计算机系统结构与操作系统实验三（4-2）-启动分页机制

实验要求

在开启分页后，显示提示如“V-zhangsan”
用命令info tab查看虚拟地址向物理地址的映射情况
用命令creg显示控制位中PG页式是否开启

实验过程

创建文件

mbr.S

;主引导程序 
;------------------------------------------------------------
%include "boot.inc"
SECTION MBR vstart=0x7c00         
   mov ax,cs      
   mov ds,ax
   mov es,ax
   mov ss,ax
   mov fs,ax
   mov sp,0x7c00
   mov ax,0xb800
   mov gs,ax

; 清屏
;利用0x06号功能，上卷全部行，则可清屏。
; -----------------------------------------------------------
;INT 0x10   功能号:0x06	   功能描述:上卷窗口
;------------------------------------------------------
;输入：
;AH 功能号= 0x06
;AL = 上卷的行数(如果为0,表示全部)
;BH = 上卷行属性
;(CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置
;(DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置
;无返回值：
   mov     ax, 0600h
   mov     bx, 0700h
   mov     cx, 0                   ; 左上角: (0, 0)
   mov     dx, 184fh		   ; 右下角: (80,25),
				   ; 因为VGA文本模式中，一行只能容纳80个字符,共25行。
				   ; 下标从0开始，所以0x18=24,0x4f=79
   int     10h                     ; int 10h

      ; 输出字符串:1 MBR
   mov byte [gs:0x00],'M'
   mov byte [gs:0x01],0xA4

   mov byte [gs:0x02],'B'
   mov byte [gs:0x03],0xA4

   mov byte [gs:0x04],'R'
   mov byte [gs:0x05],0xA4	   ;A表示绿色背景闪烁，4表示前景色为红色

   mov byte [gs:0x06],'-'
   mov byte [gs:0x07],0xA4

   mov byte [gs:0x08],'l'
   mov byte [gs:0x09],0xA4
   
   mov byte [gs:0x0a],'u'
   mov byte [gs:0x0b],0xA4

   mov byte [gs:0x0c],'o'
   mov byte [gs:0x0d],0xA4

   mov byte [gs:0x0e],'h'
   mov byte [gs:0x0f],0xA4

   mov byte [gs:0x10],'a'
   mov byte [gs:0x11],0xA4

   mov byte [gs:0x12],'o'
   mov byte [gs:0x13],0xA4

   mov byte [gs:0x14],'j'
   mov byte [gs:0x15],0xA4

   mov byte [gs:0x16],'i'
   mov byte [gs:0x17],0xA4

   mov byte [gs:0x18],'a'
   mov byte [gs:0x19],0xA4
	 
   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（一个扇区）
  
   jmp LOADER_BASE_ADDR + 0x300
       
;-------------------------------------------------------------------------------
;功能:读取硬盘n个扇区
rd_disk_m_16:	   
;-------------------------------------------------------------------------------
				       ; eax=LBA扇区号
				       ; ebx=将数据写入的内存地址
				       ; ecx=读入的扇区数
      mov esi,eax	  ;备份eax
      mov di,cx		  ;备份cx
;读写硬盘:
;第1步：设置要读取的扇区数
      mov dx,0x1f2
      mov al,cl
      out dx,al            ;读取的扇区数

      mov eax,esi	   ;恢复ax

;第2步：将LBA地址存入0x1f3 ~ 0x1f6

      ;LBA地址7~0位写入端口0x1f3
      mov dx,0x1f3                       
      out dx,al                          

      ;LBA地址15~8位写入端口0x1f4
      mov cl,8
      shr eax,cl
      mov dx,0x1f4
      out dx,al

      ;LBA地址23~16位写入端口0x1f5
      shr eax,cl
      mov dx,0x1f5
      out dx,al

      shr eax,cl
      and al,0x0f	   ;lba第24~27位
      or al,0xe0	   ; 设置7～4位为1110,表示lba模式
      mov dx,0x1f6
      out dx,al

;第3步：向0x1f7端口写入读命令，0x20 
      mov dx,0x1f7
      mov al,0x20                        
      out dx,al

;第4步：检测硬盘状态
  .not_ready:
      ;同一端口，写时表示写入命令字，读时表示读入硬盘状态
      nop
      in al,dx
      and al,0x88	   ;第4位为1表示硬盘控制器已准备好数据传输，第7位为1表示硬盘忙
      cmp al,0x08
      jnz .not_ready	   ;若未准备好，继续等。

