从裸机启动开始运行一个C++程序（十三）

前序文章请看：
从裸机启动开始运行一个C++程序（十二）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十一）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十）
从裸机启动开始运行一个C++程序（九）
从裸机启动开始运行一个C++程序（八）
从裸机启动开始运行一个C++程序（七）
从裸机启动开始运行一个C++程序（六）
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）

图形模式

我们前面章节所有的指令，都是在显卡的文字模式下运行的，通过给显存中直写字符的方式来输出文字。

照理说，保持着文字模式我们也可以进入IA-32e模式并执行64位指令，但我们最终的目标是运行C++程序，为了可以更好地发挥C++的作用，笔者打算后续用C++实现一套简单的UI绘制API，因此，咱们需要使用图形模式。

回到MBR

我们在MBR中首先有这么一段指令：

; 调用0x10号BIOS中断，清屏
mov al, 0x03
mov ah, 0x00
int 0x10 

当时笔者一直将它解释位清屏，其实0x10中断的威力远不如此，al中配置的0x03其实是让显卡进入文字模式。由于我们发起此终端是让显卡重新进入了一次文字模式，因此显存会被重新初始化，进而达到的清屏的目的。

那么我们此时还可以调用这个中断，让显卡进入图形模式。当然，图形模式中有不同的分辨率、色域等等，这些需要显卡的支持。但它们有一套VGA标准模式，是所有显卡都会支持的，我们这里选择通用模式中配置最高模式，这个模式下支持320×200分辨率，256色。开启此模式的方法很简单，只需要让al为0x13，然后调用0x10中断即可开启。我们把MBR最前面的清屏指令改成下面这样：

; 开启320*200分辨率256色图形模式(此时显存0xa0000~0xaf9ff)
mov al, 0x13
mov ah, 0x00
int 0x10 

由于此模式下，显存也发生了改变，所以我们把GDT中，显存对应的2号段也做对应的更改：

; 2号段
; 基址0xa0000，上限0xaf9ff，覆盖所有显存
mov [es:0x10], word 0xf9ff ; Limit=0x00f9ff，这是低16位
mov [es:0x12], word 0x0000 ; Base=0x0a0000，这是低16位
mov [es:0x14], byte 0x0a   ; 这是Base的高8位
mov [es:0x15], byte 1_00_1_001_0b ; P=1, DPL=0, S=1, Type=001b, A=0
mov [es:0x16], byte 0_1_00_0000b  ; G=0, D/B=1, AVL=00, Limit的高4位是0000
mov [es:0x17], byte 0      ; 这是Base的高8位

图形模式的像素点阵

当然，在此模式下，显存不再被解释为ASCII了，而是每个字节表示一个像素点的颜色。既然是一个字节，自然也就支持一共256种颜色。这256种颜色理论上可以自行通过调色盘来进行更改的，但我们为了简化问题，就使用默认的这256种颜色。

这256种颜色如下：

上图是按16×16来排布的，因此用十六进制很好找，比如说0x46就是上图中第五行的第七个颜色（0起始）。

当进入了图形模式后，原本我们写的一些g_cursor_info之类的东西肯定是都不适用了，而且也没办法直接输出文字。不过在此之前，我们还是先来验证一下是否正常启用了图形模式，咱们在主函数中设置一些像素点的颜色看看效果：

void Entry() {
  for (int i = 0; i < 200; i++) {
    for (int j = 0; j < 320; j++) {
      int offset = i * 320 + j;
      SetVMem(offset, j & 0x0f); // 纵向条纹
    }
  }
}

执行效果如下：

虽然看着有点晕，但至少说明我们图形模式是OK了。趁热打铁，咱们写一些工具，用于在图形模式上绘制点和矩形：

#include 
extern void SetVMem(long addr, uint8_t data);

// 设置画布（背景色）
void SetBackground(uint8_t color) {
  for (int i = 0; i < 320 * 200; i++) {
    SetVMem(i, color);
  }
}

// 画一个点
void DrawPoint(int x, int y, uint8_t color) {
  SetVMem(y * 320 + x, color);
}

// 画一个矩形
void DrawRect(int x, int y, int width, int length, uint8_t color) {
  for (int i = 0; i < width; i++) {
    for (int j = 0; j < length; j++) {
      DrawPoint(x + i, y + j, color);
    }
  }
}

void Entry() {
  // 背景设置为白色
  SetBackground(0x0f);
  // 画两个矩形
  DrawRect(50, 30, 40, 40, 0x28); // 红色正方形
  DrawRect(85, 20, 10, 30, 0x30); // 绿色条状
}

