局部描述符表LDT的作用+定义+初始化+跳转相关

【0】写在前面

0.1）本代码的作用： 旨在说明局部描述符表的作用，及其相关定义，初始化和跳转等内容；

0.2）文末的个人总结是干货，前面代码仅供参考的，且source code from orange’s implemention of a os.

0.3）由于本文中代码和 “实模式和保护模式切换的步骤”的源代码 有90%之多的相似之处，参见http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48009165，故， 我这里只对涉及局部描述符LDT的代码进行简单注释说明；

0.4）多注意和（实模式+保护模式）模式切换的过程步骤（http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48009165）做比较；

; ==========================================
; pmtest2.asm
; 编译方法：nasm pmtest2.asm -o pmtest2.com
; ==========================================

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

 org    0100h
 jmp    LABEL_BEGIN

；全局描述符表定义
[SECTION .gdt]

; GDT
;                            段基址,        段界限 , 属性
......
LABEL_DESC_LDT:    Descriptor       0,        LDTLen - 1, DA_LDT    ; LDT
......
<font size=5 color=green>;GDT 选择子定义</font>
......
SelectorLDT     equ LABEL_DESC_LDT   - LABEL_GDT     ; Mine【SelectorLDT 是重头戏哦】
......

; END of [SECTION .gdt]

；数据段定义 + 全局堆栈段定义

……

；16位代码段， CPU运行在实模式下，为什么只有在16位代码段下才能修改GDT中的值
[SECTION .s16] ; Mine【为从实模式跳转到保护模式所做的准备工作】

[BITS   16]
LABEL_BEGIN:
 ......

; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符 ；Mine【 LABEL_DESC_LDT 作为GDT的表项】

 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 ; Mine【初始化LDT的基地址所指向的具体的多任务代码段】

 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

; 为加载 GDTR 作准备，填充GDT基地址的数据结构

 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， PE位置1

 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

; 从保护模式跳回到实模式就到了这里（注意：从保护模式跳转到实模式，即本标识符下，本标识符是存在于 初始化描述符的16位代码段的末尾的）

LABEL_REAL_ENTRY: 
 mov    ax, cs
 mov    ds, ax
 mov    es, ax
 mov    ss, ax

 mov    sp, [SPValueInRealMode]

; 关闭 A20 地址线

 in al, 92h  ; 
 and    al, 11111101b 
 out    92h, al  ; /

 sti     ; 开中断

 mov    ax, 4c00h   ; `.
 int    21h  ; /  回到 DOS

; END of [SECTION .s16]

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

; 32 位代码段，即保护模式. 由实模式跳入
[SECTION .s32]

[BITS   32]
LABEL_SEG_CODE32:
......

; 下面显示一个字符串（此处代码有省略）
; Mine【这里的LDT选择子索引的是LDT中记录的描述符表项的基地址值，即具体任务的执行代码】

 ; Load LDT</font>
 mov    ax, SelectorLDT ; 
 lldt   ax  ; Mine【lldt 负责 加载ldtr， 它的操作数是一个选择子，这个选择子对应的就是用来描述LDT的那个描述符LABEL_DESC_LDT】

; 跳入局部任务

 jmp    SelectorLDTCodeA:0 
SegCode32Len    equ $ - LABEL_SEG_CODE32

; END of [SECTION .s32]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 本段跳出后到实模式
[SECTION .s16code]

ALIGN   32
[BITS   16]
LABEL_SEG_CODE16:

; 跳回实模式:

 mov    ax, SelectorNormal      ; Mine【 选择子 SelectorNormal 是对描述符 LABEL_DESC_NORMAL 的索引 】
 mov    ds, ax
 mov    es, ax
 mov    fs, ax
 mov    gs, ax
 mov    ss, ax

 mov    eax, cr0
 and    al, 11111110b     ; Mine【cr0的最后一位PE位置为0，进入实模式】
 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 的定义
[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 选择子的定义

SelectorLDTCodeA    equ LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL

; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)，通过索引选择子SelectorLDTCodeA跳入
[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 * 12 + 0) * 2  ; 屏幕第 10 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]

总结： 局部描述符表的作用+定义+初始化+跳转相关：（干货）

（Attention：我们依照程序执行过程的跳转步骤来对内存内容进行解析）

（1） org 0100， 告诉编译器程序运行时，要加载到偏移地址0100处；jmp LABEL_BEGIN 跳入到16位代码段（实模式）进行各个数据段，代码段，堆栈段的初始化，最后跳入到局部描述符表中某个描述符所存储的任务代码的基地址去运行；

（2）GDT初始化 { 定义段描述符（包括LDT描述符LABEL_DESC_LDT） + 定义GDTR的数据结构 + 定义GDT选择子（包括LDT描述符LABEL_DESC_LDT的选择子SelectorLDT）}：

