16位和32位代码段的区别

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16位和32位代码段的区别
2011-01-09 23:20
16位和32位代码段的区别

在对ix86编程时，有时候需要从实模式变换到保护模式（如在DOS时代要访问扩展内存，或者编写引导代码，当然，如果在32位的操作系统下面编程，是碰不到这个问题的），总是要涉及16位代码段和32位代码之间的跳转问题。因此有必要对他们进行区分。

16位代码段和32位代码段的主要区别是，在16位代码段中，跳转目标的偏移用16位表示，而在32位代码段中，跳转目标的偏移用32位表示。

在实模式下，CPU总是进行16位的跳转，即当它在解析跳转的目标时，总是读取内存中的16位的值作为跳转目标。为此，汇编器要配合CPU，产生这种用16位表示偏移量的代码。

在保护模式下，问题要稍微复杂一点，因为此时CPU如何解析跳转目标，和目标代码段的属性有关系。在保护模式下，每一个代码段都由一个代码段描述符表示。在代码段描述符中有一个字段表示这个段是16位代码段还是32位代码段，如果跳转目标在16位代码段中，CPU就从内存中读取一个16位的值作为跳转的偏移；如果跳转目标在32位代码段中，CPU就从内存中读取一个32位的值作为跳转的偏移。由此可见，在保护模式下，偏移量并不总是32位的值。在 32位的操作系统中，用户程序总是被编译成32位的代码，为此，汇编器要配合CPU，产生用32位表示偏移量的代码。

现在问题出来了，当CPU从实模式变换到保护模式时，如何产生出正确的可以让CPU运行的代码？

有两种方法可以解决这个问题。

第一种，在实模式下执行的代码理所当然的要编译成16位偏移的代码，在保护模式下执行的代码也编译成16位偏移的代码，并且在代码段的描述符中，把代码段设成16位的。这种方法的优点是，即使汇编器不能产生32位偏移的代码，我们也可以进行保护模式下的程序设计。这种方法的缺点是，因为偏移量是16 位的，所以代码段的大小受到限制。

第二种，在实模式下执行的代码还是要编译成16位偏移的代码，在保护模式下执行的代码编译成32位偏移的代码，并且在代码段的描述符中，把代码段设成32位的。这种方法的优点是，程序能够充分利用32位处理器的强劲功能。但是这种方法有一个麻烦的地方：我们不可避免的要从16位偏移的代码跳转到32 位偏移的代码。这又如何实现？因为在编写16位偏移的代码时，一般情况下，我们需要让汇编器产生16位偏移的代码，但是对于跳转到32位代码段的那个跳转指令，我们又希望汇编器产生32位偏移的代码。这是一个矛盾。要解决这个矛盾，有好几种方法可供选择。我知道三种方法：1.
不要汇编器产生代码，而是由程序员以变量定义的形势，把机器代码写入代码段。这种方法不要汇编器的帮助。2. 有的汇编器允许程序员指定跳转偏移量的尺寸，并根据程序员的指定产生正确的代码，例如NA***。3. 把汇编器从16位编译模式转换到32位的编译模式，NA***和GAS都支持这种方法。但是有的汇编器只允许在段定义时指定编译模式，在段内不能再改变编译模式，这种方法就行不通了。

下面以NA***为例说明从16位代码变换到32位代码的方法。

section .text

;此时CPU运行于实模式

bits 16;说明编译模式是16位，产生16位偏移的代码

;实模式下的代码

;加载GDT，GDT中包含该段的描述符，是32位的

;转到保护模式，因为此段在GDT中被描述成32位的，因此执行到这里以后，CPU便认为所有的偏移是32位的。

jmp dword CS_SELECTOR:pm;指定偏移是32位的，CS_SELECTOR是这个代码段的段选择子

bits 32;以下为32位编译模式，所有偏移都是32位的

pm:

;代码

下面的代码和上面的代码具有同样的效果。

section .text

;此时CPU运行于实模式

bits 16;说明编译模式是16位，产生16位偏移的代码

;实模式下的代码

;加载GDT，GDT中包含该段的描述符，是32位的

;转到保护模式，因为此段在GDT中被描述成32位的，因此执行到这里以后，CPU便认为所有的偏移是32位的。

bits 32;以下为32位编译模式，所有偏移都是32位的

jmp CS_SELECTOR:pm;CS_SELECTOR是这个代码段的段选择子。

pm:

;代码

上面的两个例子是从实模式直接变换到32位的保护模式，且实模式的代码和32位的保护模式代码在同一个段中。还有其他的方法来实现这种变换，例如：1. 实模式的代码和32位的保护模式代码不在同一个段中。2. 通过一个16位的保护模式代码作为过渡。等等。只要知道原理，方法都是好理解的