《自己动手写操作系统》学习笔记(五)

实模式------>保护模式------>实模式

一、“实模式--保护模式--实模式”的转换过程

1、“实模式--保护模式”的跳转

（1）准备GDT

（2）用lgdt加载gdtr

（3）打开A20

（4）置cr0的PE位

（5）跳转，进入保护模式

2、“保护模式--实模式”的跳转 

（比实模式--->保护模式要复杂一些，因为在准备结束保护模式回到实模式之前，需要加载一个合适的段描述符选择子到有关段寄存器，以使对应段描述符告诉缓冲寄存器中含有合适的段界限和属性，而且我们不能从32位代码段返回实模式，只能从16位代码段中返回。这是因为无法实现从32位代码段返回时CS高速缓冲寄存器中的属性符合实模式的要求【实模式不能改变段属性】，至于为什么不能从32位的保护模式直接跳转到实模式，可以参见这篇文章 http://www.techbulo.com/860.html）

(1)从保护模式下的32位代码段跳转到保护模式下16位代码段

(2)在16位代码段下初始化除了cs寄存器外的所有其他段寄存器（以实现更新段描述符告诉缓冲寄存器的目的）

(3)置cr0的末位为0

(4)实现跳转，返回到实模式

二、《自己动手写操作系统》第三章pmtest2.asm中具体实现

1、实模式--保护模式--实模式”的跳转过程

2、代码实现

（1）、pm.inc中的宏定义

在程序中，我们定义属性时，使用了pm.inc中的宏定义DA_DRW、DA_C、DA_32、DA_DRW、DA_DRWA。下面让我来向大家解释这些宏定义。

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DA   : Descriptor Attribute

D    : 数据段

C    : 代码段

S    : 系统段

R    : 只读

RW   : 读写

A    : 已访问

-----------------------------------------------------------

DA_32               EQU 4000h       ; 32 位段

DA_DPL0          EQU   00h        ; DPL = 0

DA_DPL1          EQU   20h        ; DPL = 1

DA_DPL2          EQU   40h        ; DPL = 2

DA_DPL3          EQU   60h        ; DPL = 3

-----------------------------------------------------------

存储段描述符类型值说明

-----------------------------------------------------------

DA_DR                  EQU 90h  ; 存在的只读数据段类型值

DA_DRW              EQU 92h  ; 存在的可读写数据段属性值

DA_DRWA            EQU 93h  ; 存在的已访问可读写数据段类型值

DA_C                     EQU 98h  ; 存在的只执行代码段属性值

DA_CR                  EQU 9Ah  ; 存在的可执行可读代码段属性值

DA_CCO               EQU 9Ch  ; 存在的只执行一致代码段属性值

DA_CCOR            EQU 9Eh  ; 存在的可执行可读一致代码段属性值

-----------------------------------------------------------

系统段描述符类型值说明

-----------------------------------------------------------

DA_LDT             EQU   82h       ; 局部描述符表段类型值

DA_TaskGate    EQU   85h       ; 任务门类型值

DA_386TSS      EQU   89h       ; 可用 386 任务状态段类型值

DA_386CGate   EQU   8Ch       ; 386 调用门类型值

DA_386IGate     EQU   8Eh       ; 386 中断门类型值

DA_386TGate    EQU   8Fh       ; 386 陷阱门类型值

（2）pmtest2.ASM文件

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;pmtest2.asm

;编译方法：nasm pmtest2.asm -o pmtest2.com

 

%include "pm.inc";常量，宏，以及一些说明

 

org 0100h

 jmp LABEL_BEGIN

 

[SECTION .gdt]

;GDT

; 段基址 段界限 段属性

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，32

LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ;非一致代码段，16

LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW + DA_DPL1 ;Data

LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ;Stack,32位

LABEL_DESC_TEST: Descriptor 0500000h, 0ffffh, DA_DRW ;测试代码段

LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW ;显存首地址

;GDT 结束

 

GdtLen equ $ - LABEL_GDT ;GDT长度

GdtPtr dw GdtLen - 1 ;GDT界限

 dd 0 ;GDT基地址

 

;GDT选择子

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 + SA_RPL3

SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT

SelectorTest equ LABEL_DESC_TEST - LABEL_GDT

SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT

;END of [SECTION .gdt]

 

[SECTION .data1] ;数据段

ALIGN 32

[BITS 32]

LABEL_DATA:

SPValueInRealMode dw 0

;字符串

PMMessage: db "In Protect Mode now.", 0 ;进入保护模式后显示该字符串

OffsetPMMessage equ PMMessage - $

 

StrTest: db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0

OffsetStrTest equ StrTest - $

 

DataLen equ $ - LABEL_DATA

;END of [SECTION .data1]

 

;全局堆栈段

[SECTION .gs]

ALIGN 32

[BITS 32]

LABEL_STACK:

 times 512 db 0

TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1

;END of [SECTION .gs]

 

[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 [SPValueInRealMode], sp

 

;初始化16位代码段描述符

 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位代码段描述符

 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

 

;为加载GDTR作准备

 xor eax, eax

 mov ax, ds

 shl eax, 4

 add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt

 mov dword[GdtPtr+2], eax ; [GdtPtr+2] <- gdt 基地址

 

