于渊-动手写操作系统4

操作系统版本五学习内容:

现在我们开始从实模式到保护模式的跳跃了。下面我们先来说说什么是保护模式。

之前我们的实模式的寄存器只有16位，那么它的寻址范围就是 段地址(16位)*16+偏移地址(16位)，所以它的寻址能力是非常有限的，那么假如切换到保护模式去的话CPU就有巨大的寻址能力，那么有人就会问Intel为什么不设计32位的段寄存器呢，那是Intel想向下兼容以前那些采用16位寄存器设计的系统。那么有什么办法可以解决这种问题，既要使用16位的段寄存器，又要让它的寻址范围能够扩大。那么这时就引入了GDT(Global Descriptor Table)这一技术，GDT是在硬件上面实现的。

那么这里你需要掌握几个方面的知识点:

第一什么是GDT，GDT是为了解决什么问题，GDT有除了扩大寻址作用之外，还有什么其他作用

第二需要掌握特权级和调用门的知识，即CPL、DPL、RPL的区别 学习地址:http://xu3stones.blog.163.com/blog/static/2059571362012103094448554/

第三知道历史遗留问题，如果激活A20地址线，为什么要激活，不激活会有什么问题

第四如果切换到保护模式

代码以及分析如下:

org  0100h

	jmp	LABEL_START		; Start

; 下面是 FAT12 磁盘的头, 之所以包含它是因为下面用到了磁盘的一些信息
%include	"fat12hdr.inc"
%include	"load.inc"
%include	"pm.inc"

;GDT----------------------------------------------------------------------------------------------------
;                                              段基址      段界限     属性
LABEL_GDT:	      Descriptor               0,         0,         0                          ;空描述符
LABEL_DESC_FLAT_C:    Descriptor               0,         0fffffh,   DA_CR|DA_32|DA_LIMIT_4K	; 0 ~ 4G
LABEL_DESC_FLAT_RW:   Descriptor               0,         0fffffh,   DA_DRW|DA_32|DA_LIMIT_4K	; 0 ~ 4G
LABEL_DESC_VIDEO:     Descriptor	       0B8000h,   0ffffh,    DA_DRW|DA_DPL3	        ; 显存首地址
;GDT------------------------------------------------------------------------------------------------------

GdtLen		equ	$ - LABEL_GDT
GdtPtr		dw	GdtLen - 1				; 段界限
		dd	BaseOfLoaderPhyAddr + LABEL_GDT		; 基地址

; GDT 选择子 ----------------------------------------------------------------------------------
SelectorFlatC		equ	LABEL_DESC_FLAT_C	- LABEL_GDT
SelectorFlatRW		equ	LABEL_DESC_FLAT_RW	- LABEL_GDT
SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT + SA_RPL3
; GDT 选择子 ----------------------------------------------------------------------------------

BaseOfStack	equ	0100h
;实模式
LABEL_START:
        ;xchg    bx,bx			; <--- 从这里开始 *************
	mov	ax, cs
	mov	ds, ax
	mov	es, ax
	mov	ss, ax
	mov	sp, BaseOfStack         ;BaseOfStack = 0100

