保护模式与实模式的切换

参考于渊的《自己动手写操作系统》第三章中从实模式切换到保护模式，最后有重新切回实模式的代码（代码如下）:
下面代码有些宏定义没贴出来，应该能看明白。

  1; ==========================================
  2; pmtest2.asm
  3; 编译方法：nasm pmtest2.asm -o pmtest2.com
  4; ==========================================
  5
  6%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明
  7
  8org    0100h
  9    jmp    LABEL_BEGIN
 10
 11[SECTION .gdt]
 12; GDT
 13;                                         段基址,       段界限     , 属性
 14LABEL_GDT:        Descriptor           0,                 0, 0             ; 空描述符
 15LABEL_DESC_NORMAL:    Descriptor           0,            0ffffh, DA_DRW        ; ***注意此处为Normal 描述符*****
 16LABEL_DESC_CODE32:    Descriptor           0,  SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32    ; 非一致代码段, 32
 17LABEL_DESC_CODE16:    Descriptor           0,            0ffffh, DA_C        ; 非一致代码段, 16
 18LABEL_DESC_DATA:    Descriptor           0,    DataLen - 1, DA_DRW        ; Data
 19LABEL_DESC_STACK:    Descriptor           0,        TopOfStack, DA_DRWA + DA_32    ; Stack, 32 位
 20LABEL_DESC_TEST:    Descriptor    0500000h,            0ffffh, DA_DRW
 21LABEL_DESC_VIDEO:    Descriptor     0B8000h,            0ffffh, DA_DRW        ; 显存首地址
 22; GDT 结束
 23
 24GdtLen        equ    $ - LABEL_GDT    ; GDT长度
 25GdtPtr        dw    GdtLen - 1    ; GDT界限
 26        dd    0        ; GDT基地址
 27
 28; GDT 选择子
 29SelectorNormal        equ    LABEL_DESC_NORMAL    - LABEL_GDT
 30SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32    - LABEL_GDT
 31SelectorCode16        equ    LABEL_DESC_CODE16    - LABEL_GDT
 32SelectorData        equ    LABEL_DESC_DATA        - LABEL_GDT
 33SelectorStack        equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
 34SelectorTest        equ    LABEL_DESC_TEST        - LABEL_GDT
 35SelectorVideo        equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT
 36; END of [SECTION .gdt]
 37
 38[SECTION .data1]     ; 数据段
 39ALIGN    32
 40[BITS    32]
 41LABEL_DATA:
 42SPValueInRealMode    dw    0
 43; 字符串
 44PMMessage:        db    "In Protect Mode now. ^-^", 0    ; 进入保护模式后显示此字符串
 45OffsetPMMessage        equ    PMMessage - $$
 46StrTest:        db    "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
 47OffsetStrTest        equ    StrTest - $$
 48DataLen            equ    $ - LABEL_DATA
 49; END of [SECTION .data1]
 50
 51
 52; 全局堆栈段
 53[SECTION .gs]
 54ALIGN    32
 55[BITS    32]
 56LABEL_STACK:
 57    times 512 db 0
 58
 59TopOfStack    equ    $ - LABEL_STACK - 1
 60
 61; END of [SECTION .gs]
 62
 63
 64[SECTION .s16]
 65[BITS    16]
 66LABEL_BEGIN:
 67    mov    ax, cs
 68    mov    ds, ax
 69    mov    es, ax
 70    mov    ss, ax
 71    mov    sp, 0100h
 72
 73    mov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
 74    mov    [SPValueInRealMode], sp
 75
 76    ; 初始化 16 位代码段描述符
 77    mov    ax, cs
 78    movzx    eax, ax
 79    shl    eax, 4
 80    add    eax, LABEL_SEG_CODE16
 81    mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
 82    shr    eax, 16
 83    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
 84    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah
 85
 86    ; 初始化 32 位代码段描述符
 87    xor    eax, eax
 88    mov    ax, cs
 89    shl    eax, 4
 90    add    eax, LABEL_SEG_CODE32
 91    mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
 92    shr    eax, 16
 93    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
 94    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah
 95
 96    ; 初始化数据段描述符
 97    xor    eax, eax
 98    mov    ax, ds
 99    shl    eax, 4
100    add    eax, LABEL_DATA
101    mov    word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
102    shr    eax, 16
103    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
104    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah
105
106    ; 初始化堆栈段描述符
107    xor    eax, eax
108    mov    ax, ds
109    shl    eax, 4
110    add    eax, LABEL_STACK
111    mov    word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
112    shr    eax, 16
113    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
114    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah
115
116    ; 为加载 GDTR 作准备
117    xor    eax, eax
118    mov    ax, ds
119    shl    eax, 4
120    add    eax, LABEL_GDT        ; eax <- gdt 基地址
121    mov    dword [GdtPtr + 2], eax    ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址
122
123    ; 加载 GDTR
124    lgdt    [GdtPtr]
125
126    ; 关中断
127    cli
128
129    ; 打开地址线A20
130    in    al, 92h
131    or    al, 00000010b
132    out    92h, al
133
134    ; 准备切换到保护模式
135    mov    eax, cr0
136    or    eax, 1
137    mov    cr0, eax
138
139    ; 真正进入保护模式
140  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;在此由实模式切进保护模式;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
141    jmp    dword SelectorCode32:0    ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处
