玩转保护模式

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操作系统

保护模式 OS

这几天还是在学习《自己动手写操作系统》，终于将保护模式了了。

上来贴上代码：

%include "pm.inc"
org		0100h
xchg	bx,bx
jmp		START
[SECTION .gdt]
GDT_DEC:		Descriptor		0	,	0	,	0	
CODE32_DEC:		Descriptor		0	,Code32SegLen-1,DA_32+DA_CE
VIDEO_DEC:		Descriptor	0b8000h	,	0ffffh,DA_DRW
DATA32_DEC:		Descriptor		0	,Data32SegLen-1,DA_DRW
STACK32_DEC:	Descriptor		0	,StackTop	,DA_32+DA_DRW
EXTRA_DEC:		Descriptor	050000h	,	0ffffh	,DA_DRW
CODE16_DEC:		Descriptor		0	,	0ffffh	,DA_CE
NORMAL_DEC:		Descriptor		0	,	0ffffh	,DA_DRW

GdtLen		equ		$ - GDT_DEC

Gdtptr		dw		GdtLen-1	;Length of GDT
			dd		0			;base of GDT

SelectorCode32	equ		CODE32_DEC	- GDT_DEC		
SelectorVideo	equ		VIDEO_DEC	- GDT_DEC
SelectorData	equ		DATA32_DEC  - GDT_DEC
SelectorStack	equ		STACK32_DEC	- GDT_DEC
SelectorExtra	equ		EXTRA_DEC	- GDT_DEC
SelectorCode16	equ		CODE16_DEC	- GDT_DEC
SelectorNormal	equ		NORMAL_DEC	- GDT_DEC

[SECTION .s16]
[BITS 16]
START:
	mov		ax,cs
	mov		ds,ax
	mov		ss,ax
	mov		es,ax
	mov		sp,100h
	
	mov		[BACK_TO_REAL+3],ax
	mov		[RealModeSp],sp

	;load Code32Segment Base
	xor		eax,eax
	mov		ax,cs
	shl		eax,4
	add		eax,CODE32_SEG
	mov 	[CODE32_DEC+2],ax
	shr		eax,16
	mov		[CODE32_DEC+4],al
	mov		[CODE32_DEC+7],ah

	;load data segment
	xor		eax,eax
	mov		ax,ds
	shl		eax,4
	add		eax,DATA32_SEG
	mov		[DATA32_DEC+2],ax
	shr		eax,16
	mov		[DATA32_DEC+4],al
	mov		[DATA32_DEC+7],ah

	;load stack segment base
	xor		eax,eax
	mov		ax,ss
	shl		eax,4
	add		eax,STACK_SEG
	mov		[STACK32_DEC+2],ax
	shr		eax,16
	mov		[STACK32_DEC+4],al
	mov		[STACK32_DEC+7],ah
	
	;load code16 segment base
	xor		eax,eax
	mov		ax,cs
	shl		eax,4
	add		eax,CODE16_SEG
	mov		[CODE16_DEC+2],ax
	shr		eax,16
	mov		[CODE16_DEC+4],al
	mov		[CODE16_DEC+7],ah

	;load GDT Base
	xor		eax,eax
	mov		ax,cs
	shl		eax,4
	add		eax,GDT_DEC
	mov 	[Gdtptr+2],eax
	lgdt	[Gdtptr]

	cli

	in		al,92h
	or		al,02h
	out		92h,al

	mov		eax,cr0
	or		eax,01h
	mov		cr0,eax
	jmp	dword	SelectorCode32:0   ;Enter to Protected mode!

ENTER_REAL_MODE:
	mov		ax,cs
	mov		ds,ax
	mov		es,ax
	mov		ss,ax
	mov		fs,ax
	mov		gs,ax
	mov		sp,[RealModeSp]

	in		al,92h
	and		al,11111101b
	out		92h,al

	sti
	;call BIOS int 10h to test if back to real
	mov		cx,22
	mov		bh,0
	mov		bl,89h
	mov		dx,1000h
	mov		bp,BackRealMeg
	mov		ah,13h
	mov		al,01h
	int		10h
	
	;back to dos
	mov		ax,4c00h
	int		21h

[SECTION .p16]
ALIGN 32
[BITS 16]
CODE16_SEG:
	mov		ax,SelectorNormal
	mov		ds,ax
	mov		ss,ax
	mov		gs,ax
	mov		fs,ax
	mov		es,ax

	mov		eax,cr0
	and		eax,0feh
	mov		cr0,eax
BACK_TO_REAL:
	jmp		0:ENTER_REAL_MODE
Code16SegLen	equ		$ - $$

[SECTION .s32]
ALIGN	32
[BITS 32]
DATA32_SEG:
Message:	db "Welcome to Protected Mode!",0
MessageLen	equ	 $ - Message
offMessage  equ	 Message - $$
RealModeSp	dw	0
Letters:	db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ",0
offLetters	equ	Letters  -$$

BackRealMeg: db "Welcome back to real!\n"