	mov	dh, 0			; "Loading  "
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串

        ;开始进行克勤克检用内存
        ;中断调用 int 15h
        ;int 15h可以完成许多工作，主要由ax的值决定，我们想要获取内存信息，需要将ax赋值为0E820h
        ;ebx 放置着"后续值"，第一次调用时ebx必须为0
        ;ecx es:di所指向的地址范围描述符结构的大小，以字节为单位。无论es:di所指向的结构如何设置，BIOS最多将会填充ecx个字节。不过，通常情况下无论ecx为多大，BIOS只填充20个字节，有些BIOS忽略ecx的值，总是填充20个字节
        ;edx 0534D4150h('SAMP') BIOS将会使用此标志，对调用者将要请求的系统映像信息进行校验，这些信息会被BIOS放置到es:di所指向的结构中
        ;调用返回值
        ;CF CF=0表示没有错误，否则存在错误
        ;eax 0534D4150h('SAMP')
        ;es:di 返回的地址范围描述符结构指针，和输入值相同
        ;ecx BIOS填充在地址范围描述符中的字节数量，被BIOS所返回的最小值是20字节
        ;ebx 这里放置着为下一个地址描述符所需要的后续值,这个值的实际形势依赖于具体的BIOS的实现，调用者不用关心它的具体形式，只需在下次迭代时原封不动的放置到ebx中，就可以通过它获取下一个地址范围描述符。如果它的值为0，并且CF没有进位，表示它是最后一个地址范围描述符
	; 得到内存数
	mov	ebx, 0			; ebx = 后续值, 开始时需为 0
	mov	di, _MemChkBuf		; es:di 指向一个地址范围描述符结构（Address Range Descriptor Structure）
.MemChkLoop:
	mov	eax, 0E820h		; eax = 0000E820h
	mov	ecx, 20			; ecx = 地址范围描述符结构的大小
	mov	edx, 0534D4150h		; edx = 'SMAP'
	int	15h			; int 15h
	jc	.MemChkFail
	add	di, 20
	inc	dword [_dwMCRNumber]	; dwMCRNumber = ARDS 的个数
	cmp	ebx, 0
	jne	.MemChkLoop
	jmp	.MemChkOK               ;ebx=0,那么进行跳转
.MemChkFail:
	mov	dword [_dwMCRNumber], 0
.MemChkOK:

	; 下面在 A 盘的根目录寻找 KERNEL.BIN
	mov	word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory	
	xor	ah, ah	; ┓
	xor	dl, dl	; ┣ 软驱复位
	int	13h	; ┛
LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
	cmp	word [wRootDirSizeForLoop], 0	; ┓
	jz	LABEL_NO_KERNELBIN		; ┣ 判断根目录区是不是已经读完, 如果读完表示没有找到 KERNEL.BIN
	dec	word [wRootDirSizeForLoop]	; ┛
	mov	ax, BaseOfKernelFile    ;BaseOfKernelFile=08000h
	mov	es, ax			; es <- BaseOfKernelFile
	mov	bx, OffsetOfKernelFile	; bx <- OffsetOfKernelFile=0	于是, es:bx = BaseOfKernelFile:OffsetOfKernelFile = BaseOfKernelFile * 10h + OffsetOfKernelFile
	mov	ax, [wSectorNo]		; ax <- Root Directory 中的某 Sector 号
	mov	cl, 1
	call	ReadSector

	mov	si, KernelFileName	; ds:si -> "KERNEL  BIN"
	mov	di, OffsetOfKernelFile	; es:di -> BaseOfKernelFile:???? = BaseOfKernelFile*10h+????
	cld
	mov	dx, 10h
LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN:
	cmp	dx, 0					; ┓
	jz	LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR	; ┣ 循环次数控制, 如果已经读完了一个 Sector, 就跳到下一个 Sector
	dec	dx					; ┛
	mov	cx, 11
LABEL_CMP_FILENAME:
	cmp	cx, 0			; ┓
	jz	LABEL_FILENAME_FOUND	; ┣ 循环次数控制, 如果比较了 11 个字符都相等, 表示找到
	dec	cx			; ┛
	lodsb				; ds:si -> al
	cmp	al, byte [es:di]	; if al == es:di
	jz	LABEL_GO_ON
	jmp	LABEL_DIFFERENT
LABEL_GO_ON:
	inc	di
	jmp	LABEL_CMP_FILENAME	;	继续循环

LABEL_DIFFERENT:
	and	di, 0FFE0h		; else┓	这时di的值不知道是什么, di &= e0 为了让它是 20h 的倍数
	add	di, 20h			;     ┃
	mov	si, KernelFileName	;     ┣ di += 20h  下一个目录条目
	jmp	LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN;   ┛

LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
	add	word [wSectorNo], 1
	jmp	LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN

LABEL_NO_KERNELBIN:
	mov	dh, 2			; "No KERNEL."
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串
	jmp	$			; 没有找到 KERNEL.BIN, 死循环在这里

