操作系统真象还原学习笔记04--保护模式入门

本篇简单介绍了保护模式和实模式的异同、全局描述符表 GDT ，以及如何进入保护模式。

进入保护模式的三个步骤：

打开A20地址线
初始化全局描述符表 GDT（lgdt指令）
将控制寄存器CR0的PE位置1开启CPU的保护模式

本篇难点：

全局描述符表的使用原理

初见保护模式

保护模式的概念

保护模式首次出现在80286 CPU上；在保护模式下，物理内存地址不能被直接访问，需要经过地址转换之后才能进行访问，地址转换是处理器和操作系统共同完成的，处理器硬件上提供转换部件，操作系统提供转化过程中所需要的页表。

实模式和保护模式是CPU的概念，实模式的CPU运行环境是16位，保护模式是32位，实模式指的是32位CPU在16位模式下运行的状态。

段寄存器的变化

在保护模式下，除了段寄存器，其他寄存器都被扩展成了32位，保护模式提供的安全性很大一部分体现在了内存段的描述方面；

偏移地址和实模式一样，但段基址会有很大不同，为了给不同的内存段添加不同的属性，专门找了个数据结构--全局描述符表来描述，每一个表项称为段描述符，64字节，用来描述各个内存段的起始地址、大小、权限等信息；

全局描述符表很大，所以放在内存中，用专门的寄存器---GDTR寄存器指向这个数据结构；

段寄存器里保存的就不再是段基址了，里面保存的是段选择子，selector，用来在全局描述符表中索引段描述符；

由于访问内存对CPU来说很慢，所以这里应用了缓存技术，将段信息用一个寄存器来缓存（段描述符缓冲寄存器），CPU每次获取到整理好的段描述符信息，都会存在这里，直到下一次获取新的段描述符信息

因为CPU是兼容实模式，所以在实模式下，段描述符缓冲寄存器里存放的是段基址左移4位的值

地址访问

IA-32体系的CPU访问内存的方式还是分段策略，段基址：段内相对偏移地址，从80386CPU开始，段基址和段内偏移地址都是32位的了，仅用段内偏移即可访问完整4GB内存了

在实模式与保护模式运行的中间，有一个过度模式--虚拟8086模式；

寄存器的变化

在实模式下，寄存器都有固有使命，比如基址寄存器bx，bp，变址寄存器si，di

到保护模式了之后，寄存器的功能就不是那么固定了，所有通用寄存器都可以当基址寄存器，除了esp以外都可以做变址寄存器。

全局描述符表 GDT

到了保护模式下，不再是简单的用段寄存器加载一下段基址就能用了，段的信息增加了很多，需要提前定义好段才能用，全局描述符表 GDT 就是存储段信息的数据结构。

全局描述符表 GDT 的表项，段描述符，就是用来描述段的属性的，该结构是8字节大小。段描述符格式如下图所示：

在这里插入图片描述

段基址与段界限和 G位

保护模式总线宽度32位，所以段基址也是要用32位表示；

段界限表示段边界的扩展最值，分为向上扩展（段界限表示最大值，例如数据段，代码段）和向下扩展（段界限表示最小值，例如栈段）两种，段界限是个单位量，要么是1字节（G=0）要么是4KB（G=1），取决于描述符中的G位；

段界限边界值 = （描述符中的段界限值 + 1） * （段界限颗粒度大小） - 1

段界限是用来限制段偏移地址的（如果不限制，则仅用偏移地址即可访问全部内存）

如果访问的地址超过了段界限的最值，则CPU会抛出异常，程序员负责写相应异常的处理程序。

至于段描述符为啥把段基址，段界限分散成这么多段来存放，是历史原因，当时为了兼容80286这个半成品而导致的。

字段 S

段描述符在CPU眼里分为两大类，系统段和数据段

凡是硬件运行需要的东西都是系统，代码段属于系统段
凡是软件运行需要的东西都是数据，代码段属于非系统段（数据段）

S位决定段是否属于系统段，S=0则表示系统段，S=1则是数据段

S位要和Type字段配合在一起才能知道确定的段描述符的类型，只有S位确定了，Type字段才有意义

各种称为门的结构都是系统段，任务门，调用门等，门便是入口。

字段 Type

在这里插入图片描述

Type字段共4位，目前主要关注非系统段，表中的4位值分别含义是：

A位，Accessed位，由CPU设置，每当该段被CPU访问后，CPU就将此置1；

在创建新的段描述符的时候，应该将此置0，在调试是能判断该描述符是否可用。
C位，Conforming位，一致性代码段，也叫依从代码段；

如果自己是转移的目标段，并且自己是一致性代码段，自己的特权级一定要高于当前特权级，转移后的特权级与转移前的特权级一致，也就是依从转移前的特权级

C=1表示是一致性代码段，C=0表示不是
R位，表示可读，R=1可读，R=0不可读

不可读代码段是用来限制代码指令的，如果读了不可读的内存，CPU会抛出异常
X位，表示可执行，X=1可执行（代码段），X=0不可执行（内存段）
E位，Extend，表示扩展方向，0为向上扩展，地址越来越高（代码段，数据段），1为向下扩展，地址越来越低（栈段）
W位，Writeable，表示写入，1可写入，0不可写入，写入不可写入的数据段CPU会抛出异常

