操作系统实验四：保护模式之局部任务（LDT）初探

      通过前几次实验，对于实模式与保护模式间的跳转已经有了充分认知。此次实验与接下来的实验主要集中在认识保护模式下的一些特性，

如多任务的基础（局部任务LDT）、分页机制、中断、异常、I/O等。为了尽可能将实验设计的简单，我尽量将以上实验压缩在引导扇区的

512字节内。为了节省空间，我将pm16.c精简了许多，它只负责跳转到保护模式（程序限制在80字节以内），在pm32.c里会重新加载新

的GDT（程序加载到内存0x7c50处）。

此次实验内容为：

    （pm16.c部分）

    1.清屏，并跳转到保护模式（pm32.c，内存地址0x7c50）

    （pm32.c部分）

    1.加载新的GDT

    2.为GDT中局部任务描述符设置LDT的基地址

    3.显示字符串This is protect model.

    4.跳转到局部任务

    5.显示字符串This is local model.

    6.进入死循环

 

 

实验代码如下：

code：run.c（因为重新设置了pm32.c的内存分布，所以需要修改run.c中的几个数据，下面是修改好了的run.c代码）

 //文件：run.c//功能：编译操作系统的实验代码并创建img，生成bochs配置文件，运行bochs。//说明：实验代码由16位部分引导程序与32位部分引导程序组成。// 16位部分引导程序放在引导扇区的前半部分，0~79字节// 32位部分引导程序放在引导扇区的后半部分，80~509字节// 510、511字节放引导程序结束标记：0x55、0xaa//运行：请使用yc09编译器编译运行。//作者：miao//时间：2010-1-13#define FDISK_SIZE 1474560 //镜像大小：1.4MB//虚拟机设置char *pmSrc ="megs: 32 /n""romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000 /n""vgaromimage: VGABIOS-elpin-2.40 /n""floppya: 1_44=pm.img, status=inserted /n""boot: a /n""log: pm.out /n""mouse: enabled=0 /n""keyboard_mapping: enabled=1, map=x11-pc-us.map /n";//编译指定代码文件并放入镜像指定位置//filename:要编译的文件名 imgBuffer:保存到的镜像缓冲区 //startIndex:指定起始位置 limitSize:编译后程序限定大小int CompileFile(char *fileName, byte *imgBuffer, int startIndex, int limitSize){ char *tempBuffer; //保存部分引导程序的临时缓冲区 //编译此部分引导程序，结果放到tempBuffer中 int length = YC_CompileCpp(&tempBuffer, fileName, 0, 0); if(length <= 0 || length >= limitSize) { printf("文件:%s中存在一些错误或文件过大(超过%d字节):%d字节/n",fileName,limitSize,length); return 1; } printf("文件:%s 编译成功，大小为：%d字节。/n", fileName, length); //将1此部分引导程序放到镜像引导扇区缓冲区指定起始位置 memcpy(imgBuffer + startIndex, tempBuffer, length); free(tempBuffer); return 0;}int main(int argc, char **argv){ char * filePath = argv[0]; //当前文件夹路径 char fileName[MAX_PATH]; //用于缓存各个文件名 //将可执行文件的完整路径去掉文件名，保留文件夹路径 for( int i = strlen(filePath);filePath[i] != '//';i--) filePath[i] = '/0'; byte *imgBuffer = new byte[FDISK_SIZE];//镜像缓冲区_start: //编译16位部分引导程序并放在引导扇区的前半部分，0~79字节 if(CompileFile("pm16.c", imgBuffer, 0, 80)) goto _restart; //编译32位部分引导程序并放在引导扇区的后半部分，80~509字节 if(CompileFile("pm32.c", imgBuffer, 80, 512-80-2)) goto _restart; //0000H-01FFH 为FAT引导扇区[第0扇区] 以55 AA标志结束 长度为200H(512)字节 imgBuffer[510] = 0x55; imgBuffer[511] = 0xaa;//标记软盘引导结尾 //创建操作系统镜像pm.img if(YC_writefile("pm.img", imgBuffer, FDISK_SIZE) != FDISK_SIZE) { printf("写: %s 文件过程中出现错误。/r/n", fileName); goto _restart; } printf("/n%s 创建成功。/n", fileName); //生成操作系统虚拟机配置文件pm.src YC_writefile("pm.src", pmSrc, strlen(pmSrc)); //运行虚拟机 YC_WinExec(strcat(strcpy(fileName, filePath), "bochs.exe"), "-q -f pm.src");_restart: printf("/n点击回车重新编译运行！/n/n/n"); while(getchar() != '/n'); goto _start; return 0;}

