分页机制代码详细注释
来源：互联网 发布：双层玻璃杯 知乎 编辑：程序博客网 时间：2024/04/26 06:33
分页的代码红色标记，其它的在前面“保护模式跳转中”已经解释过。
%include "pm.inc"
org 0100h
jmp LABEL_BEGIN
PageDirBase equ 200000h ; 页目录开始地址: 2M
PageTblBase equ 201000h ; 页表开始地址: 2M+4K
[SECTION .gdt]
;GDT
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0,SegCode32Len-1, DA_C + DA_32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW
LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW;Page Directory
LABEL_DESC_PAGE_TBL: Descriptor PageTblBase, 1023, DA_DRW|DA_LIMIT_4K;Page Tables
;此时G位置，界限粒度为4K，所以1023表示0－1023的1024个4K
;End od GDT
GdtLen equ $ - LABEL_GDT
GdtPtr dw GdtLen - 1
dd 0
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
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
SelectorPageDir equ LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDT
SelectorPageTbl equ LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDT
[SECTION .data1]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_DATA:
SPValueRealMode dw 0
PMMessage: db "In Protect Mode now. ^_^",0
OffsetPMMessage equ PMMessage - $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1
[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0100h
mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL + 3],ax
mov [SPValueRealMode],sp
;初始化16位段描述符
;xor eax,eax
mov ax,cs
movzx eax,ax
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE16
mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7],ah
;初始化32伴段描述符
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE32
mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7],ah
;初始化数据段描述符
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_DATA
mov word [LABEL_DESC_DATA + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7],ah
;初始化堆栈段描述符
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_STACK
mov word [LABEL_DESC_STACK + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7],ah
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_GDT
mov dword [GdtPtr + 2],eax
;加载 gdt
lgdt [GdtPtr]
;关中断
cli
;打开A20地址线
in al,92h
or al,00000010b
out 92h,al
;set the cr0
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax
jmp dword SelectorCode32:0
;End of [SECTION .16]
LABEL_REAL_ENTRY:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,[SPValueRealMode]
in al,92h
and al,11111101b
out 92h,al
sti
mov ax,4c00h
int 21h
[SECTION .s32]
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE32:
call SetupPaging
mov ax,SelectorData
mov ds,ax
mov ax,SelectorVideo
mov gs,ax
mov ax,SelectorStack
mov ss,ax
mov esp,TopOfStack
mov ah,0Ch
xor esi,esi
xor edi,edi
mov esi,OffsetPMMessage
mov edi,(80 * 10 + 0) * 2
cld
.1:
lodsb
test al,al
jz .2
mov [gs:edi],ax
add edi,2
jmp .1
.2:
jmp SelectorCode16:0
SetupPaging:
;初始化页目录
mov ax,SelectorPageDir ;
mov es,ax ;将PageDir段首个加载到es,后面的stosd会从es:edi开始。
mov ecx,1024 ;循环控制标量
xor edi,edi
xor eax,eax
mov eax,PageTblBase|PG_P|PG_USU|PG_RWW
;PDE中前20位存放的是页表的地址，第一个PDE放的正好是PageTblBase
;的基址。如果PTE连续放置的话，下面每个PDE对应的地址就是PageTblBase+4K*索引
.1:
stosd ;将eax的内容存储到es:edi的位置后,di=di+4, 所以每次存储后自动跳过正好是下一个
;PDE的位置。而内容是下一个页表的地址，所以只需要将上一个页表地址加4096.
