存储器的保护（三）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记20
存储器的保护（三）
修改本章代码清单，使之可以检测1MB以上的内存空间（从地址0x0010_0000开始，不考虑高速缓存的影响）。要求：对内存的读写按双字的长度进行，并在检测的同时显示已检测的内存数量。建议对每个双字单元用两个花码0x55AA55AA和0xAA55AA55进行检测。
上面的文字选自原书第12章的习题1.
这篇博文就讨论一下这道题。由于是初学，我不对自己做太高的要求，只要实现功能即可。
代码清单
;文件说明：第12章习题-1
;创建日期：2016-3-7
;--------- equ some colors
GREEN equ 0x02
RED equ 0x04
BLUE_LIGHT equ 0x09
YELLOW equ 0x0e
MEMORY_START equ 0x100000
MEMORY_END equ 0x800000
MEMORY_SIZE equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4 ;以双字为单位
LENGTH_OF_BAR equ 6 ; 表示2的6次方
BAR_POSITION equ 10*80+4 ;进度条的位置
;设置堆栈段和栈指针
mov eax,cs
mov ss,eax
mov sp,0x7c00
mov ah,0x00; 清屏
mov al,0x03
int 0x10
;计算GDT所在的逻辑段地址
mov eax,[cs:pgdt+0x7c00+0x02] ;GDT的32位线性基地址
xor edx,edx
mov ebx,16
div ebx ;分解成16位逻辑地址
mov ds,eax ;令DS指向该段以进行操作
mov ebx,edx ;段内起始偏移地址
;跳过0#描述符
;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff ;基地址为0，段界限为0xfffff
mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200 ;粒度为4KB，存储器段描述符
;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff ;基地址为0x00007c00，512字节
mov dword [ebx+0x14],0x00409a00 ;粒度为1个字节，代码段描述符
;创建栈段描述符
mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600
;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: pgdt+0x7c00],31 ;描述符表的界限
lgdt [cs: pgdt+0x7c00]
in al,0x92 ;南桥芯片内的端口
or al,0000_0010B
out 0x92,al ;打开A20
cli ;中断机制尚未工作
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax ;设置PE位
;以下进入保护模式... ...
jmp dword 0x0010:flush ;16位的描述符选择子：32位偏移
[bits 32]
flush:
mov eax,0x0008 ;加载数据段(0..4GB)选择子; ds,es,fs,gs指向了(0..4G)
mov ds,eax
mov es,eax
mov fs,eax
mov gs,eax
mov eax,0x0018 ;加载栈段选择子
mov ss,eax
xor esp,esp ;ESP <- 0
; 绘制白色条
push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
push BAR_POSITION
push 0x7720 ; white block
call put_char
push 21*80+25
push BLUE_LIGHT
push MEMORY_SIZE
call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）
; 显示 '/'
push 1
push 21*80+23
push 0x092f ; 蓝色的'/'
call put_char
xor ecx,ecx ;计数器清零，记录检测了多少个双字
mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址
;-----------------------------------------------------
exam: ;显示正在检测的地址
push 21*80+6
push YELLOW
push ebx
call show_hex_dword
mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
jnz err
mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
jnz err
add ebx,4 ;地址增加4个字节
inc ecx
push 21*80+15
push BLUE_LIGHT
push ecx
call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）
push BAR_POSITION ;绘制进度条
push ecx
push MEMORY_SIZE
call draw_progress_bar
cmp ebx,MEMORY_END
jnz exam
err:
hlt
;--------------------------------------
;功能：在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 属性和字符
;返回：无
put_char:
pushad
mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4] ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4] ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4] ;取得属性和字
put:
mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
inc ebx
loop put
popad
ret 3*4
;-----------------------------------------
;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
;输入:
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 分子
; push 分母
;返回：无
draw_progress_bar:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4] ; 取得位置
mov eax,[ebp+10*4] ; 取得分子
mov ebx,[ebp+9*4] ;取得分母
shr ebx,LENGTH_OF_BAR
xor edx,edx
div ebx
cmp eax,1
jb out
push eax
push esi
push 0x2020; 绿色背景，空格
call put_char
out:
popad
ret 3*4
;-----------------------------------
;功能：在指定位置显示16进制的数字
;输入:
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 属性
; push 要显示的值
;返回：无
