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《一个操作系统的实现》读书笔记--第三章--“实模式--保护模式--实模式”转换过程

2012-02-13 18:39 369 查看

下面以pmtest2.asm为例，来讲述“实模式--保护模式--实模式”的转换过程。

1、“实模式--保护模式--实模式”的转换过程。

2、介绍段描述符属性

3、pm.inc 中的宏定义

4、pmtest2.asm源代码

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)关中断

(2)打开地址线A20

(3)置cr0寄存器的末位为1

(4)实现跳转，进入到保护模式

2、“保护模式--实模式”的跳转

(1)从保护模式下的32位代码段跳转到16位代码段

(2)在16位代码段下初始化所有段寄存器

(3)置cr0的末位为0

(4)实现跳转，返回到实模式

3、pmtest2.asm中“实模式--保护模式--实模式”的跳转过程

(1)下面是“实模式--保护模式--实模式”的跳转过程图

其中 LABEL_BEGIN、LABEL_REAL_ENTRY运行于实模式下；LEBEL_SEG_CODE32、LABEL_SEG_CODE16运行于保护模式下。所以该程序实现了“实模式--保护模式--实模式”的跳转。

(2)“实模式--保护模式”的跳转

这个跳转过程主要存在于LABEL_BEGIN代码段中：

70- 71行：保存实模式下的SP内的值

73-111行：初始化段描述符

113-121行：加载GDTR

123-124行：关中断

126-129行：打开地址线A20

141-144行：准备切换到保护模式，置cr0的末位为1

146-147行：跳转到保护模式

(3)“保护模式--实模式”的跳转

208-209行：从保护模式下的32位代码段跳转到16位代码段

316-322行：为跳回实模式做准备，将段寄存器初始化为符合实模式下的代码段规范。即用SelectorNormal来初始化段寄存器。

324-326行：置cr0的末位为0

328-329行：实现跳转，进入到实模式下的 LABEL_REAL_ENTRY段

158-158行：恢复实模式下的SP

160-162行：关闭A20地址线

164-164行：开中断

166-168行：返回DOS

二、段描述符的属性

段描述符属性占5、6字节，其具体特性如下：

在这里主要介绍第5字节的内容。
1、 P：存在(Present)位。

1 表示段在内存中存在

0 表示段在内存中不存在
2、 DPL：表示描述符特权级(Descriptor Privilege level)，共2位。

它规定了所描述段的特权级，用于特权检查，以决定对该段能否访问。
3、 S：说明描述符的类型。

1 数据段和代码段描述符

0系统段描述符和门描述符
4、 TYPE：说明存储段描述符所描述的存储段的具体属性

数据段类型：

类型值说明

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

0 只读

1 只读、已访问

2 读/写

3 读/写、已访问

4 只读、向下扩展

5 只读、向下扩展、已访问

6 读/写、向下扩展

7 读/写、向下扩展、已访问

代码段类型:

类型值说明

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

8 只执行

9 只执行、已访问

A 执行/读

B 执行/读、已访问

C 只执行、一致码段

D 只执行、一致码段、已访问

E 执行/读、一致码段

F 执行/读、一致码段、已访问

系统段类型:

类型编码说明

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

0 <未定义>

1 可用286TSS

2 LDT

3 忙的286TSS

4 286调用门

5 任务门

6 286中断门

7 286陷阱门

8 未定义

9 可用386TSS

A <未定义>

B 忙的386TSS

C 386调用门

D <未定义>

E 386中断门

F 386陷阱门

三、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。

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

四、pmtest2.asm源代码：

;=====================================================
;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)
int 10H             ;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
int 21h;
;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
div bl
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]

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标签： 实模式保护模式 DOS 段描述符

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