程序的加载和执行（二）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记22
本博文对应原书13.3-13.4节的内容。
显示处理器品牌信息
531 start:
532 mov ecx,core_data_seg_sel ;使ds指向核心数据段
533 mov ds,ecx
534
535 mov ebx,message_1
536 call sys_routine_seg_sel:put_string
537
538 ;显示处理器品牌信息
539 mov eax,0x80000002
540 cpuid
541 mov [cpu_brand + 0x00],eax
542 mov [cpu_brand + 0x04],ebx
543 mov [cpu_brand + 0x08],ecx
544 mov [cpu_brand + 0x0c],edx
545
546 mov eax,0x80000003
547 cpuid
548 mov [cpu_brand + 0x10],eax
549 mov [cpu_brand + 0x14],ebx
550 mov [cpu_brand + 0x18],ecx
551 mov [cpu_brand + 0x1c],edx
552
553 mov eax,0x80000004
554 cpuid
555 mov [cpu_brand + 0x20],eax
556 mov [cpu_brand + 0x24],ebx
557 mov [cpu_brand + 0x28],ecx
558 mov [cpu_brand + 0x2c],edx
559
560 mov ebx,cpu_brnd0
561 call sys_routine_seg_sel:put_string
562 mov ebx,cpu_brand
563 call sys_routine_seg_sel:put_string
564 mov ebx,cpu_brnd1
565 call sys_routine_seg_sel:put_string从主引导程序转移到内核之后，处理器会从532行处开始执行，因为这里是内核头部登记的入口。
532~533行，初始化DS，令其指向内核数据段。
535~536，调用公共例程段内的过程put_string来显示字符串
362 message_1 db ' If you seen this message,that means we '
363 db 'are now in protect mode,and the system '
364 db 'core is loaded,and the video display '
365 db 'routine works perfectly.',0x0d,0x0a,0这个显示字符串的例程，原理和书上第八章的代码基本相同，不同的地方是：
1. 这里的代码是32位模式的，字符串的地址由DS：EBX传入
2. 过程返回用的指令是retf，这意味着必须以远调用的方式调用它
还有一点要说明:
106 mov eax,video_ram_seg_sel
107 mov ds,eax
108 mov es,eax
109 cld
110 mov esi,0xa0 ;小心！32位模式下movsb/w/d
111 mov edi,0x00 ;使用的是esi/edi/ecx
112 mov ecx,1920
113 rep movsd以上代码是滚屏功能的一部分，第113行用到了rep movsd指令。但是这里有一个小小的问题，作者的本意是把1~24行的字符拷贝到0~23行，又因为一次传送4个字节，所以传送的次数=24*80*2/4=960;
所以第112行应该改为：
112 mov ecx,960第539~565用于显示处理器品牌信息。
cpuid指令是从80486处理器的后期版本开始引入的。原则上，在使用该指令前，要先检测标志寄存器EFLAGS的ID标志位，如果为0则不支持该指令，反之则支持。本代码省略了这个检测。
mov eax,0
cpuid这两行用于探测处理器能够支持的最大的基本功能号，返回值在EAX中，我的实验环境返回3；
mov eax,0x8000_0000
cpuid这两行用于探测处理器能够支持的最大的扩展功能号，返回值在EAX中，我的实验环境返回0x8000_0004；
567 mov ebx,message_5
568 call sys_routine_seg_sel:put_string
569 mov esi,50 ;用户程序位于逻辑50扇区
570 call load_relocate_program567~568行，显示字符串
367 message_5 db ' Loading user program...',0569~570调用过程load_relocate_program，用于加载并且重定位用户程序。
