分类： LINUX
2008-06-02 19:24:45
段机制轻松体验
内存寻址：
实模式下的内存寻址：
让我们首先来回顾实模式下的寻址方式
段首地址×16＋偏移量 ＝ 物理地址
为什么要×16？因为在8086CPU中，地址线是20位，但寄存器是16位的，最高寻址64KB，它无法寻址到1M内存。于是，Intel设计了这种寻
址方式，先缩小4位成16位放入到段寄存器，用到时候，再将其扩大到20位，这也造成了段的首地址必须是16的倍数的限制。
公式：xxxx:yyyy
保护模式下分段机制的内存寻址：
分段机制是利用一个称作段选择符的偏移量，从而到描述符表找到需要的段描述符，而这个段描述符中就存放着真正的段的物理首地址，再加上偏移量
一段话，出现了三个新名词：
段选择子
描述符表
段描述符
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
我们现在可以这样来理解这段话：
有一个结构体类型，它有三个成员变量：
段物理首地址
段界限
段属性
内存中，维护一个该结构体类型的数组。
而分段机制就是利用一个索引，找到该数组对应的结构体，从而得到段的物理首地址，然后加上偏移量，得到真正的物理地址。
公式：xxxx:yyyyyyyy
其中，xxxx也就是索引，yyyyyyyy是偏移量（因为32位寄存器，所以8个16进制）xxxx存放在段寄存器中。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
现在，我们来到过来分析一下那三个新名词：
段描述符：一个结构体，它有三个成员变量：
段物理首地址
段界限
段属性
描述符表：也就是一个数组，什么样的数组呢？是一个段描述符组成的数组。
段选择子： 也就是数组的索引，但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标，而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址（也就是全局描述表的首地址）偏移位置。
就这么简单，如图：
图中，通过Selector（段选择子）找到存储在Descriptor Table（描述符表）中某个Descriptor（段描述符），该段描述符中存放有该段的物理首地址，所以就可以找到内存中真正的物理段首地址Segment
Offset（偏移量）：就是相对该段的偏移量
物理首地址 ＋ 偏移量 就得到了物理地址 本图就是DATA
但这时，心细的朋友就发现了一个GDTR这个家伙还没有提到!
我们来看一下什么是GDTR
Global Descriptor Table Register（全局描述符表寄存器）
但是这个寄存器有什么用呢 ？
大家想一下，段描述符表现在是存放在内存中，那CPU是如何知道它在哪里呢？所以，Iterl公司设计了一个全局描述符表寄存器，专门用来存放段描述符表的首地址，以便找到内存中段描述符表。
这时，段描述符表地址被存到GDTR寄存器中了。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
好了，分析就到这，我们来看一下正式的定义：
当x86 CPU 工作在保护模式时，可以使用全部32根地址线访问4GB的内存，因为80386的所有通用寄存器都是32位的，所以用任何一个通用寄存器来间接寻址，不比分段就可以访问4G空间中任意的内存地址。
但这并不意味着，此时段寄存器就不再有用了。实际上，段寄存器更加有用了，虽然再寻址上没有分段的限制了，但在保护模式下，一个地址空间是否可以被写入，
可以被多少优先级的代码写入，是不是允许执行等等涉及保护的问题就出来了。要解决这些问题，必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。段寄存器这时就派上
了用场。但是设计属性和保护模式下段的参数，要表示的信息太多了，要用64位长的数据才能表示。我们把着64位的属性数据叫做段描述符，上面说过，它包含
3个变量：
段物理首地址、段界限、段属性
80386的段寄存器是16位（注意：通用寄存器在保护模式下都是32位，但段寄存器没有被改变）的，无法放下保护模式下64位的段描述符。如何解决这个
问题呢？方法是把所有段的段描述符顺序存放在内存中的指定位置，组成一个段描述符表（Descriptor
Table）；而段寄存器中的16位用来做索引信息，这时，段寄存器中的信息不再是段地址了，而是段选择子（Selector）。可以通过它在段描述符表
中“选择”一个项目已得到段的全部信息。
那么段描述符表存放在哪里呢？80386引入了两个新的寄存器来管理段描述符，就是GDTR和LDTR，（LDTR大家先忘记它，随着学习的深入，我们会在以后学习）。
这样，用以下几步来总体体验下保护模式下寻址的机制
1、段寄存器中存放段选择子Selector
2、GDTR中存放着段描述符表的首地址
3、通过选择子根据GDTR中的首地址，就能找到对应的段描述符
4、段描述符中有段的物理首地址，就得到段在内存中的首地址
5、加上偏移量，就找到在这个段中存放的数据的真正物理地址。
好的，那我们开始编码，看看如何实现先前描述的内容
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
首先，既然我们需要一个数组，全局描述符表，那我们就定义一块连续的结构体：
[SECTION .gdt] ;为了代码可读性，我们将这个数组放到一个节中
；由一块连续的地址组成的，不就是一个数组吗？看下面代码，^_^
段基地址 段界限 段属性
GDT_BEGIN: Descriptor 0, 0, 0
GDT_CODE32: Descriptor 0, 0, DA_C
;上面，我定义了二个连续地址的结构体，大家先认为Descriptor就是一个结构体类型，我们会在以后详细讲述
；第一个结构体，全部是0，是为了遵循Interl规范，先记得就OK
；第二个定义了一个代码段，段基地址和段界限我们暂且还不知道，先初始化为0，但是因为是个代码段，代码段具备执行的属性，那么DA_C就代表是一个可执行代码段，DA_C是一个预先定义好的常量，我们会在详细讲解段描述符中讲解。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
我们继续来实现，那么下面，我们就需要设计段选择子了，因为上面代码已经包含了段描述符和全局描述符表
还记得选择子是个什么东西吗 ？