运行效果如下：

可以看到，图形之间的遮盖关系也是符合我们预期的，绿色的会覆盖红色的部分，因为它的代码更靠后。

字体文件

那么，图形模式下我们要想输出文字该怎么办？这时候就需要将文字转换为点阵集，也就是绘制字体。

举例来说，对于'A'字符，我们可以绘制一个8×16的点阵：

{
  0b00000000,
  0b00011000,
  0b00011000,
  0b00011000,
  0b00011000,
  0b00100100,
  0b00100100,
  0b00100100,
  0b00100100,
  0b01111110,
  0b01000010,
  0b01000010,
  0b01000010,
  0b11100111,
  0b00000000,
  0b00000000,
}

上面字体配置中，按照二进制位来表示当前这个像素要不要渲染。比如我们可以尝试一下：

// 绘制字符
void DrawCharacter(int x, int y, char ch, uint8_t color) {
  // 目前无视ch，只绘制'A'
  (void)ch;
  uint8_t font[] = {
    0b00000000,
    0b00011000,
    0b00011000,
    0b00011000,
    0b00011000,
    0b00100100,
    0b00100100,
    0b00100100,
    0b00100100,
    0b01111110,
    0b01000010,
    0b01000010,
    0b01000010,
    0b11100111,
    0b00000000,
    0b00000000,
  };
  // 开始绘制
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    for (int j = 0; j < 8; j++) {
      // 如果当前位置是否需要渲染，则设置颜色
      if (font[i] & (1 << (7 - j))) {
        SetVMem(x + j + (y + i) * 320, color);
      }
    }
  }
}

void Entry() {
  // 背景设置为白色
  SetBackground(0x0f);
  // 写个字符
  DrawCharacter(50, 50, 'A', 0x30); // 绿色的A
}

运行结果如下：

因此，如法炮制，我们只需要设置其他的字符的字体即可。这里采用这样的方法，我们在工程中添加font.c，专门用于保存所有ASCII对应的绘制字体，然后再根据此方法去改造putchar函数，即可实现在图形模式中输出文本。

这里的相关代码会放在附件中（13-1），读者可以自行取用，正文中则不再赘述。不过这里需要注意，因为字体文件比较大，所以读盘的时候要多读几个扇区，否则字体文件装载不全，已经在附件中呈现，读者请自行检验。下面是运行效果：

分页机制

由于咱们现在一直都是在内核态上运行程序的，并没有任何用户态进程的存在，所以可能大家并没有这种体会。但是，我们设想一下，假如我们真的写了一个成熟的操作系统，这个操作系统不可能说把自己加载完了就hlt在那里了。我们肯定是要去操作它，让它执行其他的应用程序。

但只要你去执行一个应用程序，那么就要给这个应用程序去分配必要的内存。应用程序只能访问它这一片空间，而不能够越界。我们能想到最简单的办法就是给每一个进程分一个段，等它结束时再回收这个段，以便用于以后继续分配。

但这样一来有一个问题，随着越来越多的进程运行然后释放，我们的内存可能就被划分为了许多碎片，而段的分配是连续的，假如说明明此时可用空间是够的，但是连续的可用空间不足，那就没办法分段。

所以为了解决这个问题，386引入了「页机制」，简单来说，就是让程序使用「虚拟地址」，由对应的页地址部件将其转化为物理地址后再读入内存。而这种访问方式的最小单位是4KB，被称为「页」。换句话说，物理内存中只有4KB内是连续的，页之间可能是不连续的，但在用户程序看来，却是完全连续的，因为用户程序看到的是虚拟地址。

不过研究分页机制会跟本文的主题偏离，因此我们在这里不做过于详细的展开，读者只需要知道这一机制引入的原因，以及配置方法即可，我们的目的是进入IA-32e模式，然后执行64位的指令而已，还没必要大动干戈去调度用户程序。因此这里只会简单配置一个页表，然后让程序正常运行即可。

一个页是4KB，而且要求必须是4KB对其的，也就是说页的起始位置不可以是任意的，而必须是4KB的整数倍，也就是说地址的低12位都是0。而且，既然我们要管理这些页，内核至少要知道，当前分配了哪些页，他们的物理地址在哪里，一些内部配置是什么样的。这就需要我们来维护一张「页表」。

