进入保护模式(一)——《x86汇编语言:从实模式到保护模式》读书笔记12
之前已经做了一些理论上的铺垫,这次我们就可以看代码了。
一、代码清单
;代码清单11-1;文件名:c11_mbr.asm;文件说明:硬盘主引导扇区代码 ;创建日期:2011-5-16 19:54;设置堆栈段和栈指针 mov ax,cs mov ss,axmov sp,0x7c00;计算GDT所在的逻辑段地址 mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00] ;低16位 mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02] ;高16位 mov bx,16 div bx mov ds,ax ;令DS指向该段以进行操作mov bx,dx ;段内起始偏移地址 ;创建0#描述符,它是空描述符,这是处理器的要求mov dword [bx+0x00],0x00mov dword [bx+0x04],0x00 ;创建#1描述符,保护模式下的代码段描述符mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff mov dword [bx+0x0c],0x00409800 ;创建#2描述符,保护模式下的数据段描述符(文本模式下的显示缓冲区) mov dword [bx+0x10],0x8000ffff mov dword [bx+0x14],0x0040920b ;创建#3描述符,保护模式下的堆栈段描述符mov dword [bx+0x18],0x00007a00mov dword [bx+0x1c],0x00409600;初始化描述符表寄存器GDTRmov word [cs: gdt_size+0x7c00],31 ;描述符表的界限(总字节数减一) lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]in al,0x92 ;南桥芯片内的端口 or al,0000_0010Bout 0x92,al ;打开A20cli ;保护模式下中断机制尚未建立,应 ;禁止中断 mov eax,cr0or eax,1mov cr0,eax ;设置PE位;以下进入保护模式... ...jmp dword 0x0008:flush ;16位的描述符选择子:32位偏移;清流水线并串行化处理器 [bits 32] flush:mov cx,00000000000_10_000B ;加载数据段选择子(0x10)mov ds,cx;以下在屏幕上显示"Protect mode OK." mov byte [0x00],'P' mov byte [0x02],'r'mov byte [0x04],'o'mov byte [0x06],'t'mov byte [0x08],'e'mov byte [0x0a],'c'mov byte [0x0c],'t'mov byte [0x0e],' 'mov byte [0x10],'m'mov byte [0x12],'o'mov byte [0x14],'d'mov byte [0x16],'e'mov byte [0x18],' 'mov byte [0x1a],'O'mov byte [0x1c],'K';以下用简单的示例来帮助阐述32位保护模式下的堆栈操作 mov cx,00000000000_11_000B ;加载堆栈段选择子mov ss,cxmov esp,0x7c00mov ebp,esp ;保存堆栈指针 push byte '.' ;压入立即数(字节)sub ebp,4cmp ebp,esp ;判断压入立即数时,ESP是否减4 jnz ghalt pop eaxmov [0x1e],al ;显示句点 ghalt: hlt ;已经禁止中断,将不会被唤醒 ;------------------------------------------------------------------------------- gdt_size dw 0gdt_base dd 0x00007e00 ;GDT的物理地址 times 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa
上面就是配书源码。我们一点一点看。
二、源码分析
(一)设置堆栈和栈指针
;设置堆栈段和栈指针 mov ax,cs mov ss,axmov sp,0x7c00
这个没有什么好说的,就是初始化栈。这三行执行后,SS=0; SP=0x7c00;
需要注意的是,这样设置后,栈的区域从0x0000_7c00向下扩展(不含0x0000_7c00这个字节),该区域包含了很多BIOS数据,包括实模式下的中断向量表,所以一定要小心。
(二)安装段描述符
;计算GDT所在的逻辑段地址 mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00] ;低16位 mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02] ;高16位 mov bx,16 div bx mov ds,ax ;令DS指向该段以进行操作mov bx,dx ;段内起始偏移地址
怎么理解这段代码呢?
首先,在代码清单的95、96行,有
gdt_size dw 0gdt_base dd 0x00007e00 ;GDT的物理地址
作者在这里声明了标号gdt_base,还初始化了一个双字——0x0000_7e00; 作者的意图是从这个地方开始建立全局描述符表GDT。我们的程序就是一个引导扇区,占用了512(=0x200)字节。程序加载的物理地址是0x7c00, 0x7c00+0x200 = 0x7e00. 可见,在物理地址的安排上,引导程序后面紧跟着就是GDT。
目前我们还是处在实模式下,所以要建立GDT,必须将GDT的线性地址(物理地址)转换成实模式下使用的“段地址:偏移地址”的形式。
mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00] ;
这句使了段超越前缀“cs”,表明访问代码段中的数据;因为CS=0,所以就把物理地址(0x7c00+gdt_base)处的0x7e00传送给了ax; 同样地,将0x0000传送给dx; 为了把线性地址转换成逻辑地址,我们用DX:AX除以16,得到的商(AX)就是段地址,余数(DX)就是偏移地址。
mov bx,16
div bx
mov ds,ax ;令DS指向该段以进行操作
mov bx,dx ;段内起始偏移地址
这几行执行之后,GDT的逻辑地址就是 DS:BX.