字段 DPL

Descriptor Privilege Level，描述符特权级

因为DPL字段占2位，所以分为0,1,2,3一共四种特权级，CPU从实模式进入保护模式后，特权级自动变为0，保护模式下的代码是操作系统的一部分，操作系统应该处于最高特权级，而用户程序处于3特权级

特权级具体指的是描述符所指的内存段的特权级别

字段 P

Present，表示段是否存在，如果段存在于内存，P=1，否则P=0

P字段是CPU来检查的，如果为0，CPU会抛出异常，CPU只负责检查，不负责处理

设计之初是用于当内存不够用的时候，将内存不常用的段放到硬盘里，有了分页功能后，就用分页功能来完成这件事了

字段 AVL

Available，可用的，操作系统可以随意使用，对硬件来说没有专门的用途

字段 L

用来设置是不是64位代码段，1表示是，0表示否

字段 D/B

用来指示有效地址及操作数的大小，这是兼容80286CPU的产物，与指令有关的段是代码段和栈段：

对代码段来说，此位是D位，D为0表示16位，D为1表示32位
对栈段来说，此位是B位，B为0表示16位，B为1表示32位

全局描述符表 GDT、局部描述符表 LDT 及选择子

全局描述符表 GDT

全局描述符表就像是一个数组，而其中的段描述符就是数组中的元素，通过段选择子进行索引，可以获取指定的段描述符

全局描述符表的全局，指的是多个程序都可以在里面定义自己的段描述符，是公用的

全局描述符表位于内存中，通过专门的寄存器 GDTR 指向他的位置

在这里插入图片描述

使用之前需要对该寄存器进行初始化，指令为：lgdt 48位内存数据

这个指令在进入保护模式前后都可以执行，进入保护模式需要有GDT，在保护模式中还可以换个GDT加载

GDTR寄存器分为两部分，前16位是GDT的界限，后32位是GDT的起始地址，由于GDT的大小是16位二进制，界限最大值是2^16=65536，而每个描述符是8字节大小，则最多可存下65536/8=8192个段或门。

选择子 Selector

原本在实模式下的段寄存器里存储的是段基址，在保护模式下，段寄存器里存入的内容变成了选择子：

在这里插入图片描述

段寄存器是16位，选择子也是16位：

第0-1位存入的是RPL，Request Privilege Level，请求特权级，请求者的特权级，可以表示为 0,1,2,3,4 四种特权级

第2位TI位，Table Indicator，用来指示选择子在GDT（TI=0）中还是在LDT（TI=1）中索引描述符。

剩下的13位是索引值，最大位2^13=8192个

选择子的作用，是确定段描述符，确定段的基地址，特权级，界限等

在保护模式下，IA-32 CPU依然是通过段基址：段内偏移地址的方式进行寻址，不过计算方式有所变化，因为段基址和段内偏移地址都是32位了，所以实际地址直接将选择子确定段描述符后，CPU自动从段描述符中取出段基址，直接加上偏移地址

GDT中第0个段描述符不可用，主要是为了避免选择子未初始化就使用的情况，如果用了则CPU会抛出异常

局部描述符表 LDT

LDT是一个系统段，也是一个局部描述符表，是全局描述符表的一个表项，是个嵌套的描述符表，用于程序内部进行段属性的设置

描述符种类很多，但描述符高32位中的第8~12位始终是不变的，12位必须是S，8-11位必须是type，其他位没有强制要求，所以很多系统段如中断门，陷阱门都是在中断描述符表中的。

打开 A20 地址线

实模式下存在一个A20地址回绕，超过1M的内容会被忽略，只有打开A20地址线，才能访问1M以外的内存空间：

向端口 0x92 的第1个位置写入1即可

in al, 0x92
or al, 0000_0010B
out 0x92, al

保护模式的开关，CR0 寄存器的 PE 位

这是进入保护模式的最后一步（第三步）

程序员不可见寄存器--控制寄存器CR0-CR3，可用来展示或者控制CPU的运行状态，其中的CR0寄存器中的第0位，便是保护模式的开关，将此位置一即可开启CPU的保护模式：

mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax

进入保护模式

接下来通过实践来真正进入保护模式~

由于保护模式是在loader.bin中进入的，而loader.bin将会超过512字节，所以需要先对之前的程序进行一个小的修改

mbr.S

首先是 mbr.S（完整代码在上一篇笔记中有）：

        mov eax ,LOADER_START_SECTOR    ;起始扇区lba地址
        mov bx  ,LOADER_BASE_ADDR       ;写入的地址
        mov cx  ,4                      ;待读入的扇区数
        call rd_disk_m_16               ;以下读取程序的起始部分