code：pm.h

//文件：pm.h//功能：pm16.c与pm32.c的公共头文件//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序// 之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果，点击回车再次编译运行//作者：miao//时间：2010-1-30//定义GDT属性#define DA_32 0x4000 //32位段#define DA_DRW 0x92 //存在的可读写数据段属性值#define DA_CR 0x9A //存在的可执行可读代码段属性值//定义LDT属性#define DA_LDT 0x82 //局部描述符表类型值#define SA_TIL 0x4 //将TI位置1，表示是LDT选择子typedefunsigned int t_32; //4字节typedefunsigned short t_16; //2字节typedefunsigned char t_8; //1字节typedefint t_bool;//4字节typedef unsigned int t_port;//4字节//存储段描述符/系统段描述符struct DESCRIPTOR //共 8 个字节{ t_16 limit_low; //Limit 2字节 t_16 base_low; //Base 2字节 t_8 base_mid; //Base 1字节 t_8 attr1; //P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) 1字节 t_8 limit_high_attr2; //G(1) D(1) 0(1) AVL(1) LimitHigh(4) 1字节 t_8 base_high; //Base 1字节};#define Descriptor(bas,len,attr) { (len) & 0xffff, / (bas) & 0xffff, / ((bas)>>16)&0xff, / (attr) & 0xff, / (((attr)>>8) &0xf0) + (((len)>>16) & 0x0f), / ((bas) >> 24) & 0xff } / 

code：pm16.c

//文件：pm16.c//功能：切换到保护模式，跳转到32位代码段//说明：我试图仅在引导扇区编写保护模式的相关实验，因此将这个程序精简了很多。// 它只负责跳转到保护模式，其他的工作都在pm32.c下完成。// pm16.c只占引导扇区的前半部分0~79字节。// pm32.c部分会加载到内存0x7c50处。//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序 // 之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果，点击回车再次编译运行//作者：miao//时间：2010-1-30#define YCBIT 16 //告诉编译器，以16位格式编译程序#define YCORG 0x7c00 //告诉编译器，在7c00处加载程序#include "pm.h"//GDT界限，只负责跳转到保护模式，到时会加载新的GDTDESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 属性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(0x7c50, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代码段(pm32.c),可执行可读};//GDT 选择子，根据GDT界限设置偏移量值#define SelectorCode32 8*1 //指向32位段处#pragma pack(1)struct GDT_PTR{ unsigned short size; void *addr;};#pragma pack()GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)label_gdt}; //段界限,基地址asm void main(){ mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax //清屏 mov ah, 06h //屏幕初始化或上卷 mov aL, 00h //AH = 6, AL = 0h mov bx, 1110h //蓝色底色 mov cx, 0 //左上角: (0, 0) mov dl, 4fh //第0列 mov dh, 1fh //第0行 int 10h //显示中断 lgdt GdtPtr //加载 GDTR cli //关中断 //打开地址线A20 in al, 92h or al, 00000010b out 92h, al //准备切换到保护模式，置cr0的PE位为1 mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax //真正进入保护模式 jmp dword SelectorCode32:0x0} 