;创建0#描述符,它是空描述符,这是处理器的要求mov dword [bx+0x00],0x00mov dword [bx+0x04],0x00
处理器规定,GDT中的第一个描述符必须是空描述符。这是什么原因呢?因为很多时候,寄存器和内存单元的初始值都会为0,再加上程序设计有问题,就会在无意中用全0的索引来选择描述符,这当然是不好的。因此,处理器要求将第一个描述符定义成空描述符。所以,上面两行代码定义了一个空描述符。
;创建#1描述符,保护模式下的代码段描述符mov dword [bx+0x08],0x7c0001ff mov dword [bx+0x0c],0x00409800
这两行用来创建第二个描述符。之前的博文我们已经掌握了数据段和代码段描述符的格式,所以对这个描述符就不难理解了。
还记得我上一篇博文中写了一个小程序吗?http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50507218
赶紧用它来分析一下吧:
线性基地址:0x0000_7c00
段界限为0x001FF,因为G=0,所以该段的长度是512(2的9次方)字节;
特权级:0
其他字段就不逐个说明了,相信你一定能懂。很明显,这个描述符定义的段,就是主引导程序所在的区域。
接着看代码。
;创建#2描述符,保护模式下的数据段描述符(文本模式下的显示缓冲区) mov dword [bx+0x10],0x8000ffff mov dword [bx+0x14],0x0040920b
程序分析的结果是:
seg_base = 0XB8000
seg_limit = 0XFFFF
S = 1
DPL = 0
G = 0
D/B = 1
TYPE = 2
数据段: 可读可写
看来这个段是指向显存的。
;创建#3描述符,保护模式下的堆栈段描述符mov dword [bx+0x18],0x00007a00mov dword [bx+0x1c],0x00409600
这是创建栈段的描述符。程序分析的结果是:
-----------------------
seg_base = 0
seg_limit = 0X7A00
S = 1
DPL = 0
G = 0
D/B = 1
TYPE = 6
数据段: 向下扩展,可读可写
------------------------
正如作者所说:段界限的值0x7a00加上1(0x7a01),就是ESP寄存器所允许的最小值。当执行隐式的栈操作(如PUSH、CALL)时,处理器会检查ESP的值,一旦发现它小于0x7a01,就会引发异常中断。如果你还不理解,那么可以把书翻到215页。作者说在栈操作时,必须符合以下规则:
实际使用的段界限+1 <= (ESP的内容减操作数的长度) <= 0xFFFF_FFFF
就拿这个例子来说,因为G=0,所以段界限就是0x7a00. 假设现在ESP的内容是0x7a04,此时执行下面的指令:
push edx
因为压入的是双字,所以处理器会先将ESP的值减去4,于是ESP=0x7a00. 因为0x7a00小于0x7a01,因此会引发异常中断。
(三)LGDT指令
好了,现在描述符已经安装完毕,接下来的工作是加载描述符表的线性基地址和界限到GDTR寄存器。相关的指令是lgdt. 该指令的格式为:
lgdt m48
也就是说,该指令的操作数内存操作数。注意,该指令在实模式和保护模式下都可以执行,也不影响任何标志位。
这个内存操作数指向一个6字节的内存区域,要求低16位是GDT的界限值(表的总字节数减去1),高32位是GDT的线性基地址。
gdt_size dw 0gdt_base dd 0x00007e00 ;GDT的物理地址
还记得吗,这是代码中事先定义了6字节的空间。前两个字节就是为了保存GDT的界限值。
;初始化描述符表寄存器GDTRmov word [cs: gdt_size+0x7c00],31 ;描述符表的界限(总字节数减一) lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]
第一句写入界限值,第二句把6字节加载到GDTR寄存器。
注意,到目前为止,我们依然在实模式下。
(四)关于A20
1.A20 GATE 起源[1]
在8086/8088中,只有20根地址线,所以可以访问的地址是2^20=1M。但由于8086/8088是16位地址模式,能够表示的地址范围是0-64K,所以为了访问1M内存,Intel采取了分段的模式。
即:物理地址=16位段地址*16 + 16位偏移
但这种方式引起了新的问题,通过上述分段模式,能够表示的最大内存为:FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh
但8086/8088只有20位地址线,所以当访问100000h~10FFEFh之间的内存时,系统并不认为访问越界而产生异常,而是自动从重新0开始计算,也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的,这种技术被称为wrap-around(回绕)。
到了80286,系统的地址总线发展为24根,这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。为了兼容,Intel在设计80286时提出的目标是:在实模式下,系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样。但最终,80286芯片却存在一个BUG:如果程序员访问100000H~10FFEFH之间的内存,系统将实际访问这块内存,而不是象过去一样重新从0开始。
为了解决上述问题,IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线(从0开始数是第20根),被称为A20Gate;如果A20 Gate打开,则当程序员给出100000H~10FFEFH之间的地址的时候,系统将真正访问这块内存区域;如果A20Gate被禁止,则当程序员给出100000H~10FFEFH之间的地址的时候,系统仍然使用8086/8088的方式。绝大多数IBM PC兼容机默认的A20Gate是被禁止的。由于在当时没有更好的方法来解决这个问题,所以IBM使用了键盘控制器来操作A20 Gate,但是这种操作太麻烦了,要使用一大堆指令。
2.Alt_A20_GATE
Alt_A20_GATE ,又称Fast A20. 通过端口0x92的bit1来打开A20,具体方法是:先从端口读出原数据,接着将bit1置1,然后再写入该端口,这样就打开了A20.
正如代码所示
in al,0x92 ;南桥芯片内的端口 or al,0000_0010Bout 0x92,al ;打开A20
一次学太多会不会觉得累呢?我们就说到这里,下次继续…
【参考资料】
[1] 如烟海的专栏. http://blog.csdn.net/ruyanhai/article/details/7181842
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