初步学习Protected Mode(4)

回忆jmp和call时堆栈的影响：

对于jmp来说，短跳转对应段内，长跳转对应段间。对堆栈没有影响

call指令会影响堆栈，长调用和短调用对堆栈的影响是不同的。对于短调用来说，call指令执行时下一条指令的eip压栈。到ret指令执行时，这个eip会被从堆栈中弹出。

如果是长调用，如图：

高地址  

参数1

              参数2

eip

cs

低地址

通过调用门进行有特权级变换的转移

这里有一个问题：堆栈A中压入参数和返回地址，等到需要使用它们的时候堆栈已经变成B了。为了解决这个问题，这个需要TSS Task-State Stack

这是一个数据结构，里面有多个字段。当发生堆栈切换时，内层的ss和esp就是从这里取得的。

比如我们当前所在的是ring3，当转移到ring1时，堆栈将被自动切换到由ss1和esp1指定的位置。由于只是在外层到内层切换时新堆栈才会从TSS中取得，所以TSS中没有位于最外层的ring3堆栈信息。

整个转移的过程如下：

1、根据目标代码段的DPL从TSS中选择应该切换至哪个ss和esp

2、从TSS中读取新的ss和esp。在这过程中如果发现ss、esp或者TSS界限错误都会导致无效TSS异常。

3、对ss描述符进行检验，如果发生错误，同样产生#TS异常。

4、暂时性的保存当前ss和esp的值

5、加载新的ss和esp

6、将刚刚保存起来的ss和esp的值压入新栈

7、从调用者堆栈中将参数复制到被调用者堆栈中，复制参数的数目由调用门中ParamCount一项决定。如果Param Count=0，不会复制参数

8、将当前cs和eip压栈

9、加载调用门中指定的新的cs和eip，开始执行被调用者过程

ret指令不仅可以实现短返回和长返回，而且可以实现带有特权级变换的长返回。由被调用者到调用者的返回过程中，处理器的工作包含以下步骤：

1、检查保存的cs中RPL以判断返回时是否要变换特权级。

2、加载被调用者堆栈上的cs和eip，进行代码段描述符和选择子类型和特权级检验

3、如果ret指令含有参数，则增加esp的值以跳过参数，然后esp将指向被保存过的调用者ss和esp。ret的参数必须对应调用门中的Param Count的值

4、加载ss和esp，切换到调用者堆栈，被调用者的ss和esp被丢弃。此时进行ss描述符、esp以及ss段描述符的检验

5、如果ret指令含有参数，增加esp的值以跳过参数（此时已经在调用者堆栈中）

6、检查ds es fs gs的值，如果其中哪一个寄存器指向的段的DPL小于CPL，那么一个空描述符会被加载到寄存器。

综上，使用调用门的过程实际上分为两个部分，一部分是从低特权级到高特权级，通过调用门和call指令实现。一部分则是从高特权级到低特权及，通过ret指令来实现。

（一致代码段可以直接用call从低特权到高特权级，如果不是，则需要使用调用门）

这里是一份详尽的说明代码

; ==========================================; pmtest5.asm; 编译方法：nasm pmtest5.asm -o pmtest5.com; ==========================================%include"pm.inc"; 常量, 宏, 以及一些说明org0100hjmpLABEL_BEGIN[SECTION .gdt]; GDT;                                         段基址,         段界限     , 属性LABEL_GDT:Descriptor       0,                   0, 0; 空描述符LABEL_DESC_NORMAL:Descriptor       0,              0ffffh, DA_DRW; Normal 描述符LABEL_DESC_CODE32:Descriptor       0,    SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32; 非一致代码段, 32LABEL_DESC_CODE16:Descriptor       0,              0ffffh, DA_C; 非一致代码段, 16LABEL_DESC_CODE_DEST:Descriptor       0,  SegCodeDestLen - 1, DA_C + DA_32; 非一致代码段, 32LABEL_DESC_CODE_RING3:Descriptor       0, SegCodeRing3Len - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL3; 非一致代码段, 32LABEL_DESC_DATA:Descriptor       0,  DataLen - 1, DA_DRW; DataLABEL_DESC_STACK:Descriptor       0,          TopOfStack, DA_DRWA + DA_32; Stack, 32 位LABEL_DESC_STACK3:Descriptor       0,         TopOfStack3, DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3; Stack, 32 位LABEL_DESC_LDT:Descriptor       0,          LDTLen - 1, DA_LDT; LDTLABEL_DESC_TSS:Descriptor       0,          TSSLen - 1, DA_386TSS; TSSLABEL_DESC_VIDEO:Descriptor 0B8000h,              0ffffh, DA_DRW + DA_DPL3; 显存首地址; 门                                            目标选择子,       偏移, DCount, 属性LABEL_CALL_GATE_TEST:Gate  SelectorCodeDest,          0,      0, DA_386CGate + DA_DPL3; GDT 结束GdtLenequ$ - LABEL_GDT; GDT长度GdtPtrdwGdtLen - 1; GDT界限dd0; GDT基地址; GDT 选择子SelectorNormalequLABEL_DESC_NORMAL- LABEL_GDTSelectorCode32equLABEL_DESC_CODE32- LABEL_GDTSelectorCode16equLABEL_DESC_CODE16- LABEL_GDTSelectorCodeDestequLABEL_DESC_CODE_DEST- LABEL_GDTSelectorCodeRing3equLABEL_DESC_CODE_RING3- LABEL_GDT + SA_RPL3SelectorDataequLABEL_DESC_DATA- LABEL_GDTSelectorStackequLABEL_DESC_STACK- LABEL_GDTSelectorStack3equLABEL_DESC_STACK3- LABEL_GDT + SA_RPL3SelectorLDTequLABEL_DESC_LDT- LABEL_GDTSelectorTSSequLABEL_DESC_TSS- LABEL_GDTSelectorVideoequLABEL_DESC_VIDEO- LABEL_GDTSelectorCallGateTestequLABEL_CALL_GATE_TEST- LABEL_GDT + SA_RPL3; END of [SECTION .gdt][SECTION .data1] ; 数据段ALIGN32[BITS32]LABEL_DATA:SPValueInRealModedw0; 字符串PMMessage:db"In Protect Mode now. ^-^", 0; 进入保护模式后显示此字符串OffsetPMMessageequPMMessage - $$StrTest:db"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0OffsetStrTestequStrTest - $$DataLenequ$ - LABEL_DATA; END of [SECTION .data1]; 全局堆栈段[SECTION .gs]ALIGN32[BITS32]LABEL_STACK:times 512 db 0TopOfStackequ$ - LABEL_STACK - 1; END of [SECTION .gs]; 堆栈段ring3[SECTION .s3]ALIGN32[BITS32]LABEL_STACK3:times 512 db 0TopOfStack3equ$ - LABEL_STACK3 - 1; END of [SECTION .s3]; TSS ---------------------------------------------------------------------------------------------[SECTION .tss]ALIGN32[BITS32]LABEL_TSS:DD0; BackDDTopOfStack; 0 级堆栈DDSelectorStack; DD0; 1 级堆栈DD0; DD0; 2 级堆栈DD0; DD0; CR3DD0; EIPDD0; EFLAGSDD0; EAXDD0; ECXDD0; EDXDD0; EBXDD0; ESPDD0; EBPDD0; ESIDD0; EDIDD0; ESDD0; CSDD0; SSDD0; DSDD0; FSDD0; GSDD0; LDTDW0; 调试陷阱标志DW$ - LABEL_TSS + 2; I/O位图基址DB0ffh; I/O位图结束标志TSSLenequ$ - LABEL_TSS; TSS ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^[SECTION .s16][BITS16]LABEL_BEGIN:movax, csmovds, axmoves, axmovss, axmovsp, 0100hmov[LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], axmov[SPValueInRealMode], sp; 初始化 16 位代码段描述符movax, csmovzxeax, axshleax, 4addeax, LABEL_SEG_CODE16movword [LABEL_DESC_CODE16 + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], almovbyte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah; 初始化 32 位代码段描述符xoreax, eaxmovax, csshleax, 4addeax, LABEL_SEG_CODE32movword [LABEL_DESC_CODE32 + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], almovbyte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah; 初始化测试调用门的代码段描述符xoreax, eaxmovax, csshleax, 4addeax, LABEL_SEG_CODE_DESTmovword [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], almovbyte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah; 初始化数据段描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_DATAmovword [LABEL_DESC_DATA + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_DATA + 4], almovbyte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah; 初始化堆栈段描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_STACKmovword [LABEL_DESC_STACK + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_STACK + 4], almovbyte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah; 初始化堆栈段描述符(ring3)xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_STACK3movword [LABEL_DESC_STACK3 + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], almovbyte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_LDTmovword [LABEL_DESC_LDT + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_LDT + 4], almovbyte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah; 初始化 LDT 中的描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_CODE_Amovword [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], almovbyte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah; 初始化Ring3描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_CODE_RING3movword [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], almovbyte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah; 初始化 TSS 描述符xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_TSSmovword [LABEL_DESC_TSS + 2], axshreax, 16movbyte [LABEL_DESC_TSS + 4], almovbyte [LABEL_DESC_TSS + 7], ah; 