32 位保护模式（如果 GDT 具有该选择器的 32 位 CS）。用 mov 翻转位后的指令结果是定义和可预测的。您在 mov 之后处于 16 位保护模式，但 CS 中没有显式更改。如果mov 之后的指令是在实模式和 16 位保护模式下以相同方式解码的指令，则不需要立即通过 FAR JMP 或等效指令更改 PE 位。

解码的问题当然是指令预取队列不知道 PE 位已更改，mov 本身并没有刷新它。因此架构手册建议以下指令是刷新指令预取队列的东西（如 JMP）。它也不必是 FAR JMP。任何清除 IPFQ 的指令就足够了，包括但不限于近和远 JMP 和 CALL。

@MichaelPetch 我在这里引用了架构手册！ “立即在 [MOV CR0] 之后，执行 FAR JMP 或 FAR CALL...如果两者之间存在 其他指令，则可能会发生随机故障”（强调我的）许可 lcall 和 ljmp 但就是这样。

您可能会在同一架构手册中注意到代码列表，他们使用的不是远 jmp。因为我无法访问手机上的架构手册，但有一个代码列表使用保护模式开关启动 ROM 示例。主要问题解决到 IPFQ