《自己动手写操作系统》读书笔记——初识保护模式

书本第三章第一节是《认识保护模式》，初步讲解了保护模式下全局描述符表GDT、段描述符、段选择子、从实模式进入保护模式等内容。去年看这个的时候，如果不是有以前学习保护模式时做的笔记，还真不好懂呢，因为作者提供的材料不够系统，对仅学习过8086汇编语言的人来说，是不太好理解的。下面的内容大体以我以前做的笔记为纲，较为简略，只说明要点。（本来还可以参考下以前学习保护模式时收集的资料的，很可惜，移动硬盘坏了，资料都没有了，早就该注意信息安全了的。）

• 描述符与描述符表

     8086是16位处理器，有16位的寄存器和数据总线，20位的地址总线，寻址能力为1MB。地址由段基址和段偏移两部分组成，段基址和偏移地址都是16 位的，物理地址的计算方式为：物理地址=段基址×16+段偏移。从80386开始，Intel处理器进入了32位时代，地址总线为32位，寻址能力为 4GB。此时，通用寄存器变成从16位变成了32位，但段寄存器仍然是16位的，原来的基地址加偏移值的物理地址计算方法已经不适用了，需要新的计算方法。

    386以上CPU运行于保护模式时，虽然段寄存器仍然是16位的，但是其意义已经发生了变化：不再是表示段基地址了，而是表示段描述符在描述符表中的索引。此时，段寄存器的值也有了一个新的名称：段选择子。

       段描述符是描述段属性的一个8字节数据结构，分为三种类型：（数据段和代码段）段描述符、系统段描述符和门描述符。书本第43页给出了描述符的结构图。书中说“由于历史问题，它们（描述符中的段基址和段偏移）都被拆开存放”。我想，这个历史问题是指为兼容80286处理器的设计吧：80286采用24位地址线，寻址能力16MB，所以段基址被拆开成低24位和高8位两部分；80286已经引入“保护模式”的概念，是推出实模式和保护模式CPU的分水岭。附两个粗略介绍80286的网址：http://wiki.ccw.com.cn/80286 ，http://baike.baidu.com/view/193778.htm

      描述符表是内存中保存一个或者多个描述符的区域，由相关寄存器（GDTR、LDTR、IDTR）指示其起始地址。有三种描述符表：

      GDT Global Description Table 全局描述符表

      LDT Local Description Table  局部描述符表

      IDT Interrupt Description Table 中断描述符表

      段选择子是段寄存器的内容。虽然386处理器中段寄存器还是16位的，但是在保护模式下，其内容的意义已经发生了变化，不再是表示段基地址，而是表示段描述符在描述符表中的位置。其中第0位和第1位是RPL（Request Privilege Level 请求特权级），用以进行访问权限检查，这个以后再详细描述；第2位是TI（Task Indication，任务指示），其值为0表示使用GDT，为1表示使用LDT；第3至15位是段描述符在相应的描述符表中的索引。

• 存储器寻址

     实模式下的寻址方式同8086：段基地址×16+段偏移地址。

     保护模式下使用48位地址指针：16位段选择子和32位段偏移地址。寻址过程为：从相应的段寄存器中取出段选择子，根据高13位从相应的描述符表中取得段描述符；用段描述符给出的32位段基地址，加上32位的偏移地址得到32位线性地址；如果没有启用分页，则32位线性地址就是物理地址，否则线性地址再经过分页机制转化成物理地址。当然，寻址过程中会根据段描述符给出的段属性进行各种检查，如特权级检查、地址越界检查、段页是否存在检查等。

• 寄存器模型

   我觉得，没有给出386的寄存器模型是本书的一大缺憾。这里给出386的寄存器模型并作简要说明。（这张图我花了好长时间用WPS Office画的）

   

       图中阴影部分是实模式下可用的寄存器。

       EAX、EBX、ECX、EDX：8086中的通用寄存器已经扩展成32位的了。当然，还是可以使用AX、BX、CX、DX访问低16位；或者用AH、AL等分别访问低16位的高低两个字节。

       CS、DS、SS、ES、FS、GS：新增了FS和GS这两个16位的段寄存器。CS、DS、SS、ES的用途不变，还是代码段、数据段、堆栈段和扩展段寄存器；FS和GS也可以看作是方便程序员使用的扩展段寄存器。

       EIP：地址变成32位了，指令指针当然也要扩展成32位的了。

       ESP、EBP、ESI、EDI：堆栈指针、基址指针、源变址、目标变址寄存器，名字前面加上字母E表示扩展成32位了。

       EFLAGS：标志寄存器也变成32位的了。

       以下是386新增的寄存器：

       IDTR、GDTR和LDTR：IDTR和GDTR是48位的，分别用以保存中断描述符表和全局描述符表的基地址（32位）和限长（16位）。LDTR保存局部描述符的段选择子，其使用方式为：1 在LDTR中装入段选择子，CPU自动从GDT中取出局部描述符，放入高速缓存中，为当前任务建立LDT；2 以后使用段寄存器中的选择子时，若发现TI位为1，则从LDT中找到相应的段描述符进行寻址操作。

       TR：任务寄存器，存放任务状态段选择子，指示任务状态段描述符在GDT中的位置（类似LDTR）。使用方式类似LDTR：在TR中装入段选择子，CPU 自动从GDT中取出任务状态段描述符，放入高速缓存中，为当前任务建立TSS。TSS是Task State Segment（任务状态段)的简写，它定义了启动任务所需要的信息，简言之（不太准确），就是一个进程的相关信息。

       CR0、CR1、CR2、CR3、CR4：控制寄存器，保存了系统的各种标志位。其中CR0的低16位就是8086中的MSW(Machine State Word，机器状态字）。这里需要关注的是CR0的第0位PE标志，其值为0表示当前运行在实模式下；为1表示运行于保护模式下。

• 进入保护模式

    书本上给出了进入保护模式的代码，还有详细的说明，我就不给自己的代码了，只对一个地方进行简要说明：为什么要在GDT的起始位置处定义一个没有使用的空的描述符？  
    这个问题我想了好久也没想通，后来在网上找到了答案：GDT中索引为0的描述符是特殊的空描述符，是不能使用的，如果使用它进行存储器访问，会引发Genernal Protection异常。关于这个问题，可以参考http://leonstar.bokee.com/36918.html