段选择子： 也就是数组的索引，但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标，而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址（也就是全局描述表的首地址）偏移位置。
看我代码怎么实现，包含以上代码不再说明:
[SECTION .gdt]
GDT_BEGIN: Descriptor 0, 0, 0
GDT_CODE32: Descriptor 0, 0, DA_C
;下面是定义代码段选择子，它就是相对数组首地址的偏移量
SelectorCode32 equ GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
;因为第一个段描述符，不被使用，所以就不比设置段选择子了。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
偏移地址：
注意一点，我们在程序中使用的都是偏移地址，相对于段的偏移地址，用上面的例子来说，象 GDT_CODE32 GDT_BEGIN 这些结构体的首地址都是相对于数据段的偏移量。什么意思呢 ？
因为我们的程序到底加载到内存的哪个地方是不固定，不知道的，只需使用偏移地址操作就行了，如：
SelectorCode32 ，它本身就是一个偏移地址
但是SelectorCode32 equ GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
怎么解释呢 ？
GDT_CODE32是相对于数据段的偏移量，
GDT_BEGIN也是相对于数据段的偏移量，虽然它是数组的首地址，说的罗索一些，GDT_BEGIN是数组的首地址，但是它是相对于数据段的偏移量
那么两个偏移量相减就是GDT_CODE32 相对于GDT_BEGIN的偏移量
所以，我们要时时刻刻记得，在程序中，我们永远使用的是偏移量，因为我们不知道程序将要被加载内存那块地方。
好了，基础也学的差不多了，下面我们要自己动手写一段程序，实现实模式到保护模式之间的跳转
=====================================================================
;实现从实模式到保护模式之间的跳转
；参考：《自己动手写操作系统》
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%include "pm.inc"
org 0100h
jmp LABEL_BEGIN
[SECTION .gdt]
GDT_BEGIN: Descriptor 0, 0, 0
GDT_CODE32: Descriptor 0, LenOfCode32 - 1, DA_C + DA_32
GDT_VIDEO: Descriptor 0B8000H, 0FFFFH, DA_DRW
GdtLen equ $ - GDT_BEGIN
GdtPtr dw GdtLen - 1
dd 0
;定义段选择子
SelectorCode32 equ GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
SelectorVideo equ GDT_VIDEO - GDT_BEGIN
[SECTION .main]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
;初始化32位代码段选择子
;我们可以在实模式下通过段寄存器×16 ＋ 偏移两 得到物理地址，
;那么，我们就可以将这个物理地址放到段描述符中，以供保护模式下使用，
;因为保护模式下只能通过段选择子 ＋ 偏移量
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE32
mov word [GDT_CODE32 + 2],ax
shr eax, 16
mov byte [GDT_CODE32 + 4],al
mov byte [GDT_CODE32 + 7],ah
;得到段描述符表的物理地址，并将其放到GdtPtr中
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, GDT_BEGIN
mov dword [GdtPtr + 2],eax
;加载到gdtr,因为现在段描述符表在内存中，我们必须要让CPU知道段描述符 表在哪个位置
;通过使用lgdtr就可以将源加载到gdtr寄存器中
lgdt [GdtPtr]
;关中断
cli
;打开A20线
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al
;准备切换到保护模式，设置PE为1
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
;现在已经处在保护模式分段机制下，所以寻址必须使用段选择子：偏移量来 寻址
;跳转到32位代码段中
;因为此时偏移量位32位，所以必须dword告诉编译器，不然，编译器将阶段 成16位
jmp dword SelectorCode32:0;跳转到32位代码段第一条指令开始执行
[SECTION .code32]
[BITS 32]
LABEL_CODE32:
mov ax, SelectorVideo
mov es, ax
xor edi, edi
mov edi, (80 * 10 + 10)
mov ah, 0ch
mov al, 'G'
mov [es:edi],ax
jmp $
LenOfCode32 equ $ - LABEL_CODE32
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
这段代码的大概意思是：
先在16位代码段，实模式下运行，在实模式下，通过段寄存器×16+偏移量得到32位代码的真正物理首地址，并将放入到段描述符表中，以供在保护模式下使
用，上面说过了，保护模式下寻址，是通过段选择子，段描述符表，段描述符一起工作寻址的。所以在实模式下所做的工作就是初始化段描述符表里的所有段描述
符。
我们来看一下段描述符表，它有3个段：
GDT_BEGIN
GDT_CODE32
GDT_VIDEO
GDT_BEGIN,遵循Intel公司规定，全部置0
GDT_CODE32,32位代码段描述符，供保护模式下使用
GDT_VIDEO,显存段首地址，我们知道，显存首地址是0B8000H.