;第5步：从0x1f0端口读数据
      mov ax, di
      mov dx, 256
      mul dx
      mov cx, ax	   ; di为要读取的扇区数，一个扇区有512字节，每次读入一个字，
			   ; 共需di*512/2次，所以di*256
      mov dx, 0x1f0
  .go_on_read:
      in ax,dx
      mov [bx],ax
      add bx,2		  
      loop .go_on_read
      ret

   times 510-($-$$) db 0
   db 0x55,0xaa

loader.S

   %include "boot.inc"
   section loader vstart=LOADER_BASE_ADDR
   LOADER_STACK_TOP equ LOADER_BASE_ADDR
   
;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:  dd    0x0000FFFF
		     dd    DESC_DATA_HIGH4

   VIDEO_DESC: dd    0x80000007	       ; limit=(0xbffff-0xb8000)/4k=0x7
	       dd    DESC_VIDEO_HIGH4  ; 此时dpl为0

   GDT_SIZE   equ   $ - GDT_BASE
   GDT_LIMIT   equ   GDT_SIZE -	1 
   times 60 dq 0					 ; 此处预留60个描述符的空位(slot)
   SELECTOR_CODE equ (0x0001<<3) + TI_GDT + RPL0         ; 相当于(CODE_DESC - GDT_BASE)/8 + TI_GDT + RPL0
   SELECTOR_DATA equ (0x0002<<3) + TI_GDT + RPL0	 ; 同上
   SELECTOR_VIDEO equ (0x0003<<3) + TI_GDT + RPL0	 ; 同上 

   ; total_mem_bytes用于保存内存容量,以字节为单位,此位置比较好记。
   ; 当前偏移loader.bin文件头0x200字节,loader.bin的加载地址是0x900,
   ; 故total_mem_bytes内存中的地址是0xb00.将来在内核中咱们会引用此地址
   total_mem_bytes dd 0					 
   ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

   ;以下是定义gdt的指针，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

   ;人工对齐:total_mem_bytes4字节+gdt_ptr6字节+ards_buf244字节+ards_nr2,共256字节
   ards_buf times 244 db 0
   ards_nr dw 0		      ;用于记录ards结构体数量

   loader_start:
   
;-------  int 15h eax = 0000E820h ,edx = 534D4150h ('SMAP') 获取内存布局  -------

   xor ebx, ebx		      ;第一次调用时，ebx值要为0
   mov edx, 0x534d4150	      ;edx只赋值一次，循环体中不会改变
   mov di, ards_buf	      ;ards结构缓冲区
.e820_mem_get_loop:	      ;循环获取每个ARDS内存范围描述结构
   mov eax, 0x0000e820	      ;执行int 0x15后,eax值变为0x534d4150,所以每次执行int前都要更新为子功能号。
   mov ecx, 20		      ;ARDS地址范围描述符结构大小是20字节
   int 0x15
   jc .e820_failed_so_try_e801   ;若cf位为1则有错误发生，尝试0xe801子功能
   add di, cx		      ;使di增加20字节指向缓冲区中新的ARDS结构位置
   inc word [ards_nr]	      ;记录ARDS数量
   cmp ebx, 0		      ;若ebx为0且cf不为1,这说明ards全部返回，当前已是最后一个
   jnz .e820_mem_get_loop

;在所有ards结构中，找出(base_add_low + length_low)的最大值，即内存的容量。
   mov cx, [ards_nr]	      ;遍历每一个ARDS结构体,循环次数是ARDS的数量
   mov ebx, ards_buf 
   xor edx, edx		      ;edx为最大的内存容量,在此先清0
.find_max_mem_area:	      ;无须判断type是否为1,最大的内存块一定是可被使用
   mov eax, [ebx]	      ;base_add_low
   add eax, [ebx+8]	      ;length_low
   add ebx, 20		      ;指向缓冲区中下一个ARDS结构
   cmp edx, eax		      ;冒泡排序，找出最大,edx寄存器始终是最大的内存容量
   jge .next_ards
   mov edx, eax		      ;edx为总内存大小
.next_ards:
   loop .find_max_mem_area
   jmp .mem_get_ok

;------  int 15h ax = E801h 获取内存大小,最大支持4G  ------
; 返回后, ax cx 值一样,以KB为单位,bx dx值一样,以64KB为单位
; 在ax和cx寄存器中为低16M,在bx和dx寄存器中为16MB到4G。
.e820_failed_so_try_e801:
   mov ax,0xe801
   int 0x15
   jc .e801_failed_so_try88   ;若当前e801方法失败,就尝试0x88方法

;1 先算出低15M的内存,ax和cx中是以KB为单位的内存数量,将其转换为以byte为单位
   mov cx,0x400	     ;cx和ax值一样,cx用做乘数
   mul cx 
   shl edx,16
   and eax,0x0000FFFF
   or edx,eax
   add edx, 0x100000 ;ax只是15MB,故要加1MB
   mov esi,edx	     ;先把低15MB的内存容量存入esi寄存器备份