387 load_relocate_program: ;加载并重定位用户程序 388 ;输入：ESI=起始逻辑扇区号 389 ;返回：AX=指向用户程序头部的选择子 用户程序的加载和重定位
用户程序的头部
其实，用户程序头部的构造，属于链接器的工作。可是对于我们这个如此的简陋的系统，那就由用户自己来构造吧。
用户程序头部如下：
上图中，凡是需要改写的地方，我都用黄色标注了。改写的工作，是内核在加载程序的过程中完成的。
关于每个字段的详细解释，书上P231页已经说明得很清楚了，这里不再赘述。只是有几点需要强调：
1. 偏移0x08处的双字是保留字段，内核不要求用户程序提供栈空间，而是由内核分配，以减轻用户编写程序的负担。当内核分配了栈空间后，会把栈段的选择子回填到这里。当用户程序开始执行时，可以从这里获得栈选择子，然后初始化SS和ESP；
2. 偏移0x10处的双字，应该填写用户要求的栈大小（以4KB为单位）。例如填写1就表示希望分配4KB的栈空间。
3. 偏移量0x14处的双字，是用户程序代码段的起始汇编地址。当内核完成对用户程序的加载和重定位后，会把代码段的选择子回填到这里（仅占用低字）。这样一来，它和0x10处的双字组成了一个6字节的入口点（图中绿色部分），内核就从这个入口点转移到用户程序。
4. 内核会提供一些例程供用户程序调用。在偏移0x28处，用户程序需要列出所有要用到的符号名。每个符号名的长度是256字节（不足部分用0填充）。在用户程序加载后，内核会分析这个表格，将每个符号名替换成对应的内存地址，这就是过程的重定位。为了方便起见，本文把这个表格简称为“符号表”。
读取用户程序的第一个扇区
399 mov eax,core_data_seg_sel
400 mov ds,eax ;切换DS到内核数据段
401
402 mov eax,esi ;读取程序头部数据
403 mov ebx,core_buf
404 call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0这段代码读取用户程序的第一个扇区到内核的缓冲区。
内核缓冲区在数据段定义
376 core_buf times 2048 db 0 ;内核用的缓冲区判断用户程序的大小
406 ;以下判断整个程序有多大
407 mov eax,[core_buf] ;程序尺寸
408 mov ebx,eax
409 and ebx,0xfffffe00 ;使之512字节对齐（能被512整除的数，
410 add ebx,512 ;低9位都为0
411 test eax,0x000001ff ;程序的大小正好是512的倍数吗?
412 cmovnz eax,ebx ;不是。使用凑整的结果 第406行用于获取用户程序的长度，传送到EAX；
408~412的目的是把用户程序的长度向上对齐到512字节。也许长度正好是512B的倍数，也许不是。于是我们两手准备：如果不是，那么408~410用于向上对齐到512B，保存在EBX中；如果是，也就是说411行执行后，标志位Z=1。
第412行，cmovnz属于条件传送指令，条件满足就传送，条件不满足就什么也不做。
结合我们的代码，当411行执行完后，如果Z=1，说明长度本身就是512B的整数倍，那么不需要传送，EAX就是我们要的结果；当Z不等于1时，需要对齐，于是把EBX（对齐的结果）传送给EAX；
不管哪种情况，最终的长度在EAX中。
申请内存
414 mov ecx,eax ;实际需要申请的内存数量
415 call sys_routine_seg_sel:allocate_memory这两行用于内存的申请，调用了过程allocate_memory;
232 allocate_memory: ;分配内存
233 ;输入：ECX=希望分配的字节数
234 ;输出：ECX=起始线性地址
235 push ds
236 push eax
237 push ebx
238
239 mov eax,core_data_seg_sel
240 mov ds,eax
241
242 mov eax,[ram_alloc]
243 add eax,ecx ;下一次分配时的起始地址
244
245 ;这里应当有检测可用内存数量的指令
246
247 mov ecx,[ram_alloc] ;返回分配的起始地址
248
249 mov ebx,eax
250 and ebx,0xfffffffc
251 add ebx,4 ;强制对齐
252 test eax,0x00000003 ;下次分配的起始地址最好是4字节对齐
253 cmovnz eax,ebx ;如果没有对齐，则强制对齐
254 mov [ram_alloc],eax ;下次从该地址分配内存
255 ;cmovcc指令可以避免控制转移
256 pop ebx
257 pop eax
258 pop ds
259