页表

页表中应当包含页的物理地址，以及一些其他的配置项。在IA-32模式中，一个页表项占4字节，详情如下：

二进制位	符号	意义
0	P	存在位
1	RW	只读or可写
2	US	权限级别
3	PWT	通写
4	PCD	高速缓存禁止
5	A	访问
6	D	脏页
7	PS	页尺寸
8	G	全局
9-11	AVL	保留位
12-31	Base(12-31)	页首地址的12-31位

由于页地址要求低12位必须为0，所以页表项中也只需要记录高20位即可，剩下的那12位留给了页的配置。由于我们不涉及内核调度的问题，因此很多配置项我们都可以忽略，只需要关注P和RW即可，其它项暂且都置0就好了。

但是这里有另一个问题，32位寻址空间最多有4GB，一个页是4KB，也就是说最多我们可以有1048576个页，而每个页表项占4字节，那么光是页表都要有4194304字节，也就是4MB的空间。

而实际情况是，计算机的物理内存可能根本没有这么大，很多页是虚拟的，在不用的时候可能被操作系统写入了硬盘中，等需要时再做换页，但它的页表项却是必须在内存中的，这就活活占用了4MB的死空间。在386那个年代可能物理内存也就几MB吧，这显然是不能接受的。

于是乎，我们想了一个办法，就是把页表进行分层，首先，我只占用4KB的大小，先做一个页目录，然后页目录项在指向一个子页表，页表中再去配置实际的页。这样一来有两个好处，第一，如果我只用到一少部分的页配置，我就不用占用太多空间，因为我可以选择只配置其中一部分页表。第二，页表本身也可以作为活跃的页，跟硬盘进行交换，所以内存中只有页目录这4KB的死空间被占用而已，这个大小是比较能接受的。

另一个问题就是，一但CPU开启分页模式后，通过段寄存器和偏移地址计算出的线性地址就不再是物理地址，而是要通过页的转换成为物理地址。但咱们现在内核已经加载进去了，开启分页模式之后，我们得保证后续指令能够正常运行，就得让这时的线性地址正好等于物理地址才行，否则经过转换后地址飞了，就不能正常执行后续指令了。因此，我们至少得把低1MB的空间都分好页，并且保证这些页是连续的，正好映射到物理内存中。而1MB的空间按照每页4KB来算的话，咱们得配256个页。

页配置

接下来，我们将在kernel.nas中配置页表，至于页表的位置无所谓，你选一个没有被占用的就好了，这里我们以0x20000为例。

不过既然要在0x20000这个位置写东西，咱们就得有个段来支持才行，索性我们就配一个0x0地址起始的辅助段，方便我们操作这部分空间。在MBR中添加：

; 4号段-辅助段
; 基址0x0000，上限0xfffff 
mov [es:0x20], word 0x00ff ; Limit=0x00ff，这是低16位
mov [es:0x22], word 0x0000 ; Base=0x0a0000，这是低16位
mov [es:0x24], byte 0x00   ; 这是Base的高8位
mov [es:0x25], byte 1_00_1_001_0b ; P=1, DPL=0, S=1, Type=001b, A=0
mov [es:0x26], byte 1_1_00_0000b  ; G=1, D/B=1, AVL=00, Limit的高4位是0000
mov [es:0x27], byte 0      ; 这是Base的高8位

同时记得修改GDT的长度：

; 下面是gdt信息的配置（暂且放在0x07f00的位置）
mov ax, 0x07f0
mov es, ax
mov [es:0x00], word 39      ; 因为目前配了5个段，长度为40，所以limit为39
mov [es:0x02], dword 0x7e00 ; GDT配置表的首地址

回到kernel.nas，按照之前的规划，0x20000~0x20fff的位置就是我们的页目录。由于咱们只需要配256个页，所以只需要用一张页表即可覆盖，那我们就选0x21000~0x21fff作为这个页表。

那么我们在页目录的起始配一个指向0x21000位置页表的页目录项，代码如下：

; 选取0x20000作为页目录的地址
; 从0x20000开始的4096字节都是页目录
; 页目录的第一项指向一个页表
; 页表范围是0x21_000~0x21_fff
mov [es:0x20000], word 00100001_000_0_0_0_0_0_0_0_1_1b ; P=1, RW=1, US=0, PWT=0, PCD=0, A=0, D=0, G=0, PAT=0, AVL=000, Base=0x00021_000（取前20位）

然后我们再来配置这张页表，由于要分256个页，所以我们通过一个循环来计算页首地址以及写入页表项，每次循环时，页的基址应该加4KB，配置项保持不变。让低1MB的内存空间正好映射到前256个页表项中，也就是把0x0~0xfff分给0号页，0x1000~0x1fff分给1号页，以此类推。代码如下：

