我的boot（2）---- 切换到保护模式

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1.1  进入保护模式的主要步骤：
1.1.1  GDT表

GDT表是存储GDT描述符的数组，每一个描述符对应着一个段。GDT表中的第一项必须为全0。表项类型为结构体Descriptor，结构如下：

; usage: Descriptor Base, Limit, Attr

;    %1    Base:  dd

;    %2    Limit: dd (low 20 bits available)

;    %3    Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)

%macro Descriptor 3

   dw  %2 & 0FFFFh        ; 段界限 1    (2 字节)

   dw  %1 & 0FFFFh        ; 段基址 1    (2 字节)

   db  (%1 >> 16) & 0FFh  ; 段基址 2    (1 字节)

   dw  ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh) ; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2  (2 字节)

   db  (%1 >> 24) & 0FFh  ; 段基址 3    (1 字节)

%endmacro ; 共 8 字节

根据nasm编译器的规则，结构体定义以%macro开始，以%endmacro结束。结构体名为Descriptor，宏名后的3表示该结构体有三个成员变量。

GDT表的定义方式如下：

[SECTION .gdt]

; GDT                           Base Addr   Limit          Attrib

LABEL_DES_GDT:    Descriptor   0,          0,             0

LABEL_DES_CODE32: Descriptor   0,          Code32Len - 1,  DA_C + DA_32

LABEL_DES_VIDEO:  Descriptor   0B8000h,    0ffffh,         DA_DRW

; GDT end

这里可以看到给结构体赋值的方式，每一项对应结构体中的一个成员变量。以表项LABEL_DES_VIDEO为例，0B8000h对应%1，0ffffh对应%2，DA_DRW对应%3。

注意：表项LABEL_DES_CODE32保存的是我们要跳入的32位代码段的GDT表项，其中Base Addr是0，因为此时还不知道32为代码段的地址，在后面的16为代码段中才会设置它。

1.1.2  Gdtr

GdtLen  equ $ - LABEL_DES_GDT   ; Gdt Len

GdtPtr   dw  GdtLen - 1      ; Gdt Limit

         dd  0               ; Gdt Base Addr

GDT表的地址保存在寄存器Gdtr中，该地址首先通过上面的语句计算而得后存在变量GdtPtr中，之后才加载。GdtPtr低2字节保存GDT表长度，通过“$ - LABEL_DES_GDT”计算而得。GdtPtr高4字节保存GDT表基址，这里先置0，后面会存入地址。

 

1.1.3  Selector选择子

; Gdt Selector

SelectorCode32  equ LABEL_DES_CODE32 - LABEL_DES_GDT

SelectorVideo   equ LABEL_DES_VIDEO - LABEL_DES_GDT

 

选择子Selector中保存的是各段对应GDT表项相对地址，通过上面的语句计算而得。

 

1.1.4  16位段与32位段

[SECTION .s16]

[BITS 16]

……

[SECTION .s32]

[BITS 32]

……

由于本程序实现了有实模式到保护模式的跳转，所以需要在程序中定义两个代码段，一个是16位段；一个是32位段。

1.1.5  初始化32位代码段描述符

       ; Init 32 bits code segment descriptor

    xor eax, eax

    mov ax, cs

    shl eax, 4

    add eax, LABEL_CODE32

    mov word [LABEL_DES_CODE32 + 2], ax

    shr eax, 16

    mov byte [LABEL_DES_CODE32 + 4], al

    mov byte [LABEL_DES_CODE32 + 7], ah

 

首先要设置32为代码段对应GDT表项的基址。基址对应着表项中的第2、3、4、7，四个字节。

1.1.6  准备加载gdtr

    ; Prepare for loading gdtr

    xor eax, eax

    mov ax, cs

    shl eax, 4

    add eax, LABEL_DES_GDT

    mov dword [GdtPtr + 2], eax

这段代码用于设置变量GdtPtr，长度为2字节。

1.1.7  加载gdtr

    ; Load gdtr

    lgdt [GdtPtr]

此处加载gdtr寄存器，x86使用专门的指令lgdt实现gdtr寄存器的设置。

1.1.8  关闭中断

    ; close int

    Cli

由于实模式与保护模式下的中断模式不同，所以在实模式/保护模式转换时必须关闭中断。

1.1.9  打开A20

    ; open A20

    in al, 92h

    or al, 00000010b

    out 92h, al

80286及之前的cpu最大寻址空间为1M，超过1M的地址（也就是使用了A20之后的地址线），会开始从0重新计算，即使跳入保护空间，也无法使用超过1M的地址。

80386开始，增加了保护模式，寻址空间变为4G。为了与80286之前的cpu兼容，超过1M的地址平时是关闭的，只有打开A20后才能访问超过1M的地址。

上面只是打开A20的一种方式，但不是唯一的方式。

1.1.10           设置cr0的PE位

    ; open protected mode

    mov eax, cr0

    or  eax, 1

    mov cr0, eax

此处打开cr0的PE位，实际上就使能了保护模式，也就是说，“mov cr0, eax”这一句后，系统就运行于保护模式下了。但是，此时ics的值仍然是实模式下的值，我们需要把代码段的Selector选择子装入cs。

1.1.11           跳入保护模式

    ; jump into protected mode

    jmp dword SelectorCode32:0   

 

这个跳转是为了设置cs寄存器，其目的是选择子SelectorCode32对应的GDT描述符LABEL_DESC_CODE32对应的段首地址，即标号LABEL_    CODE32C处。

该句指令还在16位段中执行，而目标地址却是32位的，从这一点上看，他是混合16位于32位的代码。所以，jmp后的dword就必不可少了。如果没有dword，编译出来的只是16位代码。假设目标地址偏移量为0x12345678，执行jmp SelectorCode32:0x12345678，则等价于jmp SelectorCode32:0x5678。

Nasm编译器的好处之一就是可以通过jmp后添加dword，指定编译后为32位指令。

至此，我们真正跳入了保护模式。

 

1.1.12           显示字符

LABEL_CODE32:

    mov eax, SelectorVideo

    mov gs, eax

    mov edi, (80 * 6 + 6) * 2      ; Line: 6, Column: 6

    mov ah, 0Ch                         ; 0000: background(black)    1100: foreground(red)

    mov al, 'P'

    mov [gs:edi], ax

这是进入保护模式后执行的代码。SelectorVideo选择子对应着显存的基址，我们通过把‘P’放入显存，实现了字符‘P’的显示。

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