回想一下，我们在实模式下往显示器上输出文字时，我们设置段寄存器为
0B800h,（注意后面比真正物理地址少一个0）。
而我们现在在保护模式下访问显存，那么0B8000h就可以直接放到段描述符中即可。因为段描述符中存放的是段的真正的物理地址。
下面我们来逐行分析该代码
org 0100h
这句话告诉加载器，将这段程序加载到偏移段首地址0100h处，即：偏移256字节处，为什么要加载到偏移256个字节处呢 ？这是因为，在DOS中，需要留下256个字节和DOS系统进行通信。
jmp LABEL_BEGIN
执行这句话就跳转到LABEL_BEGIN处开始执行。
好，我们看一下LABEL_BEGIN在那块，也就是16位代码段
[SECTION .main]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
这样程序就从.main节的第一段代码开始执行。
我们看一下上面的代码，[BITS 16]告诉编译器，这是一个16位代码段，所使用的寄存器都是16位寄存器。
该代码段初始化所有段描述符表中的段物理首地址
首先在实模式下计算出32位代码段的物理首地址
对照 段值 × 16 ＋ 偏移量 ＝ 物理地址
1 mov ax, cs
2 shl eax, 4 ;向左移动4位，不就是×16吗？呵呵
；到现在为止，eax就是代码段的物理首地址了，那么。。。看
3 add eax, LABEL_CODE32
;为eax （代码段首地址）加上 LABEL_CODE32偏移量，得到的不就是LABEL_CODE32的真正物理地址了吗 ？LABEL_CODE32在程序中，不就是32位代码段的首地址吗 ？
上面说过，代码中，使用的变量，或者标签 都是相对程序物理首地址的偏移量。
OK，现在我们已经知道了32位代码段的物理首地址，那么将eax放入到段描述符中就行了
我们先假设Descriptor就是一个结构体类型，（实际它是一个宏定义的数据结构，为了不影响整体思路，我们放到以后讲）
看一下这个Descriptor段描述符的内存模型：
; 高地址………………………………………………………………………低地址
; | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
共 8 字节
; |--------========--------========--------========--------========|
; ┏━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━┓
; ┃31..24┃ 段属性 ┃ 段基址(23..0) ┃ 段界限(15..0)┃
; ┃ ┃ ┃ | ┃ ┃
; ┃ 基址2┃ ┃基址1b│ 基址1a ┃ 段界限1 ┃
; ┣━━━╋━━━┳━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━┫
; ┃ %6 ┃ %5 ┃ %4 ┃ %3 ┃ %2 ┃ %1 ┃
; ┗━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┛
由于历史原因，段描述符的内存排列不是按照 段基地址 段界限 段属性 这样的来排列的，所以我们现在要想一种办法，把eax里所存放的物理首地址拆开，分别放到2,3,4,7字节处
那么很显然，我们可以将eax寄存器中的ax先放到2,3字节处
mov word [GDT_CODE32 + 2],ax
因为在偏移2个字节处，所以，首地址 + 2,才能定位到下标为2的字节开头处
而，word 告诉编译器，我要一次访问2个字节的内存
好，简单的搞定了，那么再看，我们现在要将eax高16字节分别放到下标为4,7字节处。
虽然eax的ax代表低16位，但是Intel并没有给高位一个名字定义，（不会是high ax，呵呵），所以，我们没有办法去访问高位。但是我们可以将高16位放到低16位中，因为这时，低16位我们已经不关心它的值了。
好，看代码
shr eax, 16
这句代码就将eax向右移动16位，低位被抛弃，高位变成了低位。呵呵。。。
现在好办了，低16位又可以分为al,和 ah，那么现在我们就将al放到4位置，ah放到7位置吧
mov byte [GDT_CODE32 + 4], AL
mov byte [GDT_CODE32 + 7], AH
不用我再解释这段代码了，自己去分析为什么吧。。。。
好了，32位代码段描述符设置好了，其界限设置看代码吧，为什么要那样设置，很简单的，界限 ＝ 长度 － 1，段属性:
