OSLab:实模式与保护模式

日期：2019/5/18 12：00

内容：操作系统实验作业；x86；IA-32；实模式与保护模式。

PS：如果我们上的是同一门课，有借鉴代码的铁汁请留言告知嗷。只是作业笔记，不推荐学习。

一、实模式

众所周知，机器启动时都是处于实模式状态的。8多说，先看看今天的作业。

1.1 BIOS中断打印字符串

这是一个幼儿园版本的主引导记录（MBR），输出一个字符串，结合附录INT中断说明来看。

org 0x7c00这个表示程序加载到物理内存的起始地址0x7c00，关于0x7c00请看附录。

org 0x7c00

[bits 16]

mov ax, 0x1301

mov bx, 0x000c

mov dx, 0x0808

mov bp, msg

int 0x10

jmp $

msg:

dw 0xaa55

1.2 直接操纵显卡显示字符串

实模式下，访问内存的格式：[REG: DISP]，其中REG是段寄存器：SS,DS,ES等。DISP是16位的偏移，对应的真实物理地址为(REG<<4)+DISP（20位）。

VGA全称Video Graphics Array，是一种视频传输标准。

VGA所使用的视讯内存对应于PC的主内存，它们的真实物理地址为0xA000和0xC000之间的内存。典型地来说位址的开始点是：

• 0xA000 使用于 EGA/VGA 图型模式（64 KB），0xA000:0000 – 0xA000:FFFF
• 0xB000 单色文字模式（32 KB）,0xB000:0000 – 0xB000:7FFF
• 0xB800 彩色文字模式和 CGA 相容模式（32 KB）, 0xB8000:0000 – 0xB800:7FFF

注意在0xB800这种模式下，每个VGA字符占2字节，低地址字节是字符的ASCII码，高地址字节是属性值（控制颜色）。每个输出页面是25*80大小。

例如：

坐标	地址1内容	地址2内容	说明
(0,0)	[0xB800:0000] = 'H'	[0xB800:0001]=0x0C	红色的H字符
(0,1)	[0xB800:0002] = 'e'	[0xB800:0003]=0x0C	红色的e字符

最大坐标是(24,79)。

在(0, 0)位置输出红色的X字符。

org 0x7c00

[bits 16]

mov ax, 0xb800

mov es, ax

mov ah, 0x0c

mov al,'X'

mov [es:0], ax

jmp $

dw 0xaa55

1.3 利用VGA输出字符串

通过循环，基于输出字符X实现。

org 0x7c00

[bits 16]

mov si, msg

mov bx, 0xb800

mov es, bx

lab:

mov ah, 0x0c

mov al, [si]

mov [es:di], ax

inc si

jne lab

jmp $

msg:

dw 0xaa55

1.4 清空VGA屏幕

VGA每个屏幕（显示页）大小为25*80 = 2000。清屏可通过输出2000个ASCII=0的空白字符。

org 0x7c00

[bits 16]

mov ax, 0xb800

mov es, ax

mov cx, 0x07d0

mov [es:bx], dx

loop lab

jmp $

dw 0xaa55

二、保护模式

2.1 GDT与GDTR

• GDTR

  48位，高32位是GDT（全局描述符表）的基地址base，低16位是limit，表示GDT的界限。32位线性基址部分保存的是全局描述符表在内存中的起始线性地址（不是物理地址，这涉及到内存的段页式管理），16位边界部分保存的是全局描述符表的边界（界限），其在数值上等于表的大小（总字节数-1）。

base=32bit

limit=16bit

GDT最多有几个表项？

limit=FFFFH，GDT所占字节数为2¹⁶bytes，每项8个字节，所以最大表项数目 = 2¹³ = 8192。

• GDT

  GDT其实就是段页式内存管理下的段表嗷，如果不太熟悉建议做一下《微机原理》的作业题。

  GDT的表项分为系统级和用户级。（注意红色标注）

  

2.2 CR系列寄存器

微机原理时间：

• CR0中含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志；
• CR1保留不用；
• CR2含有导致页错误的线性地址；
• CR3中含有页目录表物理内存基地址，因此该寄存器也被称为页目录基地址寄存器PDBR（Page-Directory Base address Register）。

对CR0的位进行说明：

• PG：PG=1分页机制开启
• ET、TS、EM、MP：协处理器相关。
• PE：Protect Model Enable，保护模式开启。

考试坑点：分页机制开启 iff PE = 1 AND PG=1（分页机制一定工作在保护模式下）

2.3 段选择子

Segment selector，其实就是段寄存器的值。也就是说，段寄存器在保护模式下，各个字段的含义如下：

Index字符就是用于索引GDT表项，类似于数组一样:GDT[index]