;2 再将16MB以上的内存转换为byte为单位,寄存器bx和dx中是以64KB为单位的内存数量
   xor eax,eax
   mov ax,bx		
   mov ecx, 0x10000	;0x10000十进制为64KB
   mul ecx		;32位乘法,默认的被乘数是eax,积为64位,高32位存入edx,低32位存入eax.
   add esi,eax		;由于此方法只能测出4G以内的内存,故32位eax足够了,edx肯定为0,只加eax便可
   mov edx,esi		;edx为总内存大小
   jmp .mem_get_ok

;-----------------  int 15h ah = 0x88 获取内存大小,只能获取64M之内  ----------
.e801_failed_so_try88: 
   ;int 15后，ax存入的是以kb为单位的内存容量
   mov  ah, 0x88
   int  0x15
   jc .error_hlt
   and eax,0x0000FFFF
      
   ;16位乘法，被乘数是ax,积为32位.积的高16位在dx中，积的低16位在ax中
   mov cx, 0x400     ;0x400等于1024,将ax中的内存容量换为以byte为单位
   mul cx
   shl edx, 16	     ;把dx移到高16位
   or edx, eax	     ;把积的低16位组合到edx,为32位的积
   add edx,0x100000  ;0x88子功能只会返回1MB以上的内存,故实际内存大小要加上1MB

.mem_get_ok:
   mov [total_mem_bytes], edx	 ;将内存换为byte单位后存入total_mem_bytes处。


;-----------------   准备进入保护模式   -------------------
;1 打开A20
;2 加载gdt
;3 将cr0的pe位置1

   ;-----------------  打开A20  ----------------
   in al,0x92
   or al,0000_0010B
   out 0x92,al

   ;-----------------  加载GDT  ----------------
   lgdt [gdt_ptr]

   ;-----------------  cr0第0位置1  ----------------
   mov eax, cr0
   or eax, 0x00000001
   mov cr0, eax

   jmp dword SELECTOR_CODE:p_mode_start	     ; 刷新流水线，避免分支预测的影响,这种cpu优化策略，最怕jmp跳转，
					     ; 这将导致之前做的预测失效，从而起到了刷新的作用。
.error_hlt:		      ;出错则挂起
   hlt

[bits 32]
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

 ; 创建页目录及页表并初始化页内存位图
   call setup_page

   ;要将描述符表地址及偏移量写入内存gdt_ptr,一会用新地址重新加载
   sgdt [gdt_ptr]	      ; 存储到原来gdt所有的位置

   ;将gdt描述符中视频段描述符中的段基址+0xc0000000
   mov ebx, [gdt_ptr + 2]  
   or dword [ebx + 0x18 + 4], 0xc0000000      ;视频段是第3个段描述符,每个描述符是8字节,故0x18。
					      ;段描述符的高4字节的最高位是段基址的31~24位

   ;将gdt的基址加上0xc0000000使其成为内核所在的高地址
   add dword [gdt_ptr + 2], 0xc0000000

   add esp, 0xc0000000        ; 将栈指针同样映射到内核地址

   ; 把页目录地址赋给cr3
   mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS
   mov cr3, eax

   ; 打开cr0的pg位(第31位)
   mov eax, cr0
   or eax, 0x80000000
   mov cr0, eax

   ;在开启分页后,用gdt新的地址重新加载
   lgdt [gdt_ptr]             ; 重新加载

   mov byte [gs:160], 'V'     ;视频段段基址已经被更新,用字符v表示virtual addr
   mov byte [gs:162], '-' 
   mov byte [gs:164], 'l' 
   mov byte [gs:166], 'u' 
   mov byte [gs:168], 'o' 
   mov byte [gs:170], 'h' 
   mov byte [gs:172], 'a' 
   mov byte [gs:174], 'o' 
   mov byte [gs:176], 'j' 
   mov byte [gs:178], 'i'
   mov byte [gs:180], 'a'  

   jmp $

;-------------   创建页目录及页表   ---------------
setup_page:
;先把页目录占用的空间逐字节清0
   mov ecx, 4096
   mov esi, 0
.clear_page_dir:
   mov byte [PAGE_DIR_TABLE_POS + esi], 0
   inc esi
   loop .clear_page_dir

;开始创建页目录项(PDE)
.create_pde:				     ; 创建Page Directory Entry
   mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS
   add eax, 0x1000 			     ; 此时eax为第一个页表的位置及属性
   mov ebx, eax				     ; 此处为ebx赋值，是为.create_pte做准备，ebx为基址。

