80386保护模式段式寻址

前言：X86段式寻址写的人多了，我综合了网上多个版本和多本正版盗版书籍，加上自己的一点点领悟，终于貌似（之所以加个貌似，是因为可能以后还有修改）搞清楚了，特此记录。

本文特点：理论结合实践，有图有代码从而有真相。

说到X86平台，不得不说80386，因为很多操作系统原型都是基于这个平台写的，所以学习操作系统应该把这个平台搞清楚。关于硬件结构特点的介绍此处省略很多字。对于本篇文章，有两点很重要，一是物理地址的计算，CS和IP为80386的寄存器，物理地址 = （段地址 << 4） + 偏移地址 ，也就是 （CS里的值 << 4） + IP里的值。在80386PC机中，任意时刻，设CS中的内容为M， IP中的内容为N，8086CPU将从内存 M X 16 + N 单元开始，读取一条指令并执行。另外一点，就是GDT和LDT，在此我们不整那么复杂只说GDT。GDT里有很多项，每一项是个的数据结构，一共64位，里面某个位或某几位代表了一些属性，代码段和数据段的数据结构如图一。比较重要的是base，一般存放物理地址。你可以自己定义一个数据结构命名为GdtTest1，按照图一的要求分配空间，那么这个GdtTest1就是GDT其中一个项了。把多个项放在一起就形成了一个类似存储表的东西，我们称之为GDT，它放在内存的任意位置，由GTDR这个寄存器保存入口地址，如图二。

图一 代码段和数据段的GDT数据结构



图二 多个GDT

通过上面的描述，我们清楚了两个东西，一个是物理地址，一个是GDT，都和寻址有关，但是他们有什么联系呢？其实80386分三种模式：实模式、保护模式、虚拟x86模式。实模式用的就是物理地址，保护模式就会用到GDT。具体怎么用，请参看下面的代码及注释（5个步骤），代码来自于渊的《orange s一个操作系统的实现》。

; ==========================================; pmtest1.asm; 编译方法：nasm pmtest1.asm -o pmtest1.bin; ========================================== %include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明 org    07c00h    jmp    LABEL_BEGIN  [SECTION .gdt];步骤1;GDT,下面就是GDT，是在pm.inc中定义的宏，定义了三项，可以表述三个地址，每一项都是一个结构，分为段基址，段界限和属性（属性又可细分），参看图一;                                      段基址,              段界限,                    属性LABEL_GDT:            Descriptor       0,                  0,                        0             LABEL_DESC_CODE32:    Descriptor       0,                  SegCode32Len - 1,         DA_C + DA_32  LABEL_DESC_VIDEO:     Descriptor       0B8000h,            0ffffh,                   DA_DRW         GdtLen        equ    $ - LABEL_GDT    ; GDT长度，$代表当前地址 ;共6 byte, 结构与寄存器 gdtr 一致. 用于保存 GDT 表信息, 通过 lgdt 加载.;后2-5byte内容, 在下面的代码中会计算出并填入，也就是GDT基地址.GdtPtr        dw    GdtLen - 1   ; GDT界限              dd    0            ; GDT基地址 ; GDT 选择子SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDTSelectorVideo         equ    LABEL_DESC_VIDEO  - LABEL_GDT  [SECTION .s16][BITS    16]LABEL_BEGIN:    mov    ax, cs    mov    ds, ax    mov    es, ax    mov    ss, ax    mov    sp, 0100h      ;此处计算出了 LABEL_SEG_CODE32 的真实物理地址,保存于 eax 中.    xor       eax, eax    mov     ax, cs    shl     eax, 4                   ;eax 中存储 cs 段地址, 并左移四位    add     eax, LABEL_SEG_CODE32    ;段+偏移地址, 计算出其真实物理首地址;步骤2    ;此处将前面计算出的真实物理地址, 按规则放入GDT相应的段基址位置. +n就是偏移n个byte，也就是图一中的base0-15, 16-23, 24-31    mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax     shr eax, 16     mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al    mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah     xor eax, eax     mov ax, ds     shl eax, 4 ;eax 中存储 ds 段地址, 并左移四位     add eax, LABEL_GDT ;段+偏移地址, 计算出真实物理首地址(即GDT开始处地址)     mov dword [GdtPtr + 2], eax ; 将此物理首地址放入 GdtPtr(共6 byte) 的2-5 byte 处. ;步骤3    ; 加载到寄存器 gdtr.    lgdt    [GdtPtr]     ; 关中断    cli     ; 打开地址线A20    in    al, 92h    or    al, 00000010b    out   92h, al;步骤4    ; 将寄存器 cr0 的第 0 位置设置为1, 表示 CPU 要运行于保护模式    mov   eax, cr0    or      eax, 1    mov   cr0, eax;步骤5    ; 进入保护模式    jmp   dword SelectorCode32:0   ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs,                                   ; 并跳转到 Code32Selector:0  处; END of [SECTION .s16]  [SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.[BITS    32] LABEL_SEG_CODE32:    mov    ax, SelectorVideo    mov    gs, ax                         ; 视频段选择子(目的)     mov    edi, (80 * 11 + 79) * 2        ; 屏幕第 11 行, 第 79 列。    mov    ah, 0Ch                        ; 0000: 黑底    1100: 红字    mov    al, 'P'    mov    [gs:edi], ax     ; 到此停止    jmp    $ SegCode32Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE32; END of [SECTION .s32]

从上面代码我们可以总结一下GDT段式寻址步骤：

1、自定义GDT结构；

2、分配GDT中各项的地址，如把LABEL_SEG_CODE32的物理地址放入GDT其中一项LABEL_DESC_CODE32的base中；

3、将GDT入口地址和长度放入GDTR寄存器中，如 lgdt [GdtPtr]；

4、设置cr0寄存器进入保护模式；

5、在保护模式下用GDT实现跳转，如 jmp dword SelectorCode32:0 。此时SelectorCode32就是LABEL_DESC_CODE32相对于GDT入口地址的偏移，前面已经加载了GDT的入口地址，加上这个偏移就能方便的找到LABEL_DESC_CODE32，jmp到GDT中的这一项后，通过LABEL_DESC_CODE32中的base，可以找到LABEL_SEG_CODE32，因为base中放着LABEL_SEG_CODE32的物理地址，实际上也就是jmp到了LABEL_SEG_CODE32去。

至此，完成保护模式下段式寻址。