;加载GDTR

 lgdt [GdtPtr]

 

;关中断

 cli

 

;打开地址线A20

 in al, 92h

 or al, 00000010b

 out 92h, al

 

;清屏操作(用以指定色彩)

 mov ah, 06H ;功能06H和07H

 mov ch, 00 ;功能描述：初始化屏幕或滚屏

 mov cl, 00 ;入口参数：AH＝06H——向上滚屏，07H——向下滚屏

 mov dh, 24 ;AL＝滚动行数(0——清窗口)

 mov dl, 79 ;BH＝空白区域的缺省属性

 mov bh, 7 ;(CH、CL)＝窗口的左上角位置(Y坐标，X坐标)

 mov al, 00 ;(DH、DL)＝窗口的右下角位置(Y坐标，X坐标)

 int10H ;出口参数：无

 

;准备切换到保护模式

 mov eax, cr0

 or eax, 1

 mov cr0, eax

 

;真正进入保护模式

 jmp dword SelectorCode32:0 ;执行这一句会把SelectorCode32装入cs,并跳转到SelectorCode32:0处

 

;......................................................................

;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

 

LABEL_REAL_ENTRY: ;从保护模式跳回到实模式就到了这里

 mov ax, cs

 mov ds, ax

 mov es, ax

 mov ss, ax

 

mov sp, [SPValueInRealMode]

 

in al, 92h ;关闭A20地址线

 and al, 11111101b

 out 92h, al

 

sti ;开中断

 

;回到DOS

 mov ax, 4C00h

 int21h;

;END of [SECTION .s16]

 

[SECTION .s32] ;32位代码段，由实模式跳入

[BITS 32]

 

LABEL_SEG_CODE32:

 mov ax, SelectorData

 mov ds, ax ;数据段选择子

 mov ax, SelectorTest

 mov es, ax ;测试段选择子

 mov ax, SelectorVideo

 mov gs, ax ;视频段选择子

 

mov ax, SelectorStack

 mov ss, ax ;堆栈段选择子

 mov esp, TopOfStack

 

;下面显示一个字符串

 mov ah, 0Ch ;0000:黑底 1100:红字

 xor esi, esi

 xor edi, edi

 mov esi, OffsetPMMessage ;源数据偏移

 mov edi, (80*10+0)*2 ;目的数据偏移。屏幕第10行，第0列

 cld

.1:

 lodsb

 test al, al

 jz .2

 mov [gs:edi], ax ;将ax中的数据送入到显存

 add edi, 2

 jmp .1

.2: ;显示完毕

 

 call DispReturn

 

call TestRead

 call TestWrite

 Call TestRead

 

;到此停止

 jmp SelectorCode16:0

;---------------------------------------------------------------------------

 

TestRead:

 xor esi, esi

 mov ecx, 8

.loop:

 mov al, [es:esi]

 call DispAL

 inc esi

 loop .loop

 

call DispReturn

 

ret

;TestRead结束--------------------------------------------------------------

 

;--------------------------------------------------------------------------

TestWrite:

 push esi

 push edi

 xor esi, esi

 xor edi, edi

 mov esi, OffsetStrTest ;源数据偏移

 

.1:

 lodsb

 test al, al

 jz .2

 mov [es:edi], al

 inc edi

 jmp .1

.2:

 pop edi

 pop esi

 

ret

 

;TestWrite结束--------------------------------------------------------------

 

;---------------------------------------------------------------------------

;显示AL中的数字

;默认地:

; 数字已经存在AL中

; edi始终指向要显示的下一个字符的位置

;被改变的寄存器

; ax, edi

;---------------------------------------------------------------------------

 

DispAL:

 push ecx

 push edx

 

mov ah, 0Ch

 mov dl, al

 shr al, 4

 mov ecx, 2

.begin:

 and al, 01111b

 cmp al, 9

 ja .1

 add al,'0'

 jmp .2

.1:

 sub al, 0Ah

 add al,'A'

.2:

 mov [gs:edi], ax

 add edi, 2

 

mov al, dl

 loop .begin

 add edi, 2

 

 pop edx

 pop ecx

 

ret

;DispAL结束-----------------------------------------------------------------

 

;---------------------------------------------------------------------------

DispReturn:

 push eax

 push ebx

 mov eax, edi

 mov bl, 160

 divbl

 and eax, 0FFh

 inc eax

 mov bl, 160

 mul bl

 mov edi, eax

 pop ebx

 pop eax

 

ret

;DispReturn结束--------------------------------------------------------------

SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32

; END of [SECTION .s32]

 

;16位代码段，由32位代码段跳入，跳出后到实模式

[SECTION .s16code]

ALIGN 32

[BITS 16]

LABEL_SEG_CODE16:

 ;跳回实模式：

 mov ax, SelectorNormal

 mov ds, ax

 mov es, ax

 mov fs, ax

 mov gs, ax

 mov ss, ax

 

mov eax, cr0

 and al, 11111110b

 mov cr0, eax

 

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:

 jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ;段地址会在程序开始处被设置成正确的值

 

Code16Len equ $-LABEL_SEG_CODE16

;END of [SECTION .s16code]