《Orange’s 一个操作系统的实现》3.保护模式7-特权级转移(通过调用门转移目标段-有特权级转换-实践篇)

完成有效的特权级的转移及使用局部任务返回实模式:

; ==========================================
; pmtest5.asm
; 编译方法：nasm pmtest5.asm -o pmtest5.com
; ==========================================

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

org    0100h
    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_NORMAL:     Descriptor 0,            0ffffh, DA_DRW           ;Normal描述符
LABEL_DESC_CODE32:     Descriptor 0,    SegCode32Len-1, DA_C+DA_32       ;非一致,32
LABEL_DESC_CODE16:     Descriptor 0,            0ffffh, DA_C           ;非一致,16
LABEL_DESC_CODE_DEST:  Descriptor 0,  SegCodeDestLen-1, DA_C+DA_32       ;非一致,32
LABEL_DESC_CODE_RING3: Descriptor 0, SegCodeRing3Len-1, DA_C+DA_32+DA_DPL3
LABEL_DESC_DATA:       Descriptor 0,         DataLen-1, DA_DRW             ;Data
LABEL_DESC_STACK:      Descriptor 0,        TopOfStack, DA_DRWA+DA_32       ;Stack,32
LABEL_DESC_STACK3:     Descriptor 0,       TopOfStack3, DA_DRWA+DA_32+DA_DPL3
LABEL_DESC_LDT:        Descriptor 0,          LDTLen-1, DA_LDT           ;LDT
LABEL_DESC_TSS:        Descriptor 0,          TSSLen-1, DA_386TSS       ;TSS描述符
LABEL_DESC_VIDEO:      Descriptor 0B8000h,      0ffffh, DA_DRW+DA_DPL3

; 门                                            目标选择子,       偏移, DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST:    Gate          SelectorCodeDest,          0,      0, DA_386CGate + DA_DPL3
; GDT 结束

GdtLen        equ    $ - LABEL_GDT    ; GDT长度
GdtPtr        dw    GdtLen - 1    ; GDT界限
        dd    0        ; GDT基地址

; GDT 选择子
SelectorNormal        equ    LABEL_DESC_NORMAL    - LABEL_GDT
SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32    - LABEL_GDT
SelectorCode16        equ    LABEL_DESC_CODE16    - LABEL_GDT
SelectorCodeDest    equ    LABEL_DESC_CODE_DEST    - LABEL_GDT
SelectorCodeRing3    equ    LABEL_DESC_CODE_RING3    - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorData        equ    LABEL_DESC_DATA        - LABEL_GDT
SelectorStack        equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
SelectorStack3        equ    LABEL_DESC_STACK3    - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorLDT        equ    LABEL_DESC_LDT        - LABEL_GDT
SelectorTSS        equ    LABEL_DESC_TSS        - LABEL_GDT;TSS选择子
SelectorVideo        equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT

SelectorCallGateTest    equ    LABEL_CALL_GATE_TEST    - LABEL_GDT + SA_RPL3
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1]     ; 数据段
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode    dw    0
; 字符串
PMMessage:        db    "In Protect Mode now. ^-^", 0    ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage        equ    PMMessage - $$
StrTest:        db    "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest        equ    StrTest - $$
DataLen            equ    $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]

; 全局堆栈段
[SECTION .gs]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_STACK:
    times 512 db 0
TopOfStack    equ    $ - LABEL_STACK - 1
; END of [SECTION .gs]

; 堆栈段ring3
[SECTION .s3]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_STACK3:
    times 512 db 0
TopOfStack3    equ    $ - LABEL_STACK3 - 1
; END of [SECTION .s3]

; TSS 初始化TSS---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .tss]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_TSS:
        DD    0            ; Back
        DD    TopOfStack        ; 0 级堆栈
        DD    SelectorStack        ;
        DD    0            ; 1 级堆栈
        DD    0            ;
        DD    0            ; 2 级堆栈
        DD    0            ;
        DD    0            ; CR3
        DD    0            ; EIP
        DD    0            ; EFLAGS
        DD    0            ; EAX
        DD    0            ; ECX
        DD    0            ; EDX
        DD    0            ; EBX
        DD    0            ; ESP
        DD    0            ; EBP
        DD    0            ; ESI
        DD    0            ; EDI
        DD    0            ; ES
        DD    0            ; CS
        DD    0            ; SS
        DD    0            ; DS
        DD    0            ; FS
        DD    0            ; GS
        DD    0            ; LDT
        DW    0            ; 调试陷阱标志
        DW    $ - LABEL_TSS + 2    ; I/O位图基址
        DB    0ffh            ; I/O位图结束标志
TSSLen        equ    $ - LABEL_TSS
; TSS ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

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

    mov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
    mov    [SPValueInRealMode], sp

    ; 初始化 16 位代码段描述符
    mov    ax, cs
    movzx    eax, ax
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE16
    mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah

    ; 初始化 32 位代码段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, cs
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE32
    mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah

    ; 初始化测试调用门的代码段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, cs
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE_DEST
    mov    word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah

    ; 初始化数据段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_DATA
    mov    word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah

    ; 初始化堆栈段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_STACK
    mov    word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah

    ; 初始化堆栈段描述符(ring3)
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_STACK3
    mov    word [LABEL_DESC_STACK3 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah

    ; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_LDT
    mov    word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

    ; 初始化 LDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_CODE_A
    mov    word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah

    ; 初始化Ring3描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_CODE_RING3
    mov    word [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah

   ; 初始化 TSS 描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_TSS
    mov    word [LABEL_DESC_TSS + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_TSS + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_TSS + 7], ah

    ; 为加载 GDTR 作准备
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_GDT        ; eax <- gdt 基地址
    mov    dword [GdtPtr + 2], eax    ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址

    ; 加载 GDTR
    lgdt    [GdtPtr]

    ; 关中断
    cli

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

    ; 准备切换到保护模式
    mov    eax, cr0
    or    eax, 1
    mov    cr0, eax

    ; 真正进入保护模式
    jmp    dword SelectorCode32:0    ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

LABEL_REAL_ENTRY:        ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
    mov    ax, cs
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    ss, ax

    mov    sp, [SPValueInRealMode]

    in    al, 92h        ; ┓
    and    al, 11111101b    ; ┣ 关闭 A20 地址线
    out    92h, al        ; ┛

    sti            ; 开中断

    mov    ax, 4c00h    ; ┓
    int    21h        ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]

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

LABEL_SEG_CODE32:
    mov    ax, SelectorData
    mov    ds, ax            ; 数据段选择子
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子

    mov    ax, SelectorStack
    mov    ss, ax            ; 堆栈段选择子

    mov    esp, TopOfStack

    ; 下面显示一个字符串
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    xor    esi, esi
    xor    edi, edi
    mov    esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移
    mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2    ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
    cld
.1:
    lodsb
    test    al, al
    jz    .2
    mov    [gs:edi], ax
    add    edi, 2
    jmp    .1
.2:    ; 显示完毕

    call    DispReturn

   ; Load TSS
    mov    ax, SelectorTSS
    ltr    ax    ; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈，而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中，所以要设置任务状态段寄存器 TR。

    push    SelectorStack3
    push    TopOfStack3
    push    SelectorCodeRing3
    push    0
    retf        ; Ring0 -> Ring3，历史性转移！将打印数字 '3'。

; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:
    push    eax
    push    ebx
    mov    eax, edi
    mov    bl, 160
    div    bl
    and    eax, 0FFh
    inc    eax
    mov    bl, 160
    mul    bl
    mov    edi, eax
    pop    ebx
    pop    eax

    ret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------

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

[SECTION .sdest]; 调用门目标段
[BITS    32]

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

    mov    edi, (80 * 12 + 0) * 2    ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'C'
    mov    [gs:edi], ax

    ; Load LDT
    mov    ax, SelectorLDT
    lldt    ax

    jmp    SelectorLDTCodeA:0    ; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。

    ;retf

SegCodeDestLen    equ    $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]
ALIGN    32
[BITS    16]
LABEL_SEG_CODE16:
    ; 跳回实模式:
    mov    ax, SelectorNormal
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    fs, ax
    mov    gs, ax
    mov    ss, ax

    mov    eax, cr0
    and    al, 11111110b
    mov    cr0, eax

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
    jmp    0:LABEL_REAL_ENTRY    ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值

Code16Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]

; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN    32
LABEL_LDT:
;                                         段基址       段界限     ,   属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA:    Descriptor           0,     CodeALen - 1,   DA_C + DA_32    ; Code, 32 位

LDTLen        equ    $ - LABEL_LDT

; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA    equ    LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_CODE_A:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 13 + 0) * 2    ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'L'
    mov    [gs:edi], ax

    ; 准备经由16位代码段跳回实模式
    jmp    SelectorCode16:0
CodeALen    equ    $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

; CodeRing3
[SECTION .ring3]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_CODE_RING3:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 14 + 0) * 2    ; 屏幕第 14 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, '3'
    mov    [gs:edi], ax

   call    SelectorCallGateTest:0    ; 测试调用门（有特权级变换），将打印字母 'C'。
    jmp    $
SegCodeRing3Len    equ    $ - LABEL_CODE_RING3
; END of [SECTION .ring3]

 

代码总体过程如下:

1.进入保护模式，显示字符In Protect Mode

2.进入ring3,将TSS(内层堆栈选择子SelectorStack->ss及偏移TopOfStack->sp)加载到tr寄存器

3.手工将目标代码段ss、sp、cs、eip压栈后,使用retf实现ring0->ring3转移

4.执行ring3代码段,显示字符3

5.在ring3代码段使用调用门(ring3->ring0)调用ring0下的目标代码段显示字符C

6.在LABEL_SEG_CODE_DEST目标代码段中加载LDT,调用LDT代码段LABEL_CODE_A显示字符L

7.在LDT代码段LABEL_CODE_A中有保护模式调入实模式