LABEL_FILENAME_FOUND:			; 找到 KERNEL.BIN 后便来到这里继续
	mov	ax, RootDirSectors
	and	di, 0FFF0h		; di -> 当前条目的开始

	push	eax
	mov	eax, [es : di + 01Ch]		; ┓
	mov	dword [dwKernelSize], eax	; ┛保存 KERNEL.BIN 文件大小
	pop	eax

	add	di, 01Ah		; di -> 首 Sector
	mov	cx, word [es:di]
	push	cx			; 保存此 Sector 在 FAT 中的序号
	add	cx, ax
	add	cx, DeltaSectorNo	; 这时 cl 里面是 LOADER.BIN 的起始扇区号 (从 0 开始数的序号)
	mov	ax, BaseOfKernelFile
	mov	es, ax			; es <- BaseOfKernelFile
	mov	bx, OffsetOfKernelFile	; bx <- OffsetOfKernelFile	于是, es:bx = BaseOfKernelFile:OffsetOfKernelFile = BaseOfKernelFile * 10h + OffsetOfKernelFile
	mov	ax, cx			; ax <- Sector 号

LABEL_GOON_LOADING_FILE:
	push	ax			; ┓
	push	bx			; ┃
	mov	ah, 0Eh			; ┃ 每读一个扇区就在 "Loading  " 后面打一个点, 形成这样的效果:
	mov	al, '.'			; ┃
	mov	bl, 0Fh			; ┃ Loading ......
	int	10h			; ┃
	pop	bx			; ┃
	pop	ax			; ┛

	mov	cl, 1
	call	ReadSector
	pop	ax			; 取出此 Sector 在 FAT 中的序号
	call	GetFATEntry
	cmp	ax, 0FFFh
	jz	LABEL_FILE_LOADED
	push	ax			; 保存 Sector 在 FAT 中的序号
	mov	dx, RootDirSectors
	add	ax, dx
	add	ax, DeltaSectorNo
	add	bx, [BPB_BytsPerSec]
	jmp	LABEL_GOON_LOADING_FILE
LABEL_FILE_LOADED:

	call	KillMotor		; 关闭软驱马达

	mov	dh, 1			; "Ready."
	call	DispStrRealMode		; 显示字符串
	
; 下面准备跳入保护模式 -------------------------------------------

; 加载 GDTR,作用是将GdtPtr指定的6个字节加载到寄存器gdtr，gdtr是由32位基地址，16位界限组成
	lgdt	[GdtPtr]

; 关中断
	cli

; 打开地址线A20
; 这是一个历史问题，"段:偏移"这样的模式能表示的最大内存是FFFF:FFFF，即10FFEFh。可是8086只有20位的地址总数，只能寻址到1MB
; 那么如果试图访问超过1MB的地址时会怎么样呢？实际上系统不会发生什么异常，就是warp回去了，重新从地址零开始寻址了，可是，到了
; 80286时，真的可以访问到了1MB以上的内存了，如果遇到同样的情况，系统不会再回卷寻址，这就造成了不兼容，为了保证兼容，IBM想出
; 一个办法，使用8042键盘控制器来控制第20个(从零开始数)地址位，这就是A20地址线，如果不被打开，第20个地址位将会是零，并且开机时
; 它默认是0
	in	al, 92h
	or	al, 00000010b
	out	92h, al

; 准备切换到保护模式，寄存器cr0的第0位是PE位，此位为0，CPU运行于实模式，为1时，CPU运行于保护模式。原来我们已经闭合了进入保护模式
; 的开关，也就是说"mov cr0, eax"这一句以后，系统就处于了保护模式之下
	mov	eax, cr0
	or	eax, 1
	mov	cr0, eax
	
; 真正进入保护模式
; SelectorFlatC段选择子所指向的LABEL_DESC_FLAT_C的段地址为0
; 但是，此时cs的值仍然是实模式下的值，我们需要把代码段的选择子装入到cs，所以我们使用了jmp指令
; 另外一个注意的，这里我们为什么能从实模式成功的跳转到保护模式呢，实模式的DPL=0，那么我们jmp到保护模式过去，那么保护模式下的
; 代码段也必须是DPL=0，因为我们上面对代码段设置了DA_32属性，所以此时该代码段的DPL就是为0了
; 另外这里为什么的偏移地址为什么是BaseOfLoaderPhyAddr+LABEL_PM_START，而为什么不是直接就是LABEL_PM_START,这是因为我们
; 的代码段设置的段基址位0，那么当我们拿段选择字索引到该代码段后，于是从段寄存器的高速缓存处获得了段基地址，而此时我们的Loader.bin
; 是被加载到段地址为0900，于是我们这里需要加上BaseOfLoaderPhyAddr，BaseOfLoaderPhyAddr此时我们设置为09000h，那么就相当于我们
; 在实模式进行段地址*16+偏移地址的思想差不多
	jmp	dword SelectorFlatC:(BaseOfLoaderPhyAddr+LABEL_PM_START)

