从裸机启动开始运行一个C++程序（六）
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从裸机启动开始运行一个C++程序（五）
从裸机启动开始运行一个C++程序（四）
从裸机启动开始运行一个C++程序（三）
从裸机启动开始运行一个C++程序（二）
从裸机启动开始运行一个C++程序（一）
从8086到80286
我们知道8086有20位地址总线，而80286有24位地址总线。因此，如果按照8086的寻址方式，即便是我们打开了A20M，也只是最多能达到21位的寻址空间。那么如何利用好这24位地址总线呢？
比较容易想到的一种方案是这样的。既然在8086里，我们是通过2个16位寄存器拼出一个20位地址的，那么，稍微改变一下偏移的策略，也是可以用2个16位寄存器拼出一个24位地址的嘛。也就是说段地址偏移8位（不再是4位）再加上偏移地址就好了。
上面这种方法确实可以简单地解决问题，但在80286诞生的时候，8086已经有相当一部分市场了，如果这时Intel推出一款新的处理器是新的寻址方式的话，就无法兼容现有的软件。因此，要想让8086的软件能够正常在80286上运行，80286就需要一种向下兼容的运行模式，也就是8086模式，在这种模式下，要按照8086的寻址方式来工作。
不过照理说，这样也不冲突，8086模式下我们按偏移4位的方式，286模式下我们按偏移8位的方式，也可以解决问题，但Intel并没有选择这样做，原因其实是在于恶意软件的防范（通俗的说法就是防病毒）。
在8086上，由于段寄存器是可以随便填写的，所有的程序都拥有最高权限，都可以访问任意的内存空间。随着计算机功能的不断扩充，逐渐也就不满足于单进程的运行方式了，那么，就需要引入操作系统的概念，区分「内核进程」和「用户进程」，让每个程序只能操作自己的一亩三分地，不能越权。因此，Intel就在80286上引入了这种保护基址，通过将内存分段，并且给每个段分配一个地址范围和操作权限。OS负责统筹段的选择，在进入用户进程之前，配置好对应的段，然后再执行用户进程，这样，用户进程的执行过程中就无法跨段操作，从而保证程序安全。
既然分段，还要额外配置段的范围以及权限，那么显然这个内容就不是一个简单的段地址这么简单了，因此，在286模式下，「段寄存器」就不能简简单单只保存一个段基址了，因为这样的信息是不够的。
286模式的解决方法，是把「段配置」这样的配置信息存在内存中，包括需要分几个段，每个段的首地址、末地址是多少，段的权限是怎样的。然后，把需要使用的段的序号传入段寄存器。寻址时，会首先根据段寄存器中保存的段序号找到对应的段基址，然后用基址加上偏移地址得到物理地址。之后，会根据段配置的权限，对当前操作指令进行合法性判断，例如对于只读的段来说，如果遇到写入操作，那么就会认为操作非法，从而触发系统中断。
大致的过程就是上述的这样，我们把段寄存器中保存的段序号称为「段选择子」，而这种通过段的提前配置，然后用段选择子+偏移地址的这种寻址方式称为「保护模式」，与之对应的原本8086的寻址方式则被称为「实模式」。
所以，在进入保护模式之前，我们得先配置一份段的描述表，否则进入保护模式后寻址会出问题的。
全局描述表
全局描述表，又称GDT（Global Descriptor Table），就是用来配置我们的内存要如何分段的数据表。
由于目前我们还在实模式下，所以，咱们也只能在当前可用的内存中间中，找一个地方，来放GDT，这里，我们就暂且选择0x7e00这个位置，以后进入保护模式后可以再更换。
从0x7e00位置开始，每8个字节配置1个段，并且要求最开头的段（0号段）强制为空（为什么要强制为空呢？当程序发生不合法的短访问时，系统中断会使得段寄存器强制归零，那么此时相当于选择了0号段，因此，0号段必须是一个不合法的段才行。）
之后，每一个段的配置要符合下面的描述表：
| 内存偏移量（bit） | 符号 | 解释 |
|---|---|---|
| 0~15 | Limit | 段界限 |
| 16~39 | Base | 段基址 |
| 40 | A | 访问位 |
| 41~43 | Type | 描述符类型 |
| 44 | S | 系统/数据 |
| 45~46 | DPL | 权限级别 |
| 47 | P | 存在位 |
| 48~63 | AVL | 保留位 |
分别解释一下，首先，段界限Limit很好理解，就是当前这个段的大小，不过这里跟我们通常意义上理解的「大小」有一点区别，它想表明的是「段的最后一个字节的偏移量」，也就是说，这个值仍然在段内，只不过是段的最后一个字节。所以，Limit跟我们理解的Size其实差了1个字节。举例来说，如果我们希望这个段的大小是1KB，那么Limit应该填1023或者0x3ff而不是1024。
段基址Base就不用说了，就是这个段的首地址对应的内存大小。由于80286是24位地址空间，所以段基址也应该是个24位的内存地址。
访问位A可以理解为OS用作段访问标记的，用来让OS统计段的访问频率，以及虚拟内存策略使用。所以这一位对我们目前来说没有什么用途，填0就好。
子类型Type用于表示当前这个段的作用，Type内的3位分别叫做X``E``W，X和W这两个用过Unix的小伙伴一定很熟悉，分别表示「可执行」「可写」。如果X为0，那么当前段只能存数据，而不能用作执行指令。如果W为0，那么当前段只读，不可更改。
而E则表示段扩展方向，如果E=0则表示向高地址扩展，E=1表示向低地址扩展，不过目前我们暂时还不用考虑段的扩展问题，所以都默认填0就好。