add eax,4096
loop .1 ;每次执行loop指令，cx减1，然后判断cx是否等于0,如果不为0则转移到loop指令后的标号处，
;实现循环；如果为0顺序执行。
;初始化页表
mov ax,SelectorPageTbl ;
mov es,ax ;同上，将页表的首地址加载到es,后面的stosd会从es:edi开始
mov ecx,1024*1024 ;按20位(PTE的前20位)表示的最大值来计算所需要初始化的页表个数。
xor edi,edi
xor eax,eax
mov eax,PG_P|PG_USU|PG_RWW ;这里为了使用线性地址和物理地址做绝对映射，所以第1个PTE的首地址被初始化为物理地址的0位置。
.2:
stosd
add eax,4096 ;作用同上
loop .2 ;
mov eax,PageDirBase
mov cr3,eax ;将PageDirBase的地址加载到cr3
mov eax,cr0
or eax,80000000h
mov cr0,eax ;将cr0的PG位置1使分页生效。
jmp short .3
.3: nop
ret
SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
mov ax,SelectorNormal
mov ds,ax
mov es,ax
mov fs,ax
mov gs,ax
mov ss,ax
mov eax,cr0
and eax, 7FFFFFFEh ; 跳回实模式后一定要将CR0复位。与上面的 "or eax,80000000h; mov cr0,eax" 对应PE=0, PG=0
mov cr0,eax
LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY
Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16
---------------------------------------------------------------------------------
下面是根据内存动态计算页表个数的代码
%include "pm.inc"
PageDirBase equ 200000h
PageTblBase equ 201000h
org 0100h
jmp LABEL_BEGIN
[SECTION .gdt]
;GDT
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW
LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW
LABEL_DESC_PAGE_TBL: Descriptor PageTblBase, 4096 * 8 - 1, DA_DRW ; Page Tables,这里只是一个估算
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C + DA_32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW ; Data
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位
;End od GDT
GdtLen equ $ - LABEL_GDT
GdtPtr dw GdtLen - 1
dd 0
SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorPageDir equ LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDT
SelectorPageTbl equ LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDT
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
[SECTION .data1] ; 数据段
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_DATA:
;字符串定义
_szPMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0Ah, 0Ah, 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
_szMemChkTitle: db "BaseAddrL BaseAddrH LengthLow LengthHigh Type", 0Ah, 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
_szRAMSize db "RAM size:",0
_szReturn db 0Ah,0
;变量,这些变量是在实模式下调用中断15时用到的，使用的是物理地址。
_wSPValueInRealMode dw 0
_dwMCRNumber: dd 0
_dwDispPos: dd (80 * 6 + 0) * 2 ; 屏幕第 6 行, 第 0 列。
_dwMemSize: dd 0
_ARDStruct: ;Address Range Descriptor Strucure
_dwBaseAddrLow: dd 0
_dwBaseAddrHigh: dd 0
_dwLengthLow: dd 0
_dwLengthHigh: dd 0
_dwType: dd 0
_MemChkBuf: times 256 db 0
; 当上面的变量转换到保护模式后，所以要把变量的绝对地址换算成偏移地址。即物理
; 地址减速去段基址。这是段基址$$的一个非常好的应用。
; 保护模式下使用这些符号
szPMMessage equ _szPMMessage - $$
szMemChkTitle equ _szMemChkTitle - $$
szRAMSize equ _szRAMSize - $$
szReturn equ _szReturn - $$
dwDispPos equ _dwDispPos - $$
dwMemSize equ _dwMemSize - $$
dwMCRNumber equ _dwMCRNumber - $$
ARDStruct equ _ARDStruct - $$
dwBaseAddrLow equ _dwBaseAddrLow - $$
dwBaseAddrHigh equ _dwBaseAddrHigh - $$
dwLengthLow equ _dwLengthLow - $$
dwLengthHigh equ _dwLengthHigh - $$
dwType equ _dwType - $$
MemChkBuf equ _MemChkBuf - $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1
[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0100h
mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL + 3],ax
mov [_wSPValueInRealMode],sp
;利用int 15获取内存信息时，每次调用时要填充以下信息：
; eax:0E820h, 固定的int 15的获取内存信息的功能号
; ebx:是下一个内存块地址描述符的后续标记，第一次开始时要求为0.
; 然后每次调用前将上次返回值原样放入ebx(即不要修改ebx),只到
; ebx的值为0时说明且CF没有置1, 说明是最后一次的内存描述符。
; (如果ebx为0而CF＝1，有可能是第一次调用时就出错)
; es:di:指向地址范围的描述描述符结构，调用且BIOS会将内存信息的填充到这个结构中。
; ecx:为es:di指向的地址范围描述符结构的大小。即使es:di指向的结构大于这个数，BIOS
; 也只填充ecx指定大小的字节，而有些BIOS只填充20个字节，所以一般ecx指定20
; edx:0534D4150h,固定的字符标记('SMAP')
;调用后：
; CF＝0，正常。CF＝1，错误。
; eax:0534D4150h
; es:di 返回传入的地址范围的描述符结构
; ecx:返回填充到上述结构中的字节数
; ebx:下一个地址描述符所需要的后续标记，如果为0且CF＝0则当前为最后一个。如果不为0则
; 在继续调用下一次中断时把此值填充，即不要修改上一次返回的值。
mov ebx, 0 ;首次为0，以后由 BIOS填充并保持给下一次调用，程序不要修改。
mov di, _MemChkBuf ;准备由BIOS返回的地址范围描述符填充的结构首地址，每次调用后增加ecx指定的大小供下一次填充。
.loop:
mov eax, 0E820h ;
mov ecx, 20 ;
mov edx, 0534D4150h ;
int 15h ;上以四行按int 15的0534D4150号功能要求填入参数。
jc LABEL_MEM_CHK_FAIL ;如果CF被置位，由跳转到LABEL_MEM_CHK_FAIL
add di, 20 ;地址步进20为下一个结构地址。