142
143;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
144
145LABEL_REAL_ENTRY:        ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
146    mov    ax, cs
147    mov    ds, ax
148    mov    es, ax
149    mov    ss, ax
150
151    mov    sp, [SPValueInRealMode]
152
153    in    al, 92h        ; ┓
154    and    al, 11111101b    ; ┣ 关闭 A20 地址线
155    out    92h, al        ; ┛
156
157    sti            ; 开中断
158
159    mov    ax, 4c00h    ; ┓
160    int    21h        ; ┛回到 DOS
161; END of [SECTION .s16]
162
163
164[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
165[BITS    32]
166
167LABEL_SEG_CODE32:
168    mov    ax, SelectorData
169    mov    ds, ax            ; 数据段选择子
170    mov    ax, SelectorTest
171    mov    es, ax            ; 测试段选择子
172    mov    ax, SelectorVideo
173    mov    gs, ax            ; 视频段选择子
174
175    mov    ax, SelectorStack
176    mov    ss, ax            ; 堆栈段选择子
177
178    mov    esp, TopOfStack
179
180
181    ; 下面显示一个字符串
182    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
183    xor    esi, esi
184    xor    edi, edi
185    mov    esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移
186    mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2    ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
187    cld
188.1:
189    lodsb
190    test    al, al
191    jz    .2
192    mov    [gs:edi], ax
193    add    edi, 2
194    jmp    .1
195.2:    ; 显示完毕
196
197    call    DispReturn
198
199    call    TestRead
200    call    TestWrite
201    call    TestRead
202
203    ; 到此停止
204  ;**********注意在此由32位代码段跳至16位代码段**********************
205    jmp    SelectorCode16:0
206
207; ------------------------------------------------------------------------
208TestRead:
209    xor    esi, esi
210    mov    ecx, 8
211.loop
212    mov    al, [es:esi]
213    call    DispAL
214    inc    esi
215    loop    .loop
216
217    call    DispReturn
218
219    ret
220; TestRead 结束-----------------------------------------------------------
221
222
223; ------------------------------------------------------------------------
224TestWrite:
225    push    esi
226    push    edi
227    xor    esi, esi
228    xor    edi, edi
229    mov    esi, OffsetStrTest    ; 源数据偏移
230    cld
231.1:
232    lodsb
233    test    al, al
234    jz    .2
235    mov    [es:edi], al
236    inc    edi
237    jmp    .1
238.2:
239
240    pop    edi
241    pop    esi
242
243    ret
244; TestWrite 结束----------------------------------------------------------
245
246
247; ------------------------------------------------------------------------
248; 显示 AL 中的数字
249; 默认地:
250;    数字已经存在 AL 中
251;    edi 始终指向要显示的下一个字符的位置
252; 被改变的寄存器:
253;    ax, edi
254; ------------------------------------------------------------------------
255DispAL:
256    push    ecx
257    push    edx
258
259    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
260    mov    dl, al
261    shr    al, 4
262    mov    ecx, 2
263.begin:
264    and    al, 01111b
265    cmp    al, 9
266    ja    .1
267    add    al, '0'
268    jmp    .2
269.1:
270    sub    al, 0Ah
271    add    al, 'A'
272.2:
273    mov    [gs:edi], ax
274    add    edi, 2
275
276    mov    al, dl
277    loop    .begin
278    add    edi, 2
279
280    pop    edx
281    pop    ecx
282
283    ret
284; DispAL 结束-------------------------------------------------------------
285
286
287; ------------------------------------------------------------------------
288DispReturn:
289    push    eax
290    push    ebx
291    mov    eax, edi
292    mov    bl, 160
293    div    bl
294    and    eax, 0FFh
295    inc    eax
296    mov    bl, 160
297    mul    bl
298    mov    edi, eax
299    pop    ebx
300    pop    eax
301
302    ret
303; DispReturn 结束---------------------------------------------------------
304
305SegCode32Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE32
306; END of [SECTION .s32]
307
308
309; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
310[SECTION .s16code]
311ALIGN    32
312[BITS    16]
313LABEL_SEG_CODE16:
314    ; 跳回实模式:
315  ;****************注意在此用normal选择子对段寄存器进行填充******************************
316    mov    ax, SelectorNormal
317    mov    ds, ax
318    mov    es, ax
319    mov    fs, ax
320    mov    gs, ax
321    mov    ss, ax
322
323    mov    eax, cr0
324    and    al, 11111110b
325    mov    cr0, eax
326
327;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;在此由保护模式切进实模式;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
328LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
329    jmp    0:LABEL_REAL_ENTRY    ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值
330
331Code16Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE16
332
333; END of [SECTION .s16code]
334

注意一．在由保护模式切换到实模式之前，用normal选择子对段寄存器进行填充。

原因：

在切换到实模式之前，把一个指向似乎没有用的数据段的描述符Normal的选择子装载到DS和ES。这是为什么呢?