为加载 GDTR 作准备xoreax, eaxmovax, dsshleax, 4addeax, LABEL_GDT; eax <- gdt 基地址movdword [GdtPtr + 2], eax; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; 加载 GDTRlgdt[GdtPtr]; 关中断cli; 打开地址线A20inal, 92horal, 00000010bout92h, al; 准备切换到保护模式moveax, cr0oreax, 1movcr0, eax; 真正进入保护模式jmpdword SelectorCode32:0; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LABEL_REAL_ENTRY:; 从保护模式跳回到实模式就到了这里movax, csmovds, axmoves, axmovss, axmovsp, [SPValueInRealMode]inal, 92h; ┓andal, 11111101b; ┣ 关闭 A20 地址线out92h, al; ┛sti; 开中断movax, 4c00h; ┓int21h; ┛回到 DOS; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.[BITS32]LABEL_SEG_CODE32:movax, SelectorDatamovds, ax; 数据段选择子movax, SelectorVideomovgs, ax; 视频段选择子movax, SelectorStackmovss, ax; 堆栈段选择子movesp, TopOfStack; 下面显示一个字符串movah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字xoresi, esixoredi, edimovesi, OffsetPMMessage; 源数据偏移movedi, (80 * 10 + 0) * 2; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。cld.1:lodsbtestal, aljz.2mov[gs:edi], axaddedi, 2jmp.1.2:; 显示完毕callDispReturn; Load TSSmovax, SelectorTSSltrax; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈，而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中，所以要设置任务状态段寄存器 TR。pushSelectorStack3pushTopOfStack3pushSelectorCodeRing3push0retf; Ring0 -> Ring3，历史性转移！将打印数字 '3'。; ------------------------------------------------------------------------DispReturn:pusheaxpushebxmoveax, edimovbl, 160divblandeax, 0FFhinceaxmovbl, 160mulblmovedi, eaxpopebxpopeaxret; DispReturn 结束---------------------------------------------------------SegCode32Lenequ$ - LABEL_SEG_CODE32; END of [SECTION .s32][SECTION .sdest]; 调用门目标段[BITS32]LABEL_SEG_CODE_DEST:movax, SelectorVideomovgs, ax; 视频段选择子(目的)movedi, (80 * 12 + 0) * 2; 屏幕第 12 行, 第 0 列。movah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字moval, 'C'mov[gs:edi], ax; Load LDTmovax, SelectorLDTlldtaxjmpSelectorLDTCodeA:0; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。;retfSegCodeDestLenequ$ - LABEL_SEG_CODE_DEST; END of [SECTION .sdest]; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式[SECTION .s16code]ALIGN32[BITS16]LABEL_SEG_CODE16:; 跳回实模式:movax, SelectorNormalmovds, axmoves, axmovfs, axmovgs, axmovss, axmoveax, cr0andal, 11111110bmovcr0, eaxLABEL_GO_BACK_TO_REAL:jmp0:LABEL_REAL_ENTRY; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值Code16Lenequ$ - LABEL_SEG_CODE16; END of [SECTION .s16code]; LDT[SECTION .ldt]ALIGN32LABEL_LDT:;                                         段基址       段界限     ,   属性LABEL_LDT_DESC_CODEA:Descriptor       0,     CodeALen - 1,   DA_C + DA_32; Code, 32 位LDTLenequ$ - LABEL_LDT; LDT 选择子SelectorLDTCodeAequLABEL_LDT_DESC_CODEA- LABEL_LDT + SA_TIL; END of [SECTION .ldt]; CodeA (LDT, 32 位代码段)[SECTION .la]ALIGN32[BITS32]LABEL_CODE_A:movax, SelectorVideomovgs, ax; 视频段选择子(目的)movedi, (80 * 13 + 0) * 2; 屏幕第 13 行, 第 0 列。movah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字moval, 'L'mov[gs:edi], ax; 准备经由16位代码段跳回实模式jmpSelectorCode16:0CodeALenequ$ - LABEL_CODE_A; END of [SECTION .la]; CodeRing3[SECTION .ring3]ALIGN32[BITS32]LABEL_CODE_RING3:movax, SelectorVideomovgs, ax; 视频段选择子(目的)movedi, (80 * 14 + 0) * 2; 屏幕第 14 行, 第 0 列。movah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字moval, '3'mov[gs:edi], axcallSelectorCallGateTest:0; 测试调用门（有特权级变换），将打印字母 'C'。jmp$SegCodeRing3Lenequ$ - LABEL_CODE_RING3; END of [SECTION .ring3]