进入保护模式（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记12

之前已经做了一些理论上的铺垫，这次我们就可以看代码了。

一、代码清单

         ;代码清单11-1
         ;文件名：c11_mbr.asm
         ;文件说明：硬盘主引导扇区代码 
         ;创建日期：2011-5-16 19:54

         ;设置堆栈段和栈指针 
         mov ax,cs      
         mov ss,ax
         mov sp,0x7c00
      
         ;计算GDT所在的逻辑段地址 
         mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00]        ;低16位 
         mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02]   ;高16位 
         mov bx,16        
         div bx            
         mov ds,ax                          ;令DS指向该段以进行操作
         mov bx,dx                          ;段内起始偏移地址 
      
         ;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
         mov dword [bx+0x00],0x00
         mov dword [bx+0x04],0x00  

         ;创建#1描述符，保护模式下的代码段描述符
         mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff     
         mov dword [bx+0x0c],0x00409800     

         ;创建#2描述符，保护模式下的数据段描述符（文本模式下的显示缓冲区） 
         mov dword [bx+0x10],0x8000ffff     
         mov dword [bx+0x14],0x0040920b     

         ;创建#3描述符，保护模式下的堆栈段描述符
         mov dword [bx+0x18],0x00007a00
         mov dword [bx+0x1c],0x00409600

         ;初始化描述符表寄存器GDTR
         mov word [cs: gdt_size+0x7c00],31  ;描述符表的界限（总字节数减一）   
                                             
         lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]
      
         in al,0x92                         ;南桥芯片内的端口 
         or al,0000_0010B
         out 0x92,al                        ;打开A20

         cli                                ;保护模式下中断机制尚未建立，应 
                                            ;禁止中断 
         mov eax,cr0
         or eax,1
         mov cr0,eax                        ;设置PE位
      
         ;以下进入保护模式... ...
         jmp dword 0x0008:flush             ;16位的描述符选择子：32位偏移
                                            ;清流水线并串行化处理器 
         [bits 32] 

    flush:
         mov cx,00000000000_10_000B         ;加载数据段选择子(0x10)
         mov ds,cx

         ;以下在屏幕上显示"Protect mode OK." 
         mov byte [0x00],'P'  
         mov byte [0x02],'r'
         mov byte [0x04],'o'
         mov byte [0x06],'t'
         mov byte [0x08],'e'
         mov byte [0x0a],'c'
         mov byte [0x0c],'t'
         mov byte [0x0e],' '
         mov byte [0x10],'m'
         mov byte [0x12],'o'
         mov byte [0x14],'d'
         mov byte [0x16],'e'
         mov byte [0x18],' '
         mov byte [0x1a],'O'
         mov byte [0x1c],'K'

         ;以下用简单的示例来帮助阐述32位保护模式下的堆栈操作 
         mov cx,00000000000_11_000B         ;加载堆栈段选择子
         mov ss,cx
         mov esp,0x7c00

         mov ebp,esp                        ;保存堆栈指针 
         push byte '.'                      ;压入立即数（字节）
         
         sub ebp,4
         cmp ebp,esp                        ;判断压入立即数时，ESP是否减4 
         jnz ghalt                          
         pop eax
         mov [0x1e],al                      ;显示句点 
      
  ghalt:     
         hlt                                ;已经禁止中断，将不会被唤醒 

;-------------------------------------------------------------------------------
     
         gdt_size         dw 0
         gdt_base         dd 0x00007e00     ;GDT的物理地址 
                             
         times 510-($-$$) db 0
                          db 0x55,0xaa

上面就是配书源码。我们一点一点看。

二、源码分析

（一）设置堆栈和栈指针

;设置堆栈段和栈指针 
         mov ax,cs      
         mov ss,ax
         mov sp,0x7c00

这个没有什么好说的，就是初始化栈。这三行执行后，SS=0； SP=0x7c00;

需要注意的是，这样设置后，栈的区域从0x0000_7c00向下扩展（不含0x0000_7c00这个字节），该区域包含了很多BIOS数据，包括实模式下的中断向量表，所以一定要小心。

（二）安装段描述符

;计算GDT所在的逻辑段地址 
         mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00]        ;低16位 
         mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02]   ;高16位 
         mov bx,16        
         div bx            
         mov ds,ax                          ;令DS指向该段以进行操作
         mov bx,dx                          ;段内起始偏移地址

怎么理解这段代码呢？

首先，在代码清单的95、96行，有

         gdt_size         dw 0
         gdt_base         dd 0x00007e00     ;GDT的物理地址

作者在这里声明了标号gdt_base，还初始化了一个双字——0x0000_7e00; 作者的意图是从这个地方开始建立全局描述符表GDT。我们的程序就是一个引导扇区，占用了512（=0x200）字节。程序加载的物理地址是0x7c00, 0x7c00+0x200 = 0x7e00. 可见，在物理地址的安排上，引导程序后面紧跟着就是GDT。

目前我们还是处在实模式下，所以要建立GDT，必须将GDT的线性地址（物理地址）转换成实模式下使用的“段地址：偏移地址”的形式。

mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00] ；

这句使了段超越前缀“cs”,表明访问代码段中的数据；因为CS=0，所以就把物理地址（0x7c00+gdt_base）处的0x7e00传送给了ax; 同样地，将0x0000传送给dx; 为了把线性地址转换成逻辑地址，我们用DX：AX除以16，得到的商（AX）就是段地址，余数（DX）就是偏移地址。

mov bx,16       
        div bx           
        mov ds,ax                          ;令DS指向该段以进行操作
        mov bx,dx                          ;段内起始偏移地址
这几行执行之后，GDT的逻辑地址就是 DS:BX.