show_hex_dword:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4] ;取得@1:(x,y)
mov eax,[ebp+9*4] ;取得@3:value
mov ebx,16
xor ecx,ecx
remainder:
xor edx,edx
div ebx
inc ecx
push edx
cmp eax,0
jnz remainder
mov ah,[ebp+10*4] ;取得属性
print:
pop ebx
mov al,[cs:string_hex+ebx]
mov [es:0xb8000+esi*2],ax
inc esi
loop print
popad
ret 3*4
;-------------------------------------------------------------------------------
pgdt dw 0
dd 0x00007e00 ;GDT的物理地址
string_hex: db'0123456789ABCDEF'
;-------------------------------------------------------------------------------
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa
代码分析
设计思路
- 这个程序实现的主要功能是：检测1MB以上的内存空间，比如检测物理地址为1M~8M的单元。
- 检测方法是向每个双字单元写入0x55aa55aa，并读出来和0x55aa55aa做比较，如果相等，则再写入0xaa55aa55，并读出来和0xaa55aa55作比较，如果相等，那么这个双字单元是OK的，把物理地址加上4，继续检测。如果读出的和写入的不相等，那么检测出错，程序停止。
- 检测的时候，显示正在检测的内存地址
- 显示一个进度条
- 显示“已经检测的内存数 / 总共需要检测的内存数”
下面我们分析具体的实现。不打算逐行讲述所有代码，仅选择重点部分讲解。
定义一些常量
GREEN equ 0x02 ; 黑底绿字
RED equ 0x04 ; 黑底红字
BLUE_LIGHT equ 0x09 ; 黑底蓝色字
YELLOW equ 0x0e ; 黑底黄字
MEMORY_START equ 0x100000
MEMORY_END equ 0x800000
MEMORY_SIZE equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4 ;以双字为单位
LENGTH_OF_BAR equ 6 ; 表示2的6次方
BAR_POSITION equ 10*80+4 ;进度条的位置前四行定义了字符属性；
中间三行定义了要检测的内存起始地址，结束地址（检测不包含结束地址），还有检测的内存大小（以双字为单位）。之所以用equ定义是因为修改起来方便。
LENGTH_OF_BAR equ 6 ; 表示2的6次方
这句话表示进度条的总长度占64（2^6=64）个字符，当然可以根据需要修改。但应该是2的N次方（具体原因下文会说明）。
BAR_POSITION equ 10*80+4 ;进度条的位置
这行定义了进度条的位置，如果是x行y列，对应的表示就是(x*80+y);因为一行有80个字符。
清屏
mov ah,0x00; 清屏
mov al,0x03
int 0x10这三行代码是为了清屏。具体原理可以参见我的博文《BIOS功能调用之滚屏与清屏》
http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50806752
创建GDT
;跳过0#描述符
;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff ;基地址为0，段界限为0xfffff
mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200 ;粒度为4KB，存储器段描述符
;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff ;基地址为0x00007c00，512字节
mov dword [ebx+0x14],0x00409a00 ;粒度为1个字节，代码段描述符
;创建栈段描述符
mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600以上代码用于创建GDT。由于想在引导程序中实现全部功能，所以编译后的文件不能超过512字节。为了节省笔墨，我跳过了0#描述符。
关于代码段，必须是可读的，因为过程“show_hex_dword”需要访问代码段中的一个表格：
string_hex: db'0123456789ABCDEF'
关于栈段描述符的定义，具体讲解参见 存储器的保护（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记18 http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50759826
绘制白色条
; 绘制白色条
push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
push BAR_POSITION
push 0x7720 ; white block
call put_char这里调用了过程 put_char
;--------------------------------------
;功能：在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 属性和字符
;返回：无
put_char:
pushad
mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4] ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4] ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4] ;取得属性和字符
put:
mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
inc ebx
loop put
popad
ret 3*4以前我们都是用寄存器传递参数，这次我们用栈传递参数。在调用过程之前，先按照要求把参数压入栈中。当进入过程，执行完pushad这条指令后，栈的情况如下图：
这里用到了pushad和popad指令，如果你不懂的话，可以参考我的另一篇博文：
《PUSHA/PUSHAD POPA/POPAD 指令详解》
http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50866801
所以以下四行就可以取得栈中的参数。
mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4] ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4] ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4] ;取得属性和字符还有一点需要说明，
ret 3*4 这句话使用了带操作数的过程返回指令。这种用法在原书P278页讲解了。
如果希望在过程返回的同时，顺便弹出调用者压入的参数（使栈平衡），那么可以用带操作数的过程返回指令。指令格式是：
ret imm16
retf imm16这两条指令都允许用16位的立即数作为参数，不同之处仅在于前者是近返回，后者是远返回。立即数一般总是偶数，原因是栈操作总是以字或者双字进行。立即数的值表示在过程返回时应当从栈中弹出多少字节的数据。
对于我们的put_char过程，因为调用的时候压入了3个参数（3*4=12字节），所以ret后面的参数是12.