code：pm32.c

//文件：pm32.c//功能：保护模式下32位代码段，功能为加载新的GDT，初始化LDT，跳入LDT局部任务//说明：32位部分引导程序放在镜像引导扇区的后半部分，80~509字节中，程序大小不能超过这个限制//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序 // 之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果 ，点击回车再次编译运行//作者：miao//时间：2010-1-30#define YCBIT 32 //告诉编译器，以32位格式编译程序#define YCORG 0x0 //此指会对在编译时对变量函数等产生地址基址偏移量，简单起便，设置为0#include "pm.h"#define ProtecAddr 0x7c50 //进入保护模式后的程序基址//LDT界限DESCRIPTOR label_ldt[] = { // 段基址 段界限 属性 Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代码段(pm32.c),可执行可读};//LDT 选择子，根据pm32.c中的LDT界限设置偏移量值#define SelectorLDTCodeA 8*0+SA_TIL //指向32位段局部任务处//GDT界限，注意，这个与pm16.c中的GDT不同，从pm16.c跳转过来后会立即载入这个新的GDTDESCRIPTOR label_gdt[] = { // 段基址 段界限 属性 Descriptor(0, 0, 0), Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代码段(pm32.c),可执行可读 Descriptor(0xb8000, 0xffff, DA_DRW), //显存地址段,可读可写 Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_DRW | DA_32), //令32位代码段(pm32.c)的变量可以读写 Descriptor(0, 0xfffff, DA_LDT),//局部描述符，段基址和32位代码段相同，调用时需要加上偏移量};//GDT 选择子，根据pm32.c中的GDT界限设置偏移量值#define SelectorCode32 8*1 //指向32位段处代码段,可执行可读#define SelectorVideo 8*2 //指向显存首地址#define SelectorData32 8*3 //指向32位段处，这样，在程序中的变量就可以读写了#define SelectorLDT 8*4 //指向LDT,通过这个跳转到局部任务#pragma pack(1)struct GDT_PTR{ t_16 size; void *addr;};#pragma pack()GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)&label_gdt + ProtecAddr}; //段界限,基地址char Msg1[] = "This is protect model.";char Msg2[] = "This is local model.";asm void LDTCode();//局部代码段, 由32 位代码段跳入asm void DispStr();//显示一个字符串，需要先设置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置//32 位代码段. 由实模式跳入asm void main(){ lgdt cs:GdtPtr //加载新的GDTR mov eax, SelectorVideo mov gs, ax //视频段选择子(目的) mov eax, SelectorData32 //令32位代码段的变量（printPlace）可以读写 mov ds, ax //在GDT的上设置好LDT的基地址，然后加载局部描述符（LDT） xor eax, eax mov eax, &label_ldt + ProtecAddr mov word label_gdt+8*4+2, ax shr eax, 16 mov byte label_gdt+8*4+4, al mov byte label_gdt+8*4+7, ah mov ax, SelectorLDT lldt ax //下面显示一个字符串(显示已经到达保护模式信息) mov esi, &Msg1 //源数据偏移 mov edi, ((80 * 0 + 0) * 2) //目的数据偏移。屏幕第0行, 第0列。 call DispStr jmp SelectorLDTCodeA:&LDTCode //跳转到局部任务}//局部代码段, 由32 位代码段跳入asm void LDTCode(){ //下面显示一个字符串(显示已经到达保护模式信息) mov esi, &Msg2 //源数据偏移 mov edi, ((80 * 1 + 0) * 2) //目的数据偏移。屏幕第1行, 第0列。 call DispStr_end: jmp _end}//显示一个字符串，需要先设置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置asm void DispStr(){ mov ah, 14h //蓝底红字(ah = 14h)//循环逐个将字符串输出_DispStr: mov al, ds:[esi]//因为可读，才能用cs指向当前段的Msg1字符串 inc esi cmp al, '/0' //判断是否字符串结束 jz _stop mov gs:[edi], ax add edi, 2 jmp _DispStr_stop: //显示完毕 ret} 

 

想要实验以上代码的朋友请注意：

1.到杨晓兵大大的博客上下载安装yc09编译器，安装只需一分钟左右。

2.将此次试验中的run.c、pm.h、pm16.c、pm32.c代码拷贝到某个实验用的文件夹内。

3.在安装yc09的目录YC09/example文件夹内找到bochs.exe、BIOS-bochs-latest、VGABIOS-elpin-2.40、x11-pc-us.map四个文件拷贝到试验用的文件夹内。

4.使用yc09编译运行run.c