2.2 作业：RTFSC

• 宏定义

%define CR0_PE          (1 << 0)

%define CR0_MP          (1 << 1)

%define CR0_EM          (1 << 2)

%define CR0_TS          (1 << 3)

%define CR0_WP          (1 << 16)

%define CR0_PG          (1 << 31)

• 数据

  此处gdt定义了3个表项（一共24字节大小）

gdt: dw 0,0,0,0 ; dummy

dw 0xFFFF ; limit=4GB

dw 0x0000 ; base address=0

dw 0x9A00 ; code read/exec

dw 0x00CF ; granularity=4096,386

dw 0xFFFF ; limit=4GB

dw 0x0000 ; base address=0

dw 0x9200 ; data read/write

dw 0x00CF ; granularity=4096,386

gdt_desc:

dw 23 ; gdt limit=sizeof(gdt) - 1

dw gdt

dw 0xAA55

• 实模式代码
  • ds=ss=0：ds和ss等寄存器的值与CPU复位的状态有关，为什么是0至今我还不明白。（《微机原理》对这部分有详细的描述）。
  • lgdt指令：GDTR = [gdt_desc]，即limit=23放入低16bit（2字节），gdt的起始地址放入base的低2字节（高位全0）。

    为什么没指明段值？实际上就是[cs:gdt_desc]。

  • jmp 0x08: start32：0x08是段值(段选择子)，也是就表示选中GDT[1]，偏移disp=start32。（PE位开启后，寻址不再是"REG<<4+DISP"，此处计算地址的方式需要用"逻辑地址=>线性地址=>物理地址"，学过微机原理/组成原理，对这类作业题应该不陌生）
  • ds=es=ss=0x10：表示段页式寻址时，使用GDT[2]。存留疑问：ESP为什么是这个值？

org 0x7c00

[bits 16]

; First, BIOS loads the bootsector into 0000:7C00.

cli

xor ax, ax

mov ds, ax

mov ss, ax

; Switch to protect mode

lgdt [gdt_desc]

mov eax, cr0

or eax, CR0_PE

mov cr0, eax

jmp 0x08:start32

start32:

; In protect mode

cli

mov ax, 0x10

mov ds, ax

mov es, ax

mov ss, ax

mov esp, 0x10000

mov al, 'X'

mov ah, 0x0c

mov [0xB8000], ax

jmp $

• 保护模式代码

附录

INT 0x10中断

参考：https://blog.csdn.net/yes_life/article/details/6778834

• 参数说明

  AH=13H的情况下。

  描述：以电传打字机的方式显示字符串

  接受参数：

  AH：0x13

  AL：显示模式

  BH：视频页

  BL：属性值（如果AL=0x00或0x01）

  CX：字符串的长度

  DH,DL：屏幕上显示起始位置的行、列值

  ES:BP：字符串的段:偏移地址

  返回值：    无

  显示模式（AL）：

  0x00:字符串只包含字符码，显示之后不更新光标位置，属性值在BL中

  0x01:字符串只包含字符码，显示之后更新光标位置，属性值在BL中

  0x02:字符串包含字符码及属性值，显示之后不更新光标位置

  0x03:字符串包含字符码及属性值，显示之后更新光标位置

为什么MBR要放在0x7C00

参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/09/0x7c00.html

注意嗷：MBR在关机的时候是放在磁盘的0号扇区的，开机之后，由BIOS把它加载到内存的嗷。

主引导记录内存地址设定在比32KB小1024个字节的0x7C00H的位置。（32KB=2¹⁵=0x7fff）

是因为Intel第一代cpu8088所搭配的系统最少需要使用32KB的地址空间

8088本身需要占用0x0000~0x03FF，用来保存各种中断处理程序，内存只剩下0x0400~0x7FFF可使用

为了把尽量多的连续内存留给操作系统，主引导记录就被放到了内存地址的尾部。

一个扇区是512字节，主引导记录本身也会产生数据，另外留出一个扇区保存数据。

为了cpu的向前兼容

于是0x7c00H便成为了每一代cpu的主引导记录内存地址。

内存布局图解：

+--------------------- 0x0

| Interrupts vectors

+--------------------- 0x400

| BIOS data area

+--------------------- 0x5??

| OS load area

+--------------------- 0x7C00

| Boot sector

+--------------------- 0x7E00

| Boot data/stack

+--------------------- 0x7FFF

| (not used)

+--------------------- (...)