Data32SegLen	equ  $ - $$ 

[SECTION .stack]
ALIGN	32
[BITS 32]
STACK_SEG:
times 512 db 0
StackTop equ	$ - STACK_SEG - 1

[SECTION .s32]
[BITS 32]
CODE32_SEG:
	mov		ax,SelectorVideoto 
	mov		gs,ax

	mov		ax,SelectorData
	mov		ds,ax
	
	mov		ax,SelectorStack
	mov		ss,ax
	mov		esp,StackTop

	mov		ax,SelectorExtra
	mov		es,ax

	call	DispMessage
	call	DispReturn
	call	ReadFromExtraSeg
	call	WriteToExtraSeg
	call	ReadFromExtraSeg

	jmp		SelectorCode16:0

DispMessage:
	mov		ah,0ch
	mov		esi,offMessage
	mov		edi,(80*12+20)*2
	mov		ecx,MessageLen
	.loop:
		mov		al,[esi]	
		mov		[gs:edi],ax
		add		edi,2
		inc		esi
		loop .loop
	ret

ReadFromExtraSeg:
	xor		esi,esi
	mov		ecx,08h
	.loop:
		mov		al,[es:esi]
		call	DispAlAsNum
		inc		esi
		loop .loop
		call	DispReturn
		ret

DispAlAsNum:
	push	ecx
	push	edx
	mov		ecx,02h
	mov		dl,al
	shr		al,4
	mov		ah,0ch
	.loop:
		and		al,0fh
		cmp		al,09h
		ja		.letter
		add		al,'0'
		jmp		.Disp
		.letter:
		sub		al,0ah
		add		al,'A'
		.Disp:
		mov		[gs:edi],ax
		mov		al,dl
		add		edi,2
		loop	.loop
		add		edi,2
		pop		edx
		pop		ecx
		ret

DispReturn:
	push	eax
	push	ebx
	mov		eax,edi
	mov		bl,160
	div		bl
	and		eax,0ffh
	inc		eax
	mul		bl
	mov		edi,eax
	pop		ebx
	pop		eax
	ret

WriteToExtraSeg:
	push	esi
	push	edi
	xor		esi,esi
	xor		edi,edi
	mov		esi,offLetters
	cld
	.loop:
		lodsb
		test	al,al
		jz		.ok
		mov		[es:edi],al	
		inc		edi
		loop	.loop
		.ok:
		pop		edi
		pop		esi
		ret

Code32SegLen	equ		$ - $$

然后运行结果图：

这个程序先从实模式进入保护模式，然后从附加段中读数据并输出，再从数据段向附加段写数据，然后输出。最后返回实模式。

刚开始时，没注意，还是利用org 0x7c00开头，直接从该软驱启动，但是提示找不到启动设备。然后利用Hex Edit查看，发现 510 511 单元不是55 aa而是00 00 ，再查看源代码，可以发现这块已经被Stack占用，也就是说，我们得程序已经超过了512B,那么，只好利用其他东西(如Freedos)来做引导.最后将改程序放入其一个软驱中。在DOS中运行这个程序。

还有就是，在DOS中如果程序出问题了该怎么办，我一开始想到得是Debug，但是遗憾得是没有这个命令。所以只好另图他径。首先在Bochs配置文件中添加magic_break : enabled=1,然后在程序中利用xchg bx,bx来设置断点。当你运行改程序时，在这里会自动将控制权交给Bochs，然后你就可以在Bochs中调试了。

再后呢就是关于从保护模式跳入实模式得步骤：

1. 关中断，因为一开始中断就关掉了，这步可以省略
2. 将程序从一个32位的代码段转移到16位的代码段，这个代码段的段界限必须是64KB，即FFFFh，就是程序中的
SelectorCode16描述的那个段
这个的作用是刷新CS寄存器，使它符合实模式下cs寄存器的要求
3. 刷新数据段的寄存器，包括DS, ES, FS, GS, SS，使得它们也符合实模式下的要求，就是mov ax,
SelectorNormal的作用， SelectorNormal的要求是：
Limit = 64KB ( 0FFFFh )
Byte granular = 0 ( G = 0 )
Expand up ( E = 0 )
Writable ( W = 1 )
Present ( P = 1 )
Base = any value
也就是说， SelectorNormal描述的段要完全符合实模式下的数据段的要求
4. 清Cr0的PE位，真正的转换到实模式，需要注意的是SelectorCode16描述的那个段中的代码仍然是保护模式下的，只不过是16
位的代码
只有当PE位清0的时候，才真正的转换到实模式，这个时候，需要有一个跳转，真正的跳转到实模式下的代码段，而这个跳转的寻址方式是实
模式寻址方式
5. 经过第4步的关键跳转， CS被更新成了真正的实模式下的段地址，这个时候，需要重新刷新数据段寄存器，使他们工作在实模式下，
这些数据寄存器包括上述提到的所有的段寄存器，即DS, ES, FS, GS, SS，如果你不用它们的话，就直接赋值为0也是可以的
6. 开中断，这步完成之后，就完全完成了保护模式到实模式的切换