260 retf335 ram_alloc dd 0x00100000 ;下次分配内存时的起始地址我们的内存分配策略非常简单，在标号ram_alloc处初始化了一个双字：0x0010_0000，这就是可用于分配的初始内存地址。每次请求分配内存时，过程allocate_memory仅简单地返回该地址，同时，将这个值加上本次需要分配的长度，把结果写回标号ram_alloc处，作为下次分配的起始地址。
247行，返回分配的起始地址。
242~243行，算出下一次分配的起始地址，值在EAX中；
249~253，把EAX的值向上4字节对齐。因为32位的计算机系统为了提高访问速度，建议内存地址最好4字节对齐。可是话又说回来，因为我们申请的大小是512字节对齐的，所以自然是4的倍数。
254行，把对齐后的结果写回标号ram_alloc处。
加载用户程序到内存
416 mov ebx,ecx ;ebx -> 申请到的内存首地址
417 push ebx ;保存该首地址
418 xor edx,edx
419 mov ecx,512
420 div ecx
421 mov ecx,eax ;总扇区数
422
423 mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;切换DS到0-4GB的段
424 mov ds,eax
425
426 mov eax,esi ;起始扇区号
427 .b1:
428 call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
429 inc eax
430 loop .b1 ;循环读，直到读完整个用户程序416行，把申请到的内存首地址传送到EBX中，因为后面要把用户程序加载到DS：EBX处（因为DS指向0-4GB的段，所以就是加载到物理地址EBX处）；
417行，把EBX的值压栈，这个值是用户加载的起始地址。因为在读扇区的时候会修改EBX的值，所以要压栈保存。
418~421：程序的总大小在EAX中（已经对齐到512字节了），EDX：EAX/512=EAX(余数为0);用总字节数除以512，得到总扇区数，传送到ECX中；
426~430，循环调用过程read_hard_disk_0读取用户程序到内存。
为用户程序建立段描述符
432 ;建立程序头部段描述符
433 pop edi ;恢复程序装载的首地址
434 mov eax,edi ;程序头部起始线性地址
435 mov ebx,[edi+0x04] ;段长度
436 dec ebx ;段界限
437 mov ecx,0x00409200 ;字节粒度的数据段描述符
438 call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
439 call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
440 mov [edi+0x04],cx 433行，把之前保存的用户程序加载的起始地址弹出到EDI中。
这时候，用户程序在内存中的位置如下图所示：
434~438，调用过程make_seg_descriptor建立头部段描述符。
过程make_seg_descriptor的输入和返回说明如下：
308 make_seg_descriptor: ;构造存储器和系统的段描述符 309 ;输入： EAX=线性基地址 310 ; EBX=段界限 311 ; ECX=属性。各属性位都在原始 312 ; 位置，无关的位清零 313 ;返回：EDX:EAX=描述符为了方便阅读代码，再次粘贴头部的图片（右侧是偏移地址）：
过程make_seg_descriptor的代码就不多说了，和主引导程序中的过程make_gdt_descriptor基本相同。具体讲解可以参见我的博文：
程序的加载和执行（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记21
http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50938137
第439行，调用过程set_up_gdt_descriptor向GDT中追加描述符。
这个过程的代码如下：
263 set_up_gdt_descriptor: ;在GDT内安装一个新的描述符
264 ;输入：EDX:EAX=描述符
265 ;输出：CX=描述符的选择子
266 push eax
267 push ebx
268 push edx
269
270 push ds
271 push es
272
273 mov ebx,core_data_seg_sel ;切换到核心数据段
274 mov ds,ebx
275
276 sgdt [pgdt] ;以便开始处理GDT
277
278 mov ebx,mem_0_4_gb_seg_sel
279 mov es,ebx
280
281 movzx ebx,word [pgdt] ;GDT界限
282 inc bx ;GDT总字节数，也是下一个描述符偏移
