实地址模式与保护模式之间的切换

9.1  实地址模式与保护模式之间的切换

 

我们知道，IA-32计算机在加电或者Reset信号有效之后，首先进入实地址模式，执行BIOS程序，然后再进入保护模式，执行Windows环境下的程序。因此，IA-32 CPU在工作的时候，需要从实地址模式切换到保护模式。从实地址模式切换到保护模式，通常需要建立描述符表（descriptor table），设置控制寄存器CR0的PE位，如例9.1所示。

 

例9.1  IA-32 CPU从实地址模式切换到保护模式，然后又切换回实地址模式。

;

;IA-32 CPU enters into protected mode from real address mode,

;a string is displayed on the screen, IA-32 CPU returns into real

;address mode from protected mode.

;

.386p

.model   small,c

.stack   100h

;

Descriptor      STRUCT

  limit         word     0

  basel         word     0

  basem         byte     0

  attrib        word     0

  baseh         byte     0

Descriptor      ENDS

;

Data            Segment  use16

;

gdt0          Descriptor <>

;

DataSel       equ      $-gdt0

DataDes       Descriptor <0ffffh,,,92h,>

;

CodeSel       equ      $-gdt0

CodeDes       Descriptor <0ffffh,,,98h,>

;

VideoSel      equ      $-gdt0

VideoDes      Descriptor <0ffffh,8000h,0Bh,92h,>

;

GdtLen        equ      $-gdt0

;

GdtPtr        word     GdtLen

dword    0

;

Mess          byte     ‘IA-32 CPU is in Protected Mode.’,0

;

JmpTable      dword    0

;

Data            ends

;

Code            Segment  use16

    assume cs:Code,ds:Data

;

Start:          xor      eax,eax          ;Clear eax.

;

mov      ax,Data          ;Initialize DS.

mov      ds,ax            ;

;

;Prepare for entering into protected mode.

;

shl      eax,4          ;create base address for data segment

;

mov      dword ptr [GdtPtr+2],eax ;Base address for load GDTR

;

mov      DataDes.basel,ax ;Fill base address for data segment

shr      eax,16           ;into data segment descriptor.

mov      DataDes.basem,al ;

mov      DataDes.baseh,ah ;

;

xor      eax,eax              ;Fill base address for code segment

mov      ax,Code          ;into code segment descriptor.

shl      eax,4            ;

mov      CodeDes.basel,ax ;

shr      eax,16           ;

mov      CodeDes.basem,al ;

mov      CodeDes.baseh,ah ;

;

lgdt     fword ptr GdtPtr ;Load GDTR

;

cli                      ;Disable interrupt.

mov      eax,cr0            ;SetPE of CR0 into 1.

or       eax,1

mov      cr0,eax

;

mov      dx,CodeSel     ;Use “jmp far ptr [esi]” to flush

shl      edx,16         ;instruction prefetch queue.

mov      dx,offset Code16

mov      JmpTable,edx

lea      esi,JmpTable

jmp      far ptr [esi]

;

;Enter into protected mode.

;

Code16:         mov      ax,DataSel   ;The string is displayed on the screen.

mov      ds,ax

mov      ax,VideoSel

mov      es,ax

mov      si,offset Mess

mov      di,80*46+48

mov      ah,47h

Load:           mov      al,[si]

inc      si

cmp      al,0

jz       ReadyToRmode

mov      es:[di],ax

add      di,2

jmp      Load

;

;Prepare for returning to real address mode.

;

ReadyToRmode:   mov      eax,cr0        ;Clear PE of CR0.

and      eax,0fffffffeh

mov      cr0,eax

;

mov      dx,seg Rmode   ;Use “jmp far ptr [esi]” to flush

shl      edx,16         ;instruction prefetch queue.

mov      dx,offset Rmode

mov      JmpTable,edx

lea      esi,JmpTable

jmp      far ptr [esi]

;

;Return to real address mode.

;

Rmode:          sti                     ;Set IF.

;

mov      ax,Data        ;Initialize DS and ES.

mov      ds,ax

mov      es,ax

;

mov      ax,4c00h       ;Retire.

int      21h

;

Code            ends                    ;Code segment is over.

;

                end      Start          ;The source program is over.

 

课堂练习：对于例9.1中所示的程序，我们可以在MASM 6.11环境下进行汇编和链接，然后运行并观察其结果：

A.  启动PWB。

B.  更改设置：点Options,在弹出的选单上选中Build Options，在弹出的Build Options窗口中选中Use Release Options，点OK。

C.  打开源程序文件sam9-1.asm，建立可执行程序sam9-1.exe。注意，请不要进入CodeView环境去运行sam9-1.exe。

D.  重启计算机，根据计算机的不同，进行适当操作，使其进入MS-DOS方式。

E.  在MS-DOS方式下，运行sam9-1.exe，即可看到在屏幕上显示出的字符串。

 

现在对例9.1中所示程序的工作原理进行分析：

1.  声明结构类型Descriptor

保护模式下的段寄存器：其内容不再是段的基地址，而是称之为选择符（selector），其功能在于从全局段描述符表（Global Descriptor Table,GDT）或者局部段描述符表（Local Descriptor Table,LDT）中选出一个段描述符。选择符的字段结构如表9.1所示。

 

表9.1  选择符的字段结构

b15～b3	b2	b1～b0
Index	TI	RPL

 