DA_C: 98h 可执行
DA_32: 4000h 32位代码段
是个常量，换算成二进制位，对照段描述符属性位置去看吧，参考任意一本保护模式书。
段描述符设置好了，但是，先段描述符表，还在内存中，我们必须想办法放到寄存器中，这时，就用到了gdtr(Golbal Descriptor Table Register)，使用一条指令
lgdtr [GdtPtr]
就可以将GdtPtr加载到gdtr中
而gdtr的内存模型是：
高字节 低字节
但GdtPtr是什么呢 ？
就是我们定义的和这个寄存器内存模型一摸一样的结构体:
GdtLen equ $ - LABEL_BEGIN
GdtPtr dw GdtLen - 1 ；界限
dd 0 ；真正物理地址
那现在我们就要计算GdtPtr第二个字节 也就是真正物理地址了
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, GDT_BEGIN
mov dword [GdtPtr + 2],eax
自己分析吧，和计算32位段首地址基本一样的，
搞定后，使用lgdt [GdtPtr]就将此加载到寄存器GDTR中了
然后关中断
cli 实模式下的中断和保护模式下的中断处理不一样，那就关吧，规矩
开启A20线
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al
如果不开启A20线，就无办法访问1M之上的内存，没办法，开启吧，规矩，想知道历史了，去查吧
然后设置CR0的PE位
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
这个简单说一下，以后再详细
CR0也是一个寄存器，其中有个PE位，如果为0，就说明为实模式，
如果置1，说明为保护模式。现在我们要进入保护模式下工作，那么就要设置PE为1。
好了，看一下这个main节中的最后一个代码
jmp dword SelectorCode32 : 0
哈哈，现在已经再保护模式下了，当然要使用段选择子 ＋ 偏移量来寻址啊，这样不就是寻址到了32位代码段中去了吗，偏移量为0不就说明从第一个代码开始执行。
不是吗 ？呵呵，那dword了？
因为现在的代码段是16位，编译器只能将它编译位16位，但处于保护模式下，它的偏移量应该是32位，所以，要显示告诉编译器，我这里使用的是32位，把我这块给编译成32位的！！！
如果不加dword，
jmp SelectorCode32:0
这句话不会出什么问题，16位的0是0，32位的0还是0，但如果这样呢？：
jmp SelectorCode32:0x12345678
跳转到偏移0x12345678中，这时就错了
如果不将dword,编译器就将该地址截断成16位，取低位，变成了0x5678
你说对吗 ？哈哈
所以我们必须这样做：
jmp dword SelectorCodde32:0x12345678
OKEY,我们继续追击，执行完上面那个跳转后，
代码就跳到了32位代码段的中，开始执行第一条指令
mov ax, SelectorVideo
再看
mov es,ax
呵呵，实模式下，放的是16位的段值，而现在呢，不就是要将段选择子放到段寄存器里吗 ？然后通过段选择子（偏移量）找到描述符表中对应的段描述符的吗 ！！！！
继续看下面代码
xor edi, edi
mov edi, (80 * 10 + 10)
mov ah, 0ch
mov al, 'G'
跟实模式下差不多，设置目标10行10列
设置现实字符：G
mov [es:edi],ax
也和实模式下一样，
只不过实模式是这样来寻址 ：
es×16 ＋ edi
而保护模式下呢
es是一个偏移，根据这个偏移找到段描述符表中的对应显存段，然后这个显存段里存放的就是0B8000h，然后在加上偏移 不就的了吗！！！
哈哈 。。。。程序分析完毕，细节之处，自己体会去
总结：
1. 注意程序中使用的全部是偏移地址。注意两种偏移地址
A 对于程序的起始地址来说，所有变量和标签都是相对于整个程序的偏移量
B 对于段中定义的代码，有两种偏移：
相对于程序起始地址的偏移
相对于段标签的偏移。
2.不管是实模式下的物理地址，还是保护模式下的物理地址，反正他们都是物理地址，呵呵，实模式下求的物理地址，也能在保护模式下使用，只是他们不同的是，如何寻址的方式不一样。
3.一个程序中可以包含多个不同位的段，32位或者16位，他们之间也可以互相跳转，只是32位段用的是32位寄存器，16位代码段用的是16位寄存器，如果要在16位段下使用32位寄存器，必须象高级语言中强制类型转换一样，显示的定义 dword
参考：