这里将cx，也就是待读入的扇区数由1改到4

boot.inc

下一个要更新的文件是 boot.inc ：

;---------------loader and kernel---------------
LOADER_BASE_ADDR equ 0x900
LOADER_START_SECTOR equ 0x2

;---------------GDT 描述符属性------------------
DESC_G_4K       equ     1_00000000000000000000000b      ;颗粒度：4K
DESC_D_32       equ     1_0000000000000000000000b       ;操作数和地址大小：32位
DESC_L          equ     0_000000000000000000000b        ;是否是64位代码段：否
DESC_AVL        equ     0_00000000000000000000b         ;不用此位，暂设置为：0
DESC_LIMIT_CODE2 equ    1111_0000000000000000b          ;段界限19-16位
DESC_LIMIT_DATA2 equ    DESC_LIMIT_CODE2                ;段界限19-16位
DESC_LIMIT_VIDEO2 equ   0000_000000000000000b           ;？？？？？
DESC_P          equ     1_000000000000000b              ;表示段存在
DESC_DPL_0      equ     00_0000000000000b               ;特权级：0
DESC_DPL_1      equ     01_0000000000000b               ;特权级：1
DESC_DPL_2      equ     10_0000000000000b               ;特权级：2
DESC_DPL_3      equ     11_0000000000000b               ;特权级：3
DESC_S_CODE     equ     1_000000000000b                 ;表示非系统段
DESC_S_DATA     equ     DESC_S_CODE                     ;同上
DESC_S_SYS      equ     0_000000000000b                 ;表示系统段
DESC_TYPE_CODE  equ     1000_00000000b                  ;Type字段-代码段：x=1,c=0,r=0,a=0
DESC_TYPE_DATA  equ     0010_00000000b                  ;Type字段-数据段：x=0,e=0,w=1,a=0

DESC_CODE_HIGH4 equ     (0x00<<24) + DESC_G_4G + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_CODE2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_CODE + DESC_TYPE_CODE + 0x00
DESC_DATA_HIGH4 equ     (0x00<<24) + DESC_G_4G + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_DATA2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x00
DESC_VIDEO2_HIGH4 equ   (0x00<<24) + DESC_G_4G + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_VIDEO2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x0B

;--------------选择子 属性-------------------
RPL0    equ     00b
RPL1    equ     01b
RPL2    equ     10b
RPL3    equ     11b
TI_GDT  equ     000b
TI_LDT  equ     100b

注意！！！

这里书上有个问题，会导致后续程序运行出错，也算是个坑吧

在boot.inc的代码中，其中的显卡段的高4字节部分：

DESC_VIDEO2_HIGH4 equ   (0x00<<24) + DESC_G_4G + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_VIDEO2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x00

显存的起始地址是0xb8000，在段描述符低4字节中段基址0-15位存储的是0x8000，所以段描述符高4字节最初8位是段基址的23-16位的值应该是0xB，而不是0x00，所以这一行应该改成：

DESC_VIDEO2_HIGH4 equ   (0x00<<24) + DESC_G_4G + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_VIDEO2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x0B

loader.S

%include "boot.inc"
SECTION LOADER vstart=LOADER_BASE_ADDR
LOADER_STACK_TOP        equ     LOADER_BASE_ADDR

jmp     loader_start

;构建 GDT 及其内部的描述符
GDT_BASE:
        dd      0x00000000
        dd      0x00000000

CODE_DESC:
        dd      0x0000FFFF
        dd      DESC_CODE_HIGH4

DATA_STACK_DESC:        ;直接用普通的数据段作为栈段
        dd      0x0000FFFF
        dd      DESC_DATA_HIGH4

VIDEO_DESC:
        dd      0x80000007      ;limit=(0xbffff - 0xb8000)/4k = 7
        dd      DESC_VIDEO_HIGH4;此时dpl为0

GDT_SIZE        equ     $ - GDT_BASE    ;获取 GDT 大小
GDT_LIMIT       equ     GDT_SIZE - 1    ;获取 段界限

times   60      dq      0       ;预留60个空位，为以后填入中断描述符表和任务状态段TSS描述符留空间
                                ;times 60 表示后面的内容循环60次，是nasm提供的伪指令

SELECTOR_CODE   equ     (0x0001 << 3) + TI_GDT + RPL0
SELECTOR_DATA   equ     (0x0002 << 3) + TI_GDT + RPL0
SELECTOR_VIDEO  equ     (0x0003 << 3) + TI_GDT + RPL0

;以下是 gdt 指针，前2字节是gdt界限，后4字节是gdt起始地址
gdt_ptr dw      GDT_LIMIT
        dd      GDT_BASE

loadermsg db '2 loader in real.'