;============================================================================
;变量
;----------------------------------------------------------------------------
wRootDirSizeForLoop	dw	RootDirSectors	; Root Directory 占用的扇区数
wSectorNo		dw	0		; 要读取的扇区号
bOdd			db	0		; 奇数还是偶数
dwKernelSize		dd	0		; KERNEL.BIN 文件大小

;============================================================================
;字符串
;----------------------------------------------------------------------------
KernelFileName		db	"KERNEL  BIN", 0	; KERNEL.BIN 之文件名
; 为简化代码, 下面每个字符串的长度均为 MessageLength
MessageLength		equ	9
LoadMessage:		db	"Loading  "
Message1		db	"Ready.   "
Message2		db	"No KERNEL"
;============================================================================

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: DispStrRealMode
;----------------------------------------------------------------------------
; 运行环境:
;	实模式（保护模式下显示字符串由函数 DispStr 完成）
; 作用:
;	显示一个字符串, 函数开始时 dh 中应该是字符串序号(0-based)
DispStrRealMode:
	mov	ax, MessageLength
	mul	dh
	add	ax, LoadMessage
	mov	bp, ax			; ┓
	mov	ax, ds			; ┣ ES:BP = 串地址
	mov	es, ax			; ┛
	mov	cx, MessageLength	; CX = 串长度
	mov	ax, 01301h		; AH = 13,  AL = 01h
	mov	bx, 0007h		; 页号为0(BH = 0) 黑底白字(BL = 07h)
	mov	dl, 0
	add	dh, 3			; 从第 3 行往下显示
	int	10h			; int 10h
	ret
;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: ReadSector
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	从序号(Directory Entry 中的 Sector 号)为 ax 的的 Sector 开始, 将 cl 个 Sector 读入 es:bx 中
ReadSector:
	; -----------------------------------------------------------------------
	; 怎样由扇区号求扇区在磁盘中的位置 (扇区号 -> 柱面号, 起始扇区, 磁头号)
	; -----------------------------------------------------------------------
	; 设扇区号为 x
	;                           ┌ 柱面号 = y >> 1
	;       x           ┌ 商 y ┤
	; -------------- => ┤      └ 磁头号 = y & 1
	;  每磁道扇区数     │
	;                   └ 余 z => 起始扇区号 = z + 1
	push	bp
	mov	bp, sp
	sub	esp, 2			; 辟出两个字节的堆栈区域保存要读的扇区数: byte [bp-2]

	mov	byte [bp-2], cl
	push	bx			; 保存 bx
	mov	bl, [BPB_SecPerTrk]	; bl: 除数
	div	bl			; y 在 al 中, z 在 ah 中
	inc	ah			; z ++
	mov	cl, ah			; cl <- 起始扇区号
	mov	dh, al			; dh <- y
	shr	al, 1			; y >> 1 (其实是 y/BPB_NumHeads, 这里BPB_NumHeads=2)
	mov	ch, al			; ch <- 柱面号
	and	dh, 1			; dh & 1 = 磁头号
	pop	bx			; 恢复 bx
	; 至此, "柱面号, 起始扇区, 磁头号" 全部得到 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
	mov	dl, [BS_DrvNum]		; 驱动器号 (0 表示 A 盘)
.GoOnReading:
	mov	ah, 2			; 读
	mov	al, byte [bp-2]		; 读 al 个扇区
	int	13h
	jc	.GoOnReading		; 如果读取错误 CF 会被置为 1, 这时就不停地读, 直到正确为止

