《Orange's 一个操作系统的实现》学习笔记--LDT

LDT(Local Descriptor Table)它和GDT差不多，都是描述符表（Descriptor Table）区别仅仅在于全局（Global）和局部（Local）的不同。局部描述符表可以有若干张，每个任务可以有一张。

LDT和GDT从本质上说是相同的，只是LDT嵌套在GDT之中。LDTR记录局部描述符表的起始位置，与GDTR不同LDTR的内容是一个段选择子。由于LDT本身同样是一段内存，也是一个段，所以它也有个描述符描述它，这个描述符就存储在GDT中，对应这个表述符也会有一个选择子，LDTR装载的就是这样一个选择子。LDTR可以在程序中随时改变，通过使用lldt指令。

; ==========================================
; pmtest3.asm
; 编译方法：nasm pmtest3.asm -o pmtest3.com
; ==========================================;常量, 宏, 以及一些说明
DA_32       EQU    4000h   ; 32 位段
DA_C        EQU    98h     ; 存在的只执行代码段属性值
DA_LDT      EQU    82h     ; 局部描述符表段类型值
DA_DRW      EQU    92h     ; 存在的可读写数据段属性值
DA_DRWA     EQU    93h     ; 存在的已访问可读写数据段类型值
ATCE32      EQU    4098h   ;存在的只执行32代码段属性值
DA_DPL1     EQU    20h     ; DPL = 1SA_TIG     EQU 0      ;将TI位置0
SA_TIL      EQU 4      ;将TI位置1
;下面是宏定义
; 有三个参数：段界限,段基址,段属性其中宏定义中的%1代表参数1，%2代表参数2，%3代表参数3
%macro Descriptor 3    dw  %2 & 0FFFFh             ; 段界限1（参数2的低16位）  dw  %1 & 0FFFFh             ; 段基址1（参数1的低16位）  db  (%1 >> 16) & 0FFh       ; 段基址2（参数1的16-23位）  dw  ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F000h)| (%3 & 000FFh) ; 属性1（高4位） + 段界限2（高4位） + 属性2（低8位）  db  (%1 >> 24) & 0FFh       ; 段基址3（参数1的24-31位）
%endmacro ; 共 8 字节
;段界限共20位，段基地址30位，段属性共16位（含段界限高4位）
org 0100hjmp    LABEL_BEGIN[SECTION .gdt]
; GDT
;                                         段基址,       段界限     , 属性
LABEL_GDT:         Descriptor       0,                 0, 0         ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor       0,            0ffffh, DA_DRW    ; Normal 描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor       0,  SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32 ; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor       0,            0ffffh, DA_C      ; 非一致代码段, 16
LABEL_DESC_DATA:   Descriptor       0,       DataLen - 1, DA_DRW+DA_DPL1; Data
LABEL_DESC_STACK:  Descriptor       0,        TopOfStack, DA_DRWA + DA_32; Stack, 32 位
LABEL_DESC_LDT:    Descriptor       0,        LDTLen - 1, DA_LDT    ; LDT
LABEL_DESC_VIDEO:  Descriptor 0B8000h,            0ffffh, DA_DRW    ; 显存首地址
; GDT 结束GdtLen      equ $ - LABEL_GDT   ; GDT长度
GdtPtr      dw  GdtLen - 1  ; GDT界限dd   0       ; GDT基地址; GDT 选择子
SelectorNormal      equ LABEL_DESC_NORMAL   - LABEL_GDT
SelectorCode32      equ LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT
SelectorCode16      equ LABEL_DESC_CODE16   - LABEL_GDT
SelectorData        equ LABEL_DESC_DATA     - LABEL_GDT
SelectorStack       equ LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
SelectorLDT     equ LABEL_DESC_LDT      - LABEL_GDT
SelectorVideo       equ LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt][SECTION .data1]  ; 数据段
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode   dw  0
; 字符串
PMMessage:      db  "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage     equ PMMessage - $$                  ;PMMessage起始地址偏移
PMMessage2:     db  "hello world!"
PMMessage2Len       equ     $ - PMMessage2OffsetPMMessage2  equ PMMessage2 - $$DataLen          equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]; 全局堆栈段
[SECTION .gs]
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_STACK:times 512 db 0    ;栈大小
TopOfStack  equ $ - LABEL_STACK - 1   ;栈顶指针; END of [SECTION .gs][SECTION .s16]
[BITS   16]
LABEL_BEGIN:mov ax, csmov   ds, axmov   es, axmov   ss, axmov   sp, 0100hmov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax;如果不懂请看前面文章分析mov  [SPValueInRealMode], sp; 初始化 16 位代码段描述符mov  ax, csmovzx eax, ax ;零扩展指令shl   eax, 4  ;段值*16 add  eax, LABEL_SEG_CODE16               ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 mov   word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax    ;基地址1  shr eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al    ;基地址2mov   byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah    ;基地址3; 初始化 32 位代码段描述符xor   eax, eaxmov ax, csshl   eax, 4   ;段值*16 add eax, LABEL_SEG_CODE32  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax  ;基地址1shr eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al   ;基地址2mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah   ;基地址3; 初始化数据段描述符xor eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4   ;段值*16 add eax, LABEL_DATA  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 mov  word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax   ;基地址1shr  eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al   ;基地址2mov  byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah   ;基地址3; 初始化堆栈段描述符xor   eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4   ;段值*16 add eax, LABEL_STACK  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], axshr eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_STACK + 4], almov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符xor    eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4  ;段值*16add   eax, LABEL_LDT  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 (LDT表基地址)mov  word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax ;基地址1shr eax, 16mov  byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al  ;基地址2mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah  ;基地址3; 初始化 LDT 中的描述符xor eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4   ;段值*16 add eax, LABEL_CODE_A  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 （LDT表对应的代码段的基地址）mov  word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax  ;基地址1shr  eax, 16mov  byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al  ;基地址2mov  byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah  ;基地址3xor  eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4   ;段值*16 add eax, LABEL_CODE_B  ;段值*16+偏移=16位代码段基地址 （LDT表对应的代码段的基地址）mov  word [LABEL_LDT_DESC_CODEB + 2], ax  ;基地址1shr  eax, 16mov  byte [LABEL_LDT_DESC_CODEB + 4], al  ;基地址2mov  byte [LABEL_LDT_DESC_CODEB + 7], ah  ;基地址3; 为加载 GDTR 作准备xor    eax, eaxmov ax, dsshl   eax, 4  ;基地址2add    eax, LABEL_GDT      ; eax <- gdt 基地址mov  dword [GdtPtr + 2], eax    ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; 加载 GDTRlgdt  [GdtPtr]; 关中断cli; 打开地址线A20in    al, 92hor   al, 00000010bout    92h, al; 准备切换到保护模式mov   eax, cr0or  eax, 1mov   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;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LABEL_REAL_ENTRY:        ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里mov   ax, csmov   ds, axmov   es, axmov   ss, axmov   sp, [SPValueInRealMode]in   al, 92h     ; ┓and  al, 11111101b   ; ┣ 关闭 A20 地址线out   92h, al     ; ┛sti          ; 开中断mov    ax, 4c00h   ; ┓int  21h     ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS   32]LABEL_SEG_CODE32:mov ax, SelectorDatamov ds, ax          ; 数据段选择子mov ax, SelectorVideomov    gs, ax          ; 视频段选择子mov ax, SelectorStackmov    ss, ax          ; 堆栈段选择子mov esp, TopOfStack; 下面显示一个字符串mov   ah, 0Ch         ; 0000: 黑底    1100: 红字xor   esi, esixor edi, edimov esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移mov  edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。cld    ;设置数据传输方向
.1:lodsb                 ;从[ds:esi]中去一个字符送入al  test al, al        ;判断是否到字符串末尾（以0结尾）  jz   .2            ;是->跳转  mov    [gs:edi], ax  ;否->输入到显存add   edi, 2        ;指针加2（一个字符占两个字节）jmp .1
.2: ; 显示完毕call  DispReturn    ;换行  ; Load LDTmov    ax, SelectorLDT   lldt  ax      ;加载LDT在GDT中的描述符call SelectorLDTCodeB:0      ; 跳入局部任务push    SelectorLDTCodeAxor eax,eaxpush eaxretf ; 跳入局部任务;jmp    SelectorLDTCodeA:0
; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:push eaxpush ebxmov  eax, edi ;获取当前光标的显存偏移  mov  bl, 160  ;每行80字符,每个字符占两个字节（字符ASCII码+字符属性）,所以一行共80*2=160个字节  div bl       ;获取当前行数（在显存中行数从0开始编号的）and    eax, 0FFh ;取低8位（在当前页，否则有可能输出到其它页了，显示器不会显示的）inc  eax      ;下一行mov    bl, 160mul  bl       ;确定下一行开始的字节数mov    edi, eax ;更新edi寄存器pop   ebxpop  eaxret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------SegCode32Len    equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]
ALIGN   32
[BITS   16]
LABEL_SEG_CODE16:; 跳回实模式:mov    ax, SelectorNormal  ;设置实模式下的数据段mov  ds, axmov   es, axmov   fs, axmov   gs, axmov   ss, axmov   eax, cr0and al, 11111110b;设置cr0的0位（PE位，PE=0准备进入实模式）  mov  cr0, eax     ;更新cr0LABEL_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
[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
LABEL_LDT_DESC_CODEB: Descriptor 0, CodeBLen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位
LDTLen      equ $ - LABEL_LDT ;LDT表长度; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA    equ LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
SelectorLDTCodeB    equ LABEL_LDT_DESC_CODEB    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_CODE_A:mov    ax, SelectorVideomov    gs, ax          ; 视频段选择子(目的)mov edi, (80 * 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 12 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]; CodeB (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .lb]
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_CODE_B:mov    ax, SelectorVideomov    gs, ax          ; 视频段选择子(目的)mov     ax,SelectorData;mov     ds,axmov     esi,OffsetPMMessage2    ;mov     esi,PMMessage2注意不能这样写mov     ecx,PMMessage2Lenmov edi, (80 * 11 + 0) * 2 ; 屏幕第 11 行, 第 0 列。mov   ah, 0Ch         ; 0000: 黑底    1100: 红字.loop  mov     al,[ds:esi]mov [gs:edi], axadd     edi,2inc esiloop .loopretf
CodeBLen    equ $ - LABEL_CODE_B
; END of [SECTION .lb]