;---------------------------------------------------------
;INT 0x10       功能号:0x13     功能描述符:打印字符串
;---------------------------------------------------------
;输入:
;AH 子功能号=13H
;BH = 页码
;BL = 属性（若AL=00H或01H）
;CX = 字符串长度
;(DH,DL)=坐标(行，列)
;ES:BP=字符串地址
;AL=显示输出方式
;0——字符串中只含显示字符，其显示属性在BL中。显示后，光标位置不变
;1——字符串中只含显示字符，其显示属性在BL中。显示后，光标位置改变
;2——字符串中只含显示字符和显示属性。显示后，光标位置不变。
;3——字符串中只含显示字符和显示属性。显示后，光标位置改变。
;无返回值


loader_start:
        ;显示字符串，表示当前在实模式
        mov sp, LOADER_BASE_ADDR
        mov bp, loadermsg       ;ES:BP 字符串地址
        mov cx, 17              ;字符串长度
        mov ax, 0x1301          ;AH=13h，AL=01h
        mov bx, 0x001f          ;页号为0（BH=0h），蓝底粉红字（BL=1fh）
        mov dx, 0x1800          ;
        int 0x10                ;int 10 BIOS中断

        ;准备进入保护模式
        ;1.打开A20地址线
        in al, 0x92
        or al, 00000010B
        out 0x92, al

        ;2.加载GDT
        lgdt [gdt_ptr]

        ;3.将CR0的PE位置1
        mov eax, cr0
        or eax, 0x00000001
        mov cr0, eax

        jmp dword SELECTOR_CODE:p_mode_start    ;刷新流水线
                                               ;流水线是CPU 的工作方式，会把当前指令和后面的几个指令同时放在流水线中重叠执行，由于之前的代码是16位，接下来的代码变成32位了，指令按照16位进行译码会出错，通过刷新流
水线可以解决这个问题

[bits 32]       ;编译成32位程序
p_mode_start:
        mov ax, SELECTOR_DATA
        mov ds, ax
        mov es, ax
        mov ss, ax
        mov esp, LOADER_STACK_TOP
        mov ax, SELECTOR_VIDEO
        mov gs, ax
        mov byte [gs:160],'P'

        jmp $

编译，写入到硬盘：

nasm -I include/ -o mbr.bin mbr.S 
nasm -I include/ -o loader.bin  loader.S

dd if=boot/mbr.bin of=hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc
dd if=boot/loader.bin of=hd60M.img bs=512 count=4 seek=2 conv=notrunc

运行Bochs

远跳转指令jmp

从实模式进入保护模式有两个问题需要解决：

一是段描述符缓冲寄存器的值需要改成32位的值，因为在保护模式下，段描述符缓冲寄存器的值还是16位的话，如果使用了这个寄存器就会出现问题，可以通过call，jmp，ret等指令来间接实现
二是需要将CPU流水线清空，这就只能使用jmp来实现了

所以用jmp一举两得。

保护模式下内存段的保护

加载选择子时候的保护：判断选择子的索引是否在范围内：

描述符表基地址 + 选择子中的索引值 * 8 + 7 <= 描述符表基地址 + 描述符表界限值

代码段和数据段的保护：检查地址边界

EIP 中的偏移地址 + 指令长度 - 1 <= 实际段界限大小

偏移地址 + 数据长度 - 1 <= 实际段界限大小

机器码不能跨段，否则CPU会抛出异常

栈段的保护：栈的地址范围

实际段界限+1<=esp-操作数大小<=0xFFFFFFFF

在这里插入图片描述

参考资料

操作系统真象还原第四章笔记：https://blog.csdn.net/zhwenx3/article/details/108969801
《操作系统真象还原》

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操作系统真象还原 学习笔记04--保护模式入门

初见保护模式

保护模式的概念

段寄存器的变化

地址访问

寄存器的变化

全局描述符表 GDT

段基址 与 段界限 和 G位

字段 S

字段 Type

字段 DPL

字段 P

字段 AVL

字段 L

字段 D/B

全局描述符表 GDT、局部描述符表 LDT 及选择子

全局描述符表 GDT

选择子 Selector

局部描述符表 LDT

打开 A20 地址线

保护模式的开关，CR0 寄存器的 PE 位

进入保护模式

mbr.S

boot.inc

loader.S

运行Bochs

远跳转指令jmp

保护模式下内存段的保护

参考资料

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段基址与段界限和 G位