	add	esp, 2
	pop	bp

	ret

;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: GetFATEntry
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	找到序号为 ax 的 Sector 在 FAT 中的条目, 结果放在 ax 中
;	需要注意的是, 中间需要读 FAT 的扇区到 es:bx 处, 所以函数一开始保存了 es 和 bx
GetFATEntry:
	push	es
	push	bx
	push	ax
	mov	ax, BaseOfKernelFile	; ┓
	sub	ax, 0100h		; ┣ 在 BaseOfKernelFile 后面留出 4K 空间用于存放 FAT
	mov	es, ax			; ┛
	pop	ax
	mov	byte [bOdd], 0
	mov	bx, 3
	mul	bx			; dx:ax = ax * 3
	mov	bx, 2
	div	bx			; dx:ax / 2  ==>  ax <- 商, dx <- 余数
	cmp	dx, 0
	jz	LABEL_EVEN
	mov	byte [bOdd], 1
LABEL_EVEN:;偶数
	xor	dx, dx			; 现在 ax 中是 FATEntry 在 FAT 中的偏移量. 下面来计算 FATEntry 在哪个扇区中(FAT占用不止一个扇区)
	mov	bx, [BPB_BytsPerSec]
	div	bx			; dx:ax / BPB_BytsPerSec  ==>	ax <- 商   (FATEntry 所在的扇区相对于 FAT 来说的扇区号)
					;				dx <- 余数 (FATEntry 在扇区内的偏移)。
	push	dx
	mov	bx, 0			; bx <- 0	于是, es:bx = (BaseOfKernelFile - 100):00 = (BaseOfKernelFile - 100) * 10h
	add	ax, SectorNoOfFAT1	; 此句执行之后的 ax 就是 FATEntry 所在的扇区号
	mov	cl, 2
	call	ReadSector		; 读取 FATEntry 所在的扇区, 一次读两个, 避免在边界发生错误, 因为一个 FATEntry 可能跨越两个扇区
	pop	dx
	add	bx, dx
	mov	ax, [es:bx]
	cmp	byte [bOdd], 1
	jnz	LABEL_EVEN_2
	shr	ax, 4
LABEL_EVEN_2:
	and	ax, 0FFFh

LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:

	pop	bx
	pop	es
	ret
	
; 从此以后的代码在保护模式下执行 ----------------------------------------------------
; 32 位代码段. 由实模式跳入 ---------------------------------------------------------
[SECTION .s32]

ALIGN	32

[BITS	32]

LABEL_PM_START:
        ;xchg    bx,bx
	mov	ax, SelectorVideo
	mov	gs, ax
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	ds, ax
	mov	es, ax
	mov	fs, ax
	mov	ss, ax
	mov	esp, TopOfStack
	mov	ah, 0Fh				; 0000: 黑底    1111: 白字
	mov	al, 'P'
	mov	[gs:((80 * 0 + 39) * 2)], ax	; 屏幕第 0 行, 第 39 列。
	jmp     $
	
;----------------------------------------------------------------------------
	
;----------------------------------------------------------------------------
; 函数名: KillMotor
;----------------------------------------------------------------------------
; 作用:
;	关闭软驱马达
KillMotor:
	push	dx
	mov	dx, 03F2h
	mov	al, 0
	out	dx, al
	pop	dx
	ret

; SECTION .data1 之开始 ---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .data1]

ALIGN	32

LABEL_DATA:
; 实模式下使用这些符号
; 字符串

;; 变量
_dwMCRNumber:			dd	0	; Memory Check Result
_MemChkBuf:	times	256	db	0

TopOfStack	equ	BaseOfLoaderPhyAddr + $	; 栈顶
; SECTION .data1 之结束 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

添加一个简单的kernel文件:

[section .text]	; 代码在此

global _start	; 导出 _start

_start:	; 跳到这里来的时候，我们假设 gs 指向显存
	mov	ah, 0Fh				; 0000: 黑底    1111: 白字
	mov	al, 'K'
	mov	[gs:((80 * 1 + 39) * 2)], ax	; 屏幕第 1 行, 第 39 列。
	jmp	$

  

效果如下，这时找到了kernel.bin了，并且出现了P了，说明切换到保护模式下面了并且能够正常运行了