inc dword [_dwMCRNumber] ;每调用一次将_dwMCRNumber加1作为循环计数。
cmp ebx, 0 ;
jne .loop ;如果ebx为0则跳出循环。
jmp LABEL_MEM_CHK_OK ;
LABEL_MEM_CHK_FAIL:
mov dword [_dwMCRNumber], 0 ;如果是CF＝1跳入这里，说明调用错，将_dwMCRNumber置0
LABEL_MEM_CHK_OK:
;调用完成后，_MemChkBuf中保存了_dwMCRNumber个20字节大小的结构，所以_MemChkBuf大小有可能不够用。要有一定的预估。
;初始化16位段描述符
;xor eax,eax
mov ax,cs
movzx eax,ax
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE16
mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7],ah
;初始化32位段描述符
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE32
mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7],ah
; 初始化数据段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_DATA
mov word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah
; 初始化堆栈段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK
mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_GDT
mov dword [GdtPtr + 2],eax
;加载 gdt
lgdt [GdtPtr]
;关中断
cli
;打开A20地址线
in al,92h
or al,00000010b
out 92h,al
;set the cr0
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax
jmp dword SelectorCode32:0
;End of [SECTION .16]
LABEL_REAL_ENTRY:
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,[_wSPValueInRealMode]
in al,92h
and al,11111101b
out 92h,al
sti
mov ax,4c00h
int 21h
[SECTION .s32]
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE32:
mov ax,SelectorData
mov ds,ax
mov es, ax;将SelectorData传给es, 是因为在下面的串操作中需要使用es,而为了访问在同一段内访问串,所以将es的值ds的值相等,
;指象同一段描述符
mov ax,SelectorVideo ;
mov gs,ax
mov ax,SelectorStack
mov ss,ax
mov esp,TopOfStack
; 下面显示一个字符串
push szPMMessage
call DispStr
add esp, 4
push szMemChkTitle
call DispStr
add esp, 4
call DispMemSize ; 显示内存信息
call SetupPaging ; 启动分页机制
jmp SelectorCode16:0
; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:
; 根据内存大小计算应初始化多少PDE以及多少页表
xor edx, edx ;div指令一定要清空edx,否则极容易产生非法操作.
mov eax, [dwMemSize]
mov ebx, 400000h ; 400000h = 4M = 4096 * 1024, 一个页表对应的内存大小
div ebx ; div的商返回到eax,余数返回到edx
mov ecx, eax ; 此时 ecx 为页表的个数，也即 PDE 应该的个数
test edx, edx
jz .no_remainder
inc ecx ; 如果余数不为 0 就需增加一个页表
.no_remainder:
push ecx ; 暂存页表个数
; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址. 并且不考虑内存空洞.
; 首先初始化页目录
mov ax, SelectorPageDir ; 此段首地址为 PageDirBase
mov es, ax
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PageTblBase | PG_P | PG_USU | PG_RWW
.1:
stosd
add eax, 4096 ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.
loop .1
; 再初始化所有页表
mov ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址为 PageTblBase
mov es, ax
pop eax ; 页表个数
mov ebx, 1024 ; 每个页表 1024 个 PTE
mul ebx
mov ecx, eax ; PTE个数 = 页表个数 * 1024
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW
.2:
stosd
add eax, 4096 ; 每一页指向 4K 的空间
loop .2
mov eax, PageDirBase
mov cr3, eax
mov eax, cr0
or eax, 80000000h
mov cr0, eax
jmp short .3
.3:
nop
ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------
DispMemSize:
push esi
push edi
push ecx
mov esi, MemChkBuf
mov ecx, [dwMCRNumber];for(int i=0;i<[MCRNumber];i++)//每次得到一个ARDS
.loop: ;{
mov edx, 5 ; for(int j=0;j<5;j++) //每次得到一个ARDS中的成员
mov edi, ARDStruct ; {//依次显示BaseAddrLow,BaseAddrHigh,LengthLow,
.1: ; LengthHigh,Type
push dword [esi] ;
call DispInt ; DispInt(MemChkBuf[j*4]); //显示一个成员
pop eax ;
stosd ; ARDStruct[j*4] = MemChkBuf[j*4];
add esi, 4 ;
dec edx ;
cmp edx, 0 ;
jnz .1 ; }
call DispReturn ; printf("/n");
cmp dword [dwType], 1 ; if(Type == AddressRangeMemory)
jne .2 ; {
mov eax, [dwBaseAddrLow];
add eax, [dwLengthLow];
cmp eax, [dwMemSize] ; if(BaseAddrLow + LengthLow > MemSize)
jb .2 ;
mov [dwMemSize], eax ; MemSize = BaseAddrLow + LengthLow;
.2: ; }
loop .loop ;}
;
call DispReturn ;printf("/n");
push szRAMSize ;
call DispStr ;printf("RAM size:");
add esp, 4 ;
;
push dword [dwMemSize] ;
call DispInt ;DispInt(MemSize);
add esp, 4 ;
pop ecx
pop edi
pop esi
ret
%include "lib.inc" ; 库函数
SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
mov ax,SelectorNormal
mov ds,ax
mov es,ax
mov fs,ax
mov gs,ax
mov ss,ax
mov eax,cr0
and eax, 7FFFFFFEh ; PE=0, PG=0and al,11111110b
mov cr0,eax
LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY
Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16
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