283 add ebx,[pgdt+2] ;下一个描述符的线性地址
284
285 mov [es:ebx],eax
286 mov [es:ebx+4],edx
287
288 add word [pgdt],8 ;增加一个描述符的大小
289
290 lgdt [pgdt] ;对GDT的更改生效
291
292 mov ax,[pgdt] ;得到GDT界限值
293 xor dx,dx
294 mov bx,8
295 div bx ;除以8，去掉余数
296 mov cx,ax
297 shl cx,3 ;将索引号移到正确位置
298
299 pop es
300 pop ds
301
302 pop edx
303 pop ebx
304 pop eax
305
306 retf 下面对这个过程进行讲解。
273~274，令DS指向核心数据段，为使用sgdt指令做准备；
276行，用到了指令sgdt，格式是：
sgdt m其中m是一个6字节内存区域的首地址。指令执行后，在m处就会存有GDT的边界值（低2个字节）和基地址（高4个字节）。
代码中的pgdt在内核的数据段中定义：
332 pgdt dw 0 ;用于设置和修改GDT
333 dd 0278~279行，令ES指向0-4GB数据段。
第281~283行，计算描述符的安装地址。计算原理是这样的：首先得到GDT的界限值，把它加一，就是GDT的总字节数，也是要安装的描述符的偏移量。这个偏移量加上GDT的基地址，就是安装地址。
movzx是带零扩展的传送指令。指令格式如下：
举个例子，比如
movzx cx,al假设al=0x12，那么指令执行后，cx=0x0012;
其实就是把源操作数复制给目的寄存器，目的寄存器的高位用0填充。
因为第283行的加法指令，需要把GDT的基地址（4个字节）和偏移量相加，所以我们需要把偏移量变成4字节。这就是281行要用movzx的原因。
281行：EBX中得到GDT的边界。
282行：得到GDT的大小（也就是要安装的描述符的偏移量）；也许你很奇怪，为什么不是
inc ebx关于这一点，书上说得很明确。一般情况下，这两条指令都是可以的。但是如果是刚启动计算机，这时GDT还是空的，GDTR寄存器中的基地址为0x0000_0000，界限值为0xFFFF。假设在此时要调用这个过程安装一个描述符，如果使用inc bx,那么0xFFFF+1=0x0000(进位丢弃)，于是EBX的值就是0，这就是第一个描述符在表内的偏移量，合情合理。
如果使用inc ebx,那么0xFFFF+1=0x0001_0000，于是EBX的值是0x0001_0000，这个值作为第一个描述符的偏移量显然不对。
285~286，填写描述符。
288~290，将GDT的界限加上8，然后用lgdt指令重新加载GDTR，使新描述符生效。
292~295，求出新描述符的索引号。推导过程如下：
设索引号为idx(idx=0,1,2,…),
界限值=(idx+1)*8-1=idx*8+7于是得出
界限值/8 = idx ...7所以界限值除以8，丢弃余数，商就是索引。
297，索引值左移3位，得到段选择子（TI=0，RPL=0）
我们返回调用者的代码，第440行，将返回的头部段选择子回填到头部偏移0x04处（仅覆盖低字）。
继续看代码。
442 ;建立程序代码段描述符
443 mov eax,edi
444 add eax,[edi+0x14] ;代码起始线性地址
445 mov ebx,[edi+0x18] ;段长度
446 dec ebx ;段界限
447 mov ecx,0x00409800 ;字节粒度的代码段描述符
448 call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
449 call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
450 mov [edi+0x14],cx
451
452 ;建立程序数据段描述符
453 mov eax,edi
454 add eax,[edi+0x1c] ;数据段起始线性地址
455 mov ebx,[edi+0x20] ;段长度
456 dec ebx ;段界限
457 mov ecx,0x00409200 ;字节粒度的数据段描述符
458 call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
459 call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
460 mov [edi+0x1c],cx433~460,创建代码段描述符和数据段描述符，并回填到相应的位置。具体过程同上，此处略。
关于过程load_relocate_program的讲解还没有完，还差创建栈段描述符和重定位符号表。由于时间和篇幅的关系，这篇博文就写到这里。剩下的内容会在下篇博文中讲述。
【未完待续】