在这里有两个局部任务，分别对应两个ldt表，一个局部任务是输出字符‘L’，一个任务是输出‘hello world!’,当然还有一个全局任务，输入字符‘In Protect Mode now.’程序先在实模式下初始化GDT,LDT表，设置相关寄存器，进入保护模式，输出一个字符串，然后加载局部描述表LDT，进入局部任务B,执行后返回，然后执行任务A,任务A完成后跳入16位代码段，设置相关寄存器值，回到实模式，结束回到DOS.

在进入保护模式前，我们需要初始化GDT，LDT表，因为在保护模式下需要根据相应段的表，找到代码或者数据的位置，当有局部任务时，GDT中应该包含LDT表存放的位置，这样当处理器在段描述符表中找到LDT描述表后发现是局部任务，这样就可以通过其记录的LDT表的位置，找到LDT表，然后在LDT表中找到相应的段描述符，如下图所示：

段描述符表=全局任务（GDT+LDT）GDTR寄存器中用于存放全局描述符表GDT的32位线性基地址和16位的表的长度值。LDTR寄存器中用于存放局部描述符表LDT的32位线性基地址和16位的表的长度值。通过系统指令，lgdt将GDT的线性基址和长度值加载到GDTR寄存器中，lldt将LDT的线性基址和长度值加载到LDTR寄存器中。

下面解释部分代码：

call SelectorLDTCodeB:0      ; 跳入局部任务

通过call 进入局部任务B（段间转移），完成相应字符输出。

LABEL_CODE_B:mov ax, SelectorVideomov    gs, ax          ; 视频段选择子(目的)mov     ax,SelectorData;mov     ds,axmov     esi,OffsetPMMessage2    ;mov     esi,PMMessage2注意不能这样写mov     ecx,PMMessage2Lenmov edi, (80 * 11 + 0) * 2 ; 屏幕第 11 行, 第 0 列。mov   ah, 0Ch         ; 0000: 黑底    1100: 红字.loop  mov     al,[ds:esi]mov [gs:edi], axadd     edi,2inc esiloop .loopretf

任务B中初始化相应段寄存器，设置字符串指针请注意下面语句：

mov     esi,OffsetPMMessage2    ;mov     esi,PMMessage2注意不能这样写

不能用后面注释的语句，后面的语句实在实模式下的偏移地址，在保护模式中用的是相对于当前节（SECTION）的偏移地址，这个在前面也介绍过，可以参考前面文章。
任务B完成后通过retf返回（还原段选择子和偏移）。接下来准备进入任务A

        push    SelectorLDTCodeAxor eax,eaxpush eaxretf  ; 跳入局部任务;jmp    SelectorLDTCodeA:0</span>

这里模拟是call—retf指令，把段选择子和偏移压入栈中，通过retf用栈中的数据设置cs,ip,达到跳转的目的。这就是两个局部任务A和B。

下面这段代码是在LDT表中"声明"任务A,B,分别指向相应代码段，然后设置相应选择子：

; LDT
[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
LABEL_LDT_DESC_CODEB: Descriptor 0, CodeBLen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位
LDTLen      equ $ - LABEL_LDT ;LDT表长度; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA    equ LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
SelectorLDTCodeB    equ LABEL_LDT_DESC_CODEB    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

纯DOS下运行结果：

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