选择符的位b1～b0称之为请求特权级（Requested Privilege Level，RPL）。RPL的数字必须小于当前特权级（Current privilege level，CPL）的数字，才可以访问某个段的数据。CPL是当前正在执行的任务所具有的特权级，也就是段寄存器CS和SS中b1～b0所具有的数字。另外，段描述符的访问权限字节（字节5）的b6～b5称之为段描述符特权级（Descriptor privilege level，DPL）。DPL、CPL、RPL是Windows操作系统中保护机制的重要基础。

TI位：为0时，说明段描述符在GDT中，应该访问GDT；为1时，说明段描述符在LDT中，应该访问LDT。

Index：利用它可以从GDT或者LDT中选出一个段描述符。具体作法是，由CPU硬件首先把Index的值乘以8，然后把乘积加到段描述符表的基地址上。段描述符表的基地址和限长分别存在全局段描述符表寄存器（Global Descriptor Table Register,GDTR）和局部段描述符表寄存器（Local Descriptor Table Register,LDTR）中。

GDT和LDT都放在内存中，由Windows操作系统维护。通常，系统任务的段描述符存放在GDT中，用户任务的段描述符存放在LDT中。每个段描述符表包含8192（ ）个段描述符。

GDT和LDT中的段描述符可以认为是一种数据结构，每个段描述符具有8个字节的长度，其结构如表9.2所示。

 

 

表9.2  段描述符的结构

字节7	字节6		字节5	字节4～2	字节1～0
基址b31～b24	控制位	段限b19～b16	访问权限	基址b23～b0	段限b15～b0

 

在例9.1中，所声明的结构类型Descriptor与表9.2所示的段描述符结构是完全一致的。

 

2.  关于完全段

本例中的数据段和代码段都使用了完全段来定义。原因在于只有使用完全段才可以实现在保护模式下，定义16位段的功能。

 

3.  数据段

定义结构变量必须在数据段中，而声明结构类型则可不必在数据段中。

gdt0：NULL段描述符，Windows操作系统要求第一个段描述符必须定义为NULL。

DataSel：定义数据段选择符。

DataDes：定义数据段描述符，基地址需用指令填充。

CodeSel：定义代码段选择符。

CodeDes：定义代码段描述符，基地址需用指令填充。

VideoSel：定义视频缓冲区段选择符。

VideoDes：定义视频缓冲区段描述符。

GdtLen：全局段描述符表限长。

GdtPtr：指向全局段描述符表限长和基地址的指针。

Mess：进入保护模式后显示在屏幕上的字符串。

JmpTable：在jump指令的间接寻址方式下，用来存放转移目标地址。

 

4.  代码段：初始化DS，建立数据段基地址，建立用来装入GDTR的基地址，把数据段基地址填入数据段描述符，把代码段基地址填入代码段描述符。

 

5.  代码段：装全局描述符表寄存器指令

该指令助记符用“LGDT”表示,其功能是把内存数据段中的GDT的限长和基地址装入GDTR。

GDTR的字段结构如表9.3所示。

 

表9.3  GDTR的字段结构

b47～b16	b15～b0
GDT的基地址	GDT的限长

 

LGDT指令只需要一个操作数。由表9.3知道GDTR的长度具有6个字节，所以其操作数的类型也应该是6个字节。LGDT指令的形式和操作列在表9.4中。

 

表9.4  LGDT指令的形式和操作

汇编语句格式	编码示例	寻址方式与操作
LGDT m16&32	LGDT     fword ptr GdtPtr	直接寻址

注：在表9.4中，m代表memory，ptr代表pointer,以下同。

 

LGDT指令只能由操作系统使用，用户程序不能使用。通常，LGDT指令运行在实地址模式下，以便于CPU在切换到保护模式以前能够执行初始化操作。

 

6.  代码段：关中断，设置CR0的PE位，清除指令预取队列

用cli指令关中断。

控制寄存器（Control Register,CR）CR0具有32位的长度，其b0为保护模式允许位（Protection Enable,PE）。当该位为1时，允许CPU工作在保护模式下；当该位为0时，禁止CPU工作在保护模式下。系统加电启动时，该位被置0。

用“jmp far ptr [esi]”指令，执行一个无条件转移，以便于清除指令预取队列，保证顺利地进入保护模式。此处jmp指令使用了间接寻址方式,方法是:首先把转移目标地址存入内存数据段变量JmpTable中,然后把JmpTable的偏移量传送到esi中,最后执行一个以esi内容为指针的far转移。

 

7.  代码段：进入保护模式

在屏幕上显示字符串“IA-32 CPU is i.n Protected Mode.”。此处采用直接写显示缓冲区的方法。

显示缓冲区的基地址：实地址模式下为B8000H（以物理地址形式表示），保护模式下为000B8000H（以物理地址形式表示）。

指定屏幕上的显示坐标：mov      di,80*46+48。屏幕上可显示字符的容量为24行×80字符。在显示缓冲区中，每个字符用两个字节来表示，高字节表示颜色与属性，低字节存储字符的ASCII代码。

指定屏幕上的显示属性：mov      ah,47h，请参考MASM 6.11的联机帮助。

 

8.  代码段：准备返回到实地址模式

清除CR0的PE位，以便于CPU能够工作在实地址模式下。

用“jmp far ptr [esi]”指令，执行一个无条件转移，以便于清除指令预取队列，保证顺利地返回到实地址模式。

 

9.  代码段：返回到实地址模式

设置ds和es，返回到系统。

 

课堂练习：调节屏幕显示坐标和颜色与属性。