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 cx, 5 mov dx, 0x0808 mov bp, msg int 0x10 jmp $ msg: db "HELLO", 0 times 510-($-$$) db 0 dw 0xaa55 |
1.2 直接操纵显卡显示字符串
实模式下，访问内存的格式：[REG: DISP]，其中REG是段寄存器：SS,DS,ES等。DISP是16位的偏移，对应的真实物理地址为(REG<<4)+DISP（20位）。
VGA全称Video Graphics Array，是一种视频传输标准。
VGA所使用的视讯内存对应于PC的主内存，它们的真实物理地址为0xA000和0xC000之间的内存。典型地来说位址的开始点是：
- 0xA000 使用于 EGA/VGA 图型模式（64 KB），0xA000:0000 – 0xA000:FFFF
- 0xB000 单色文字模式（32 KB）,0xB000:0000 – 0xB000:7FFF
- 0xB800 彩色文字模式和 CGA 相容模式（32 KB）, 0xB8000:0000 – 0xB800:7FFF
注意在0xB800这种模式下，每个VGA字符占2字节，低地址字节是字符的ASCII码，高地址字节是属性值（控制颜色）。每个输出页面是25*80大小。
例如：
坐标 |
地址1内容 |
地址2内容 |
说明 |
(0,0) |
[0xB800:0000] = 'H' |
[0xB800:0001]=0x0C |
红色的H字符 |
(0,1) |
[0xB800:0002] = 'e' |
[0xB800:0003]=0x0C |
红色的e字符 |
最大坐标是(24,79)。
在(0, 0)位置输出红色的X字符。
org 0x7c00 [bits 16] mov ax, 0xb800 mov es, ax mov ah, 0x0c mov al,'X' mov [es:0], ax jmp $ times 510-($-$$) db 0 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 mov di, 0 lab: mov ah, 0x0c mov al, [si] mov [es:di], ax add di, 2 inc si cmp al, 0 jne lab jmp $ msg: db "Hello msg from sin", 0 times 510-($-$$) db 0 dw 0xaa55 |
1.4 清空VGA屏幕
VGA每个屏幕（显示页）大小为25*80 = 2000。清屏可通过输出2000个ASCII=0的空白字符。
org 0x7c00 [bits 16] mov ax, 0xb800 mov es, ax mov bx, 0 mov cx, 0x07d0 lab:mov dl, 0 mov dh, 0 mov [es:bx], dx add bx, 2 loop lab jmp $ times 510-($-$$) db 0 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
align 8 gdt_desc: dw 23 ; gdt limit=sizeof(gdt) - 1 dw gdt
times 510-($-$$) db 0 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 mov sp, 0
; 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 $ align 8 |
- 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) +--------------------- (...) |