; 接下来要把0x21000~0x213ff范围里的256个页表项进行配置(正好对应低1MB)
mov ecx, 256
mov ebx, 0x21000 ; 页表项地址
mov edx, 0x00000_003 ; 页表配置项值，从0地址开始

.l1:
  mov [es:ebx], edx
  add ebx, 4
  add edx, 0x0001_000 ; 相当于页物理地址+4KB
  loop .l1

配置好页表项后，还需要告诉CPU我们的页目录配置在哪里了，IA-32架构的CR3寄存器就是做这件事的，它用来保存页目录首地址。

; 将页目录首地址写入CR3寄存器中
mov eax, 00100000_00000000_0_0_00b ; PCD=0, PWT=0, BASE=0x00020_000
mov cr3, eax

做好一切准备后，我们就可以开启分页模式了，开启分页模式的方法是更改CR0的第31位（也就是最高位），将其置1，然后CPU就会立即进入分页模式。

; 开启CR0的第31位（最高位）以开启分页机制
mov eax, cr0
or eax, 0x80000000
mov cr0, eax 

我们保持后续所有流程不变，如果还能正常看到输出，证明我们的分页是没问题的。

到此步为止的实例代码，笔者会放在附件中(13-2)，读者可自行参考。

AMD64模式

目前咱们已经做好了万全的准备，接下来我们就是要进军64位了。在此之前我们来介绍一下相关背景知识。

IA-32e架构

笔者在前面章节曾经介绍过IA-64和AMD64的爱恨情仇，AMD64架构是由AMD最先提出，在IA-32架构的基础上进行扩展的64位指令集，向下兼容IA-32模式，但IA-64并不兼容IA-32。由于它是由IA-32模式扩展来的，并且兼容IA-32，因此这种工作模式也被称作IA-32e（IA-32 Extension）模式，或IA-32扩展模式。

首先是硬件扩充，原本的一些寄存器被重新扩展至64位，并以r开头（re-extend，再次扩展的意思），例如rax，它的低32位就是eax。除此之外，该架构还额外提供了8个通用寄存器，分别命名为r8~r15。它们也可以拆出32位寄存器来用，例如r8的低32位是r8d，低16位是r8w，低8位是r8b。

rax,rbx,rcx,rdx寄存器结构示意图如下：

rsp,rbp,rsi,rdi寄存器结构示意图如下：

r8~r15寄存器结构示意图如下：

相信大家用起来都不会太陌生。与此同时，ip也扩展位rip，用于加载64位指令。

接下来的问题就是，如何使CPU进入IA-32e模式，并执行64位指令？这里还有一段路程要走，大家稍安勿躁。

4层分页

我们知道IA-32e模式是要支持64位指令的，同时也拥有理论64位的寻址空间，最大支持16EB的内存空间。倘若说这玩意我们还是按4KB来分页，页表又要炸掉了。由于要支持64位地址，因此这时的页表项也被扩充到8字节，低12位的含义不变，只是向上多扩展了32位用于表示页地址的。也正因如此，现在一个页表里最多只能配512个页了，页表更加得炸。

所以，之前的2层分页就不满足要求了，IA-32e模式提供了4层分页的方式，顾名思义就是从最初的页目录到最后的页表最多有4级。这4层分别被叫做PML4,PDPT,PDT,PT。

刚才我用了「最多」这个词，也就是说，我们不一定真的分4层，也可以在2层或者3层就截止，再哪层截止决定了页的大小。

这里的逻辑是，假如我们真的配置到了PT层，那么它指向的页就是4KB的，正常来说PDT层的项应当指向一个PT层表才对，但如果这时我们不让他再继续分级，而是直接指向页的话，这个页的大小就是2MB（相当于这2MB不再细分成512个4KB的页了，而是直接作为一个页）。

同理，如果我们直接在PDT层就直接指向页的话，那么这一个页就是1GB，相当于1GB不再细分成512个2MB的页。

那么如何表示当前页表项是指向实际页呢，还是指向下一个层级的页表呢？这就用到了PS位，当PS为1时，表示它指向下一级页表，为0时表示直接指向页。

由于我们当前就利用前1MB的空间就够了，所以，咱们就选择按2MB大小分页，这样只需要分1个页就够用了，所以，我们配置页表只到PDT层，并且这一层里只需要配一个页表项，让它的物理地址是0x0起始的就够了。代码如下：