;   下面将页目录项0和0xc00都存为第一个页表的地址，
;   一个页表可表示4MB内存,这样0xc03fffff以下的地址和0x003fffff以下的地址都指向相同的页表，
;   这是为将地址映射为内核地址做准备
   or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P	     ; 页目录项的属性RW和P位为1,US为1,表示用户属性,所有特权级别都可以访问.
   mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0x0], eax       ; 第1个目录项,在页目录表中的第1个目录项写入第一个页表的位置(0x101000)及属性(7)
   mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0xc00], eax     ; 一个页表项占用4字节,0xc00表示第768个页表占用的目录项,0xc00以上的目录项用于内核空间,
					     ; 也就是页表的0xc0000000~0xffffffff共计1G属于内核,0x0~0xbfffffff共计3G属于用户进程.
   sub eax, 0x1000
   mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 4092], eax	     ; 使最后一个目录项指向页目录表自己的地址

;下面创建页表项(PTE)
   mov ecx, 256				     ; 1M低端内存 / 每页大小4k = 256
   mov esi, 0
   mov edx, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P	     ; 属性为7,US=1,RW=1,P=1
.create_pte:				     ; 创建Page Table Entry
   mov [ebx+esi*4],edx			     ; 此时的ebx已经在上面通过eax赋值为0x101000,也就是第一个页表的地址 
   add edx,4096
   inc esi
   loop .create_pte

;创建内核其它页表的PDE
   mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS
   add eax, 0x2000 		     ; 此时eax为第二个页表的位置
   or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P  ; 页目录项的属性US,RW和P位都为1
   mov ebx, PAGE_DIR_TABLE_POS
   mov ecx, 254			     ; 范围为第769~1022的所有目录项数量
   mov esi, 769
.create_kernel_pde:
   mov [ebx+esi*4], eax
   inc esi
   add eax, 0x1000
   loop .create_kernel_pde
   ret

include/boot.inc

;-------------	 loader和kernel   ----------

LOADER_BASE_ADDR equ 0x900 
LOADER_START_SECTOR equ 0x2
KERNEL_BIN_BASE_ADDR equ 0x70000
KERNEL_IMAGE_BASE_ADDR  equ   0x1500
KERNEL_START_SECTOR equ 0x9

PAGE_DIR_TABLE_POS equ 0x100000

;--------------   gdt描述符属性  -------------
DESC_G_4K   equ	  1_00000000000000000000000b   
DESC_D_32   equ	   1_0000000000000000000000b
DESC_L	    equ	    0_000000000000000000000b	;  64位代码标记，此处标记为0便可。
DESC_AVL    equ	     0_00000000000000000000b	;  cpu不用此位，暂置为0  
DESC_LIMIT_CODE2  equ 1111_0000000000000000b
DESC_LIMIT_DATA2  equ DESC_LIMIT_CODE2
DESC_LIMIT_VIDEO2  equ 0000_000000000000000b
DESC_P	    equ		  1_000000000000000b
DESC_DPL_0  equ		   00_0000000000000b
DESC_DPL_1  equ		   01_0000000000000b
DESC_DPL_2  equ		   10_0000000000000b
DESC_DPL_3  equ		   11_0000000000000b
DESC_S_CODE equ		     1_000000000000b
DESC_S_DATA equ	  DESC_S_CODE
DESC_S_sys  equ		     0_000000000000b
DESC_TYPE_CODE  equ	      1000_00000000b	;x=1,c=0,r=0,a=0 代码段是可执行的,非依从的,不可读的,已访问位a清0.  
DESC_TYPE_DATA  equ	      0010_00000000b	;x=0,e=0,w=1,a=0 数据段是不可执行的,向上扩展的,可写的,已访问位a清0.

DESC_CODE_HIGH4 equ (0x00 << 24) + DESC_G_4K + 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_4K + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_LIMIT_DATA2 + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA + 0x00
DESC_VIDEO_HIGH4 equ (0x00 << 24) + DESC_G_4K + 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


;----------------   页表相关属性    --------------
PG_P  equ   1b
PG_RW_R	 equ  00b 
PG_RW_W	 equ  10b 
PG_US_S	 equ  000b 
PG_US_U	 equ  100b 

makefile

注意这里要设置count=3

.PHONY:build burn

mbr_source=boot/mbr.S
mbr_target=boot/mbr.bin
loader_source=boot/loader.S
loader_target=boot/loader.bin
hard_disk=/home/lhj/Public/bochs/bin/hd60M.img

build:
		nasm -I boot/include/ -o $(mbr_target) $(mbr_source)
		nasm -I boot/include/ -o $(loader_target) $(loader_source)
burn:
		dd if=$(mbr_target) of=$(hard_disk) bs=512 count=1 conv=notrunc
		dd if=$(loader_target) of=$(hard_disk) bs=512 count=3 seek=2 conv=notrunc

一键运行

查看虚拟地址向物理地址的映射情况+查看cr0寄存器中的PG位是否开启

输入info tag 和 creg