;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
         mov dword [bx+0x00],0x00
         mov dword [bx+0x04],0x00

处理器规定，GDT中的第一个描述符必须是空描述符。这是什么原因呢？因为很多时候，寄存器和内存单元的初始值都会为0，再加上程序设计有问题，就会在无意中用全0的索引来选择描述符，这当然是不好的。因此，处理器要求将第一个描述符定义成空描述符。所以，上面两行代码定义了一个空描述符。

;创建#1描述符，保护模式下的代码段描述符
         mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff     
         mov dword [bx+0x0c],0x00409800

这两行用来创建第二个描述符。之前的博文我们已经掌握了数据段和代码段描述符的格式，所以对这个描述符就不难理解了。

还记得我上一篇博文中写了一个小程序吗？http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50507218

赶紧用它来分析一下吧：

线性基地址：0x0000_7c00

段界限为0x001FF，因为G=0，所以该段的长度是512（2的9次方）字节；

特权级：0

其他字段就不逐个说明了，相信你一定能懂。很明显，这个描述符定义的段，就是主引导程序所在的区域。

接着看代码。

;创建#2描述符，保护模式下的数据段描述符（文本模式下的显示缓冲区） 
         mov dword [bx+0x10],0x8000ffff     
         mov dword [bx+0x14],0x0040920b

程序分析的结果是：

seg_base = 0XB8000
seg_limit = 0XFFFF
S = 1
DPL = 0
G = 0
D/B = 1
TYPE = 2
数据段: 可读可写

看来这个段是指向显存的。

;创建#3描述符，保护模式下的堆栈段描述符
         mov dword [bx+0x18],0x00007a00
         mov dword [bx+0x1c],0x00409600

这是创建栈段的描述符。程序分析的结果是：

-----------------------
seg_base = 0
seg_limit = 0X7A00
S = 1
DPL = 0
G = 0
D/B = 1
TYPE = 6
数据段: 向下扩展，可读可写
------------------------

正如作者所说：段界限的值0x7a00加上1（0x7a01），就是ESP寄存器所允许的最小值。当执行隐式的栈操作（如PUSH、CALL）时，处理器会检查ESP的值，一旦发现它小于0x7a01，就会引发异常中断。如果你还不理解，那么可以把书翻到215页。作者说在栈操作时，必须符合以下规则：

实际使用的段界限+1 <= (ESP的内容减操作数的长度) <= 0xFFFF_FFFF

就拿这个例子来说，因为G=0，所以段界限就是0x7a00. 假设现在ESP的内容是0x7a04，此时执行下面的指令：

push edx

因为压入的是双字，所以处理器会先将ESP的值减去4，于是ESP=0x7a00. 因为0x7a00小于0x7a01，因此会引发异常中断。

（三）LGDT指令

好了，现在描述符已经安装完毕，接下来的工作是加载描述符表的线性基地址和界限到GDTR寄存器。相关的指令是lgdt. 该指令的格式为：

lgdt m48

也就是说，该指令的操作数内存操作数。注意，该指令在实模式和保护模式下都可以执行，也不影响任何标志位。

这个内存操作数指向一个6字节的内存区域，要求低16位是GDT的界限值（表的总字节数减去1），高32位是GDT的线性基地址。

         gdt_size         dw 0
         gdt_base         dd 0x00007e00     ;GDT的物理地址

还记得吗，这是代码中事先定义了6字节的空间。前两个字节就是为了保存GDT的界限值。

;初始化描述符表寄存器GDTR
         mov word [cs: gdt_size+0x7c00],31  ;描述符表的界限（总字节数减一）   
                                             
         lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]

第一句写入界限值，第二句把6字节加载到GDTR寄存器。

注意，到目前为止，我们依然在实模式下。

（四）关于A20

1.A20 GATE 起源^[1]

在8086/8088中，只有20根地址线，所以可以访问的地址是2^20=1M。但由于8086/8088是16位地址模式，能够表示的地址范围是0-64K，所以为了访问1M内存，Intel采取了分段的模式。

即：物理地址=16位段地址*16 + 16位偏移

但这种方式引起了新的问题，通过上述分段模式，能够表示的最大内存为：FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh

但8086/8088只有20位地址线，所以当访问100000h~10FFEFh之间的内存时，系统并不认为访问越界而产生异常，而是自动从重新0开始计算，也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的，这种技术被称为wrap-around（回绕）。

到了80286，系统的地址总线发展为24根，这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。为了兼容，Intel在设计80286时提出的目标是：在实模式下，系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样。但最终，80286芯片却存在一个BUG：如果程序员访问100000H~10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存，而不是象过去一样重新从0开始。

为了解决上述问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线（从0开始数是第20根），被称为A20Gate；如果A20 Gate打开，则当程序员给出100000H~10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；如果A20Gate被禁止，则当程序员给出100000H~10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式。绝大多数IBM PC兼容机默认的A20Gate是被禁止的。由于在当时没有更好的方法来解决这个问题，所以IBM使用了键盘控制器来操作A20 Gate，但是这种操作太麻烦了，要使用一大堆指令。

2.Alt_A20_GATE

Alt_A20_GATE ，又称Fast A20. 通过端口0x92的bit1来打开A20，具体方法是：先从端口读出原数据，接着将bit1置1，然后再写入该端口，这样就打开了A20.

正如代码所示

in al,0x92                         ;南桥芯片内的端口 
         or al,0000_0010B
         out 0x92,al                        ;打开A20

 

一次学太多会不会觉得累呢？我们就说到这里，下次继续…

 

【参考资料】

[1] 如烟海的专栏. http://blog.csdn.net/ruyanhai/article/details/7181842