; IA-32e模式下使用4级分页，PML4-PDPT-PDT-PT
; 这种模式下的页目录项、页表项都是8字节，高52位是物理地址
; 如果在PDPT上就设PS=1的话，实际上只分2层，每页1GB
; 如果在PDT上就设PS=1的话，实际上只分3层，每页2MB
; 到了PT上PS必须设为1（因为此模式最多支持4层），每页4KB
; 这里就将0x00000~0x1FFFFF这2MB的空间放到首个页结构项中

; PML4
mov [es:0x20000], dword 0x21003 ; P=1, RW=1, PS=0(表示有下级页表), Base=0x21_000
mov [es:0x20004], dword 0

; PDPT
mov [es:0x21000], dword 0x22003 ; P=1, RW=1, PS=0(表示有下级页表), Base=0x22_000
mov [es:0x21004], dword 0

; PDT
mov [es:0x22000], dword 0x83 ; P=1, RW=1, PS=1(不再有下级页表，所以直接按2MB分页), Base=0x0，大小2MB
mov [es:0x22004], dword 0
  
; 将页目录首地址写入CR3寄存器中
mov eax, 00100000_00000000_0_0_00b ; PCD=0, PWT=0, BASE=0x00020_000
mov cr3, eax

与此同时，我们现在的页表项是按8字节一项来配置的，这件事得让CPU知道，不然它还是按4字节作为一项来解析的话就麻烦了。这时我们需要将CR4的第5位置1，表示「开启64位地址扩展的分页模式」，代码如下：

; 开启CR4的第5位，开启64位地址扩展的分页模式
mov eax, cr4
or eax, 0x20
mov cr4, eax

进入IA-32e模式

在操作CR0开启分页模式之前，我们还需要通知CPU开启IA-32e模式，毕竟咱们刚才配置的这种4层分页模式在i386模式下是不支持的，所以开启分页模式之前，还要先开启IA-32e模式的标记位，这样CPU才能知道，开启分页模式的同时，改用IA-32e模式。

在IA-32e架构下，有一些扩展的寄存器，它们并没有像CR0这样直接集成到指令集中（这就是它区别于IA-64的地方，虽然扩充到了64位，但仍旧保持对IA-32的高度兼容），而是通过独立编址的方式，利用特殊的指令来操作，这些寄存器称为MSR(Modelspecific Register, 模式指定寄存器)。我们现在要操作的寄存器叫做EFER(Extended FeatureEnable Register, 扩展功能开启寄存器)，它的第8位表示开启长模式(long mode，大家姑且认为这个跟IA-32e模式等价)。代码如下：

; 读取EFER(Extended FeatureEnable Register)
mov ecx, 0xc0000080 ; rdmsr指令要求将需要读取的寄存器地址放在ecx中
rdmsr ; 读取结果会放在eax中
or eax, 0x100 ; 设置第8位，LME(Long Mode Enable)
wrmsr ; 将eax的值写入ecx对应地址的寄存器

准备工作做完以后，我们就可以操作CR0来开启分页模式了，与此同时，CPU也会进入IA-32e模式：

; 开启CR0的第31位（最高位）以开启分页机制
mov eax, cr0
or eax, 0x80000000
mov cr0, eax 

; 此时也会进入IA-32e模式

我们同样保持后续逻辑不变，来运行一下看看效果：

没有问题！我们成功在IA-32e模式中配置了页表，并运行了内核程序。

到此的项目源码会放到附件(13-3)中。

等等……为什么这里能运行成功呢？进入IA-32e模式后难道不应该切换到64位指令集吗？为什么我们32位的Kernel还能正常运行？不知道读者到这里会不会有这样的疑问。

这就是IA-32e模式的伟大之处了，因为它可以完全兼容原本的IA-32指令，所以即使我们已经进入了IA-32e模式，它也能正常执行后续所有的IA-32指令。

那究竟如何真正地运行64位指令呢？这是我们下一章要研究的内容。

小结

本篇我们为进入64位模式做足了前战准备。首先讲解了进入图形模式的方法并在这个模式下输出图像和文字；之后讲解了分页的概念和配置方法，并针对IA-32e模式的4层分页方式做了讲解；最后成功进入了IA-32e模式，同时也体验了在IA-32e模式下无感知运行IA-32架构的指令。

本篇所有的项目源码将会通过附件的方式(demo_code_13)上传，供读者参考。

下一篇，我们会介绍IA-32e架构的独有64位指令，和执行指令的方法，还会把之前写的C语言代码改用64位方式编译，并与内核进行适配。