push 0x7720 这句表示压入白底的空格符，显示出来就是白色的小方块了。
显示总共要检测的内存数量（以双字为单位）
push 21*80+25
push BLUE_LIGHT
push MEMORY_SIZE
call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）依然用栈来传递参数，调用了过程show_hex_dword；
;-----------------------------------
;功能：在指定位置显示16进制的数字
;输入:
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 属性
; push 要显示的值
;返回：无
show_hex_dword:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4] ;取得@1:(x,y)
mov eax,[ebp+9*4] ;取得@3:value
mov ebx,16
xor ecx,ecx
remainder:
xor edx,edx
div ebx
inc ecx
push edx
cmp eax,0
jnz remainder
mov ah,[ebp+10*4] ;取得属性
print:
pop ebx
mov al,[cs:string_hex+ebx]
mov [es:0xb8000+esi*2],ax
inc esi
loop print
popad
ret 3*4 这段代码的功能就是在指定的位置（压入第一个参数，比如3行4列就写 push 3*80+4）,显示指定属性（压入第二个参数，仅低字节有效，比如绿色0x02）的16进制数字（压入第三个参数，比如想在屏幕上显示16进制的8b9c,那么就push 0x8b9c）.
这段代码的设计思路就是把要显示的数不断除以16（因为是以16进制显示），并且把余数压栈，直到商等于0.之后再从栈依次弹出余数，把余数作为索引值查表，将对应的字符写到屏幕上。查表的关键语句是：
mov al,[cs:string_hex+ebx] 表格定义在源文件的倒数第三行
string_hex: db'0123456789ABCDEF'因为查表需要对代码段进行访问，所以在创建代码段描述符的时候，一定要让代码段可读。
开始内存检测
xor ecx,ecx ;计数器清零，记录检测了多少个双字
mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址 在检测之前，计数器清零，检测的起始地址传送到EBX寄存器。
exam: ;显示正在检测的地址
push 21*80+6
push YELLOW
push ebx
call show_hex_dword
mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
jnz err
mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
jnz err
add ebx,4 ;地址增加4个字节
inc ecx
push 21*80+15
push BLUE_LIGHT
push ecx
call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）
push BAR_POSITION ;绘制进度条
push ecx
push MEMORY_SIZE
call draw_progress_bar
cmp ebx,MEMORY_END
jnz exam
err:
hlt 上面的代码就是内存检测的主体部分了。
首先显示正在检测的地址（要检测的地址在ebx中）。然后向这个地址写入花码，并读出比较，如果不相等，就跳转到
err:
hlt 如果相等，则ebx加上4，ecx加上1，并且显示ecx的值，绘制进度条，然后继续检测。
绘制进度条
;-----------------------------------------
;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
;输入:
; push (x*80+y)， 表示x行y列
; push 分子
; push 分母
;返回：无
draw_progress_bar:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4] ; 取得位置
mov eax,[ebp+10*4] ; 取得分子
mov ebx,[ebp+9*4] ;取得分母
shr ebx,LENGTH_OF_BAR
xor edx,edx
div ebx
cmp eax,1
jb out
push eax
push esi
push 0x2020; 绿色背景，空格
call put_char
out:
popad
ret 3*4
上面的这个过程是在指定的位置绘制进绿色的进度条，要求压入三个参数。第一个是位置，第二个是分子，第三个是分母。
比如说要检测160个双字，当前已经检测了10个了，那么第二个参数就是10，第三个参数就是160。如果之前的白色条的长度是64，那么就绘制64*（10/160）=4个绿色方块。看上去的效果就是绿色条的长度是总长度的十六分之一。
在每次检测4个字节后，我们就调用这个过程，这样程序运行后就有一个动画效果了。
这个过程实现的关键是计算出要绘制多少个绿色空格。
假设白色空格数可以表示成2的m次方。
计算公式推导如下图：
根据公式，我们把ebx右移LENGTH_OF_BAR（=6）位，作为除数，被除数就在eax中，然后edx清零，再然后
edx:eax / ebx(移位运算后的值) = eax …edx
余数舍去，假如计算出来画1.5个方块，那么就绘制1个。
需要注意的是，计算后eax的值可能为0，如果为0就一定要跳出，一个绿色方块也不绘制。
如果eax大于等于1，那么调用过程put_char绘制绿色方块。
好了，整个代码的分析就到这里了，我们赶紧看看结果吧。
检测结束后：
【end】