WriteOS: 关于操作系统进入保护模式的总结

转载：http://sleepycat.org/tech/os/protectmode

目录:

• 本文简介
• 1 进入保护模式的代码分析
• 2 关于选择子(selector)的总结
• 3 mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
• 4 jmp dword SelectorCode32:0
• 5 参考资料

本文简介

• 概要：总结关于操作系统进入保护模式的相关知识点
• 版本：NASM version 2.09.08
• 日期：2012-08-21
• 永久链接：http://sleepycat.org/tech/os/protectmode

1 进入保护模式的代码分析

代码来自《自己动手写操作系统》一书. 在原有基础上加了些自己的注释.

; ==========================================
; pmtest1.asm
; 编译方法：nasm pmtest1.asm -o pmtest1.bin
; ==========================================

%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明

org    07c00h
    jmp    LABEL_BEGIN


[SECTION .gdt]
; GDT
;                              段基址,           段界限,         属性
LABEL_GDT:         Descriptor       0,                0, 0             ; 空描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor       0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32  ; 非一致代码段
LABEL_DESC_VIDEO:  Descriptor 0B8000h,           0ffffh, DA_DRW        ; 显存首地址


GdtLen        equ    $ - LABEL_GDT    ; GDT长度

;共6 byte, 结构与寄存器 gdtr 一致. 用于保存 GDT 表信息, 通过 lgdt 加载.
;后3-6 byte内容, 在下面的代码中会计算出并填入.
GdtPtr        dw    GdtLen - 1   ; GDT界限
              dd    0            ; GDT基地址

; GDT 选择子
SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorVideo         equ    LABEL_DESC_VIDEO  - LABEL_GDT


[SECTION .s16]
[BITS    16]
LABEL_BEGIN:
    mov    ax, cs
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    ss, ax
    mov    sp, 0100h


    ;此处计算出了 LABEL_SEG_CODE32 的真实物理地址,保存于 eax 中.
    xor    eax, eax
    mov    ax, cs
    shl    eax, 4                 ;eax 中存储 cs 段地址, 并左移四位
    add    eax, LABEL_SEG_CODE32  ;段+偏移地址, 计算出其真实物理首地址

    ;此处将前面计算出的真实物理地址, 按规则放入GDT相应的段基址位置.
    ;注: 保护模式寻址步骤:
    ;   1). Selector 选择子 => 取得对应 GDT 的位置
    ;   2). GDT 的 段基址 => 取得 物理首地址
    ;   3). 物理首地址 + 偏移量 => 真实地址
    mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah


    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4                     ; eax 中存储 ds 段地址, 并左移四位
    add    eax, LABEL_GDT             ; 段+偏移地址, 计算出真实物理首地址(即GDT开始处地址)
    mov    dword [GdtPtr + 2], eax    ; 将此物理首地址放入 GdtPtr(共6 byte) 的3-6 byte 处.

    ; 加载到寄存器 gdtr.
    lgdt    [GdtPtr]

    ; 关中断
    cli

    ; 打开地址线A20
    in    al, 92h
    or    al, 00000010b
    out   92h, al

    ; 将寄存器 cr0 的第 0 位置设置为1, 表示 CPU 要运行于保护模式
    mov   eax, cr0
    or    eax, 1
    mov   cr0, eax

    ; 进入保护模式
    jmp   dword SelectorCode32:0   ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs,
                                    ; 并跳转到 Code32Selector:0  处
; END of [SECTION .s16]


[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS    32]

LABEL_SEG_CODE32:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 11 + 79) * 2    ; 屏幕第 11 行, 第 79 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'P'
    mov    [gs:edi], ax

    ; 到此停止
    jmp    $

SegCode32Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

2 关于选择子(selector)的总结

    selector 是对应的 GDT 相对于 GDT 起始位置的偏移量.

    GDT 的长度都为 8 byte, 故 selector 的值为 8 的倍数. 也因此, 其最低 3 位正常情况下应该全为零, 但实际上, 最后 3 位被用作标志符, 标志 GDT 或 LDT 等, 故在使用 LDT 时, 需要直接修改对应的值。

3 mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al

[LABEL_DESC_CODE32 + 4]
    表示 LABEL_DESC_CODE32 所在的地址, 加上 4 个内存单位(byte)

mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al 
    表示将 al 内容, 放置到 [LABEL_DESC_CODE32 + 4] 所在地址, 放置内容长度为 1 byte.

4 jmp dword SelectorCode32:0

    SelectorCode32 => 选择子, 16 位, 被装入 cs.
    dword => 表示后面的偏移量为 32 位. 按保护模式方式寻址.

5 参考资料

    http://www.360doc.com/content/11/0409/22/6580811_108479867.shtml