实模 式下 段描 述符 高速 缓冲 寄存 器的 内容

段寄存器

段基地址

段界限(固定)

段属性(固定)

存在性

特权级

已存取

粒度

扩展方向

可读性

可写性

可执行

堆栈大小

一致特权

CS

当前CS*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

Y

-

N

SS

当前SS*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

N

W

-

DS

当前DS*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

N

-

-

ES

当前ES*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

N

-

-

FS

当前FS*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

N

-

-

GS

当前GS*16

0000FFFFH

Y

0

Y

B

U

Y

Y

N

-

-

     在分段管理机制中，每个段寄存器都配有段描述符高速缓冲寄存器，这些高速缓冲寄存器在实方式下仍发挥作用，只是内容上与保护模式下有所不同。如上表所示，其中“Y”表示“是”； “N”表示“否”；“B”表示字节；“U”表示向上扩展，“W”表示以字方式操作堆栈。段基地址仍是 32位，其值是相应段寄存器值(段值)乘以16，在把段值装载到段寄存器时刷新。由于其值是16位段值乘上16，所以在实模式下基地址实际上有效位只有20位。每个段的32位段界限都固定为0FFFFH，段属性的许多位也是固定的。所谓固定是指在实方式下不可设置这些属性值，只能继续沿用保护方式下所设置的值。因此，在准备结束保护模式回到实模式之前，要通过加载一个合适的描述符选择子（如实例代码中的Normal选择子）到有关段寄存器，以使得对应段描述符高速缓冲寄存器中含有合适的段界限和属性。

 

也就是说，在实模式下装载段寄存器并不会影响段告诉缓冲寄存器的值，比如段界限（其实在实模式也没有必要改变，应为段界限一直都是0ffffh），这也就是为甚麽所有讲保护模式的树在讲到有保护模式切换到实模式时都要加载一个normal选择子的原因了。

应为必须在保护模式下设置好段高速缓冲寄存器的值，因为一旦到了实模式下就不能在改变了。

经我试验，对于normal的描述符，其最重要是段界限一定要设置为0ffffh，如果不是这样，那莫在由保护模式跳转到实模式后会发生错误（对于上述代码如果把normal描述符的段界限改为别的的话，在跳转后会产生死循环的现象，具体是什么原因现在还不明确，哪位高人知道一定要告诉我啊~~）。其次就是属性的设置一定要设置为可读可写的，否则也会发生错误.

 

注意二：不能从32位代码段返回实模式,而只能从16位代码段返回。

mov ax, SelectorNormal
317 mov ds, ax
318 mov es, ax
319 mov fs, ax
320 mov gs, ax
321 mov ss, ax

从上述代码可以看出：ds,es,fs,gs,ss这些段寄存器对应的高速缓冲寄存器中的内容可以通过加载normal选择子而得到更新，当向这 几个段寄存器中装入normal选择子时，会自动地将normal对应的描述符装载到描述符高速缓冲寄存器中，因normal选择子所对应的描述符的属性 符合实模式下的要求，即：段界限为ffffh,段属性也是固定的。
但是：CS寄存器是不可以通过装载normal来更新CS对应的高速缓冲寄存器的，为什么：你能写出这样的指令吗：MOV CS，SelectorNormal，汇编中没有这样的指令。
即然这样，那怎么可以让CS对应的高速缓冲寄存器中的内容符合实模式的要求呢？
方法是这样的：因为CS的值只能通过jmp,call这样的指令去改变，所以，定义一个16位的代码段，这个代码段的描述符定义为：段界限0ffffh,段属性：存在的只执行代码段
假设这个代码段的选择子为：select32,偏移地址为：offsetaddr
用一条转移指令向这段代码跳转：jmp select32:offsetaddr
因现在处于保护模式，所以jmp指令执行的结果是将select32对应的描述符装入cs对应的描述符高速缓冲寄存器中，这个描述符就是符合实模 式要求的。这样，CS段寄存器对应的高速缓冲寄存器中的内容终于达到实模式的要求了，所以现在可以进行从保护模式到实模式跳转了，再用一条jmp语句就可 以从保护模式跳转到实模式了。