• 2.1）定义全局描述符表GDT表项，即定义需要的段描述符，数据段和代码段描述符数据结构如下：
  
• 2.2）定义GDTR全局描述符的数据结构并赋值，GDTR的数据结构如下：
  
• 2.3）定义GDT选择子：有多少个描述符表项，就有多少个选择子，选择子用于记录描述符相对于GDT基地址的偏移地址，因为GDT的基地址和界限是保存在全局描述符寄存器GDTR中的，我们可以通过GDTR找到GDT基地址，然后通过选择子找到对应的偏移地址，从而找到对应的段描述符的基地址+界限（偏移量）+属性，而描述符基地址的值又记录了各个代码段或数据段的基地址，这样我们就可以通过选择子来索引到具体的代码段和数据段；

（3）数据段 + 堆栈段的定义

（4）16位代码段（实模式下）的定义：

• 4.1）设置代码运行环境，即给相关寄存器赋值；
• 4.2）初始化16位代码段描述符 + 32位代码段描述符 + 堆栈段描述符 +数据段描述符，重点在于初始化 LDT 在 GDT 中的描述符 和 初始化 LDT 中的描述符（在代码末尾处定义）；
• 4.3）初始化全局描述符表寄存器GDTR的内容，因为其基地址还没有初始化， 然后通过lgdt [GdtPtr]，将内存中GDTR的内容加载到GDTR中，重点在于保存 GDT的基地址；
• 4.4）关中断， 即设置CPU不响应任何其他的外部中断，因为CPU现在的时间片只属于当前加载的程序；
• 4.5）打开地址线A20； 至于为什么要打开，呵呵，参见：http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48005813
• 4.6）将CR0的 PE 位置1；PE位==1，表明CPU运行在保护模式下；（这是准备切换到保护模式阶段），CR0的数据结构如下：
  
• 4.7）跳转到保护模式： jmp dword SelectorCode32:0 ，这里的代码指提供了选择子，（2.3）末部分，已经说明了为什么通过选择子就可以索引到 32位代码段 LABEL_SEG_CODE32；（这就是从实模式跳入保护模式）

（5）32位代码段（由实模式跳入，即保护模式）的定义

• 5.1）将对应选择子赋值到 对应寄存器， 即设置 任务代码的 运行环境，不得不提的是 本段代码还改变了ss和esp， 则在32位代码段中所有的堆栈操作将会在新增的堆栈段中进行；
• 5.2）做任务，我们这里是打印一串字符串；
• 5.3）任务做完后，通过mov ax, SelectorLDT ; lldt ax ；加载LDT的选择子到 局部描述符表寄存器LDTR； 并跳转到局部任务去执行；

（6）LDT的定义（LDT描述符定义 + LDT选择子定义 + 所需完成的任务代码），其定义内容同GDT差不多；

• 6.1） LDT描述符定义，它这里只定义了一个描述符；
• 6.2） 定义相应的选择子；

（7） 定义LDT中描述符指向的任务代码段：该段中，当任务执行完成后，准备经由16位代码段跳回实模式（先跳转到16位代码段，后跳转到实模式）；

• 补充：跳转到16位代码段，因为从保护模式跳回实模式，只能从16位代码段中跳回；（这个，到底是因为什么，我也说不清楚）

（8）调回到实模式的16位代码段（我们干脆叫它为过渡的16位代码段， 与模块（４）做个区别）

• 8.1）加载一个描述符选择子，说是要实现从32位代码段返回时cs 高速缓冲寄存器中的属性符合实模式的要求，（具体的，我这里也没有懂）
• 8.2）将CR0的 PE 位置0；PE位==0，表明CPU运行在实模式下；（这是准备切换到实模式阶段），参见4.6所附图片；
• 8.3）真正跳转到实模式：LABEL_GO_BACK_TO_REAL: jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 这里的0 纯粹是个幌子，我理解的是，它就是个占位符而已，因为在16位代码段初始化的时候，已经将它的值设定为 跳转前的 cs（段基址）值了，即 mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax；

【9】跳回到16位代码段（实模式）的定义

• 9.1）该段代码定义在模块（4）代码区域的末尾，因为，它们都是实模式下的运行环境；
• 9.2）初始化寄存器的值，设置运行环境；
• 9.3）重新设置 堆栈指针sp 的值，这个值早在16位代码段初始化的时候，已经将它的值 暂存在变量里了，这里只是将它恢复到原来的值而已，即 mov [SPValueInRealMode], sp；
• 9.4）关闭A20地址线， 为什么要关闭，参见：http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48005813
• 9.5）开中断；
• 9.6）产生中断信号，回到DOS；