S位表示这个段是否是「系统段」，系统段也是依赖于OS的概念，目前我们用不到，所以默认填0，表示他是普通的段。
DPL是权限等级，占2位，所以就是说一共可以划分4个等级，0位最高权限等级，3是最低等级。我们目前还是需要一个高权限来控制内核的，所以这里也应当填0。
P是存在位，或者也可以理解成「使能」位，如果P为0，则当前段失效。为1时当前段有效。这个主要是做虚拟内存进出策略时用到的，我们当前应当保证P为1。
最后的AVL是保留位，在80286模式下没有用处，我们留白即可。
那么，按照上述描述，咱们就可以着手配置一个段表了，代码如下：
; 下面配置GDT
mov ax, 0x07e0
mov es, ax
; 空白段
mov [es:0x00], dword 0
mov [es:0x04], dword 0
; 1号段
; 基址0x8000，大小8KB
mov [es:0x08], word 0x1fff ; Limit=0x1fff
mov [es:0x0a], word 0x8000 ; Base=0x008000，这是低16位
mov [es:0x0c], byte 0 ; 这是Base的高8位
mov [es:0x0d], byte 1_00_1_100_0b ; P=1, DPL=0, S=1, Type=100b, A=0
mov [es:0x0e], word 0 ; 预留位，先填0
大家着重看一下这里的1号段，由于我们当前的目的并不是像OS那样做特别合理的段规划，因此，咱们暂时就配一个超管段，然后进入保护模式即可。我们就选取0x8000作为基址，配一个8KB的可写、可执行的段。
那么配置好的GDT，还需要想办法让它生效才行。80286提供了一个48位寄存器，用于存储GDT的配置，这个寄存器叫做GDTR，它的低16位表示GDT的界限（也就是limit逻辑，总长度-1），16~35位表示GDT的首地址，36~47位预留。
| 地址 | 符号 | 说明 |
|---|---|---|
| 0~15 | GDT Limit | GDT的限度（长度-1） |
| 16~35 | GDT Base | GDT的首地址 |
| 36~47 | AVL | 预留位 |
我们来看代码：
; 下面是gdt信息的配置（暂且放在0x07f00的位置）
mov ax, 0x07f0
mov ex, ax
mov [es:0x00], word 15 ; 因为目前配了2个段，长度为16，所以limit为15
mov [es:0x02], dword 0x7e00 ; GDT配置表的首地址
; 把gdt配置进gdtr
lgdt [es:0x00]
最后用lgdt命令，把数据存入GDTR中，那么GDT就配置完毕了。
不过，当前我们仅仅是配置了GDT，但机器仍然还在8086模式下，所以它暂时还是没什么用的，我们需要切换机器的运行模式。
注意这里，我的措辞是「8086模式」「切换模式」，原因很简单，因为我们现在并不是真的在用8086的CPU，甚至也不是80286的CPU，咱们模拟器的是一个AMD64架构的CPU，因此8086模式也好，286模式也好，都只是它的一种工作模式罢了。不过也正因如此，我们才能做切换，要是真的是8086的CPU的话，你无论如何也没法切换成286的。
那么，如何切换至286模式呢？其实在CPU内部，有一个控制寄存器，叫做MSW，说是寄存器，其实就是控制开关啦，只要我们改变其中某些位的数值，就可以改变CPU的运行状态。MSW的最后一位就表示了寻址方式，计算机启动时它是默认至0的，这是寻址方式为8086方式（也就是实模式），当我们把它切为1的时候，就会切换至286模式（也就是保护模式）。
但另一个很难受的问题在于，80286的MSW这个16位控制寄存器仅出现在了80286这款CPU上，到了80386的时候就淘汰了，所以，目前的x86汇编器都很难支持这个操作这个寄存器的指令。原本笔者是想让大家体验一把「纯粹」的286，但出于这个原因，无奈，我们还是只能用更「高档」的语法来实现这个功能。
其实MSW寄存器在80386上，成为了CR0寄存器的一部分。在80386上，CR0是一个控制寄存器，32位的，而它的低16位正好对应了MSW的功能。所以，我们更改CR0的最后一位，同样也可以切换至保护模式。只不过这里就不得不提前让我们来操作32位寄存器了，希望读者体谅，并且了解这步操作并不是80286的，而是我们当前的环境是AMD64模拟器，不得已而为之的，代码如下：
mov eax, cr0
or eax, 0x01 ; PE位置1，启动保护模式
mov cr0, eax
说明一下，eax是32位通用寄存器，它的低16位就是ax，这同样也是80386才支持的寄存器，我们此刻也只是无奈来使用一下它，希望读者悉知。
那么，当CR0被改变的那一刹那开始，CPU就进入保护模式了，那这个时候最大的问题就是，当前我们的CS寄存器里还是原来的数据，也就是段基址。我们得给他变成段选择子才行，而CS寄存器又不能直接改写，那怎么办呢？答案很简单，用远跳指令来强制刷新段寄存器，代码如下：
jmp 00001_00_0b:0 ; 远跳指令可以刷新cs，使用1号段
目前读者理解到这里就好，下一节我们会用一个完整的实例来演示。
小结
本节主要介绍了80286的保护模式和一些历史情况，最后通过汇编指令进入了保护模式。
下一节我们会把这些知识点结合起来，用一个完整实例，并且还会在保护模式中执行一些代码。
从裸机启动开始运行一个C++程序（七）