80386保护模式--分页机制，附pmtest8代码详解

一、分段机制
逻辑地址---分段机制---线性地址---分页机制---物理地址，分页机制示意图如图1。

页目录表中的每一项叫页目录项；页表中的每一项叫页表项。




图 1 页映射表结构

页目录表PDE，及页表PTE如图2。



图 2 页目录表或者页表的表格选项

***L:供软件使用
P:存在属性位，P=1表项有效，P=0表项无效，即是否在内存中。
R/W位指示该表项所指定的页是否可读、写或执行。如R/W=1，对表项所指定页可进行读、写后者执行；如R/W=0，对表项所指定页可读或者执行，但不能对该指定页写。但是R/W位对页的写保护只有处理器处于用户特权级时发挥作用；当处理器处于系统特权级时，R/W位被忽略，也即总可以读、写或者执行。
U/S位指示该表项所指定的页是否似乎用户级页。如U/S=1，表项所指定页是用户级页，可由任何特权级下执行的程序访问；如U/S=0，表项所指定页是系统页，只能由在系统特权级下执行的程序访问。
A=1，表示已访问过对应的物理页，A=0，表示未访问过对应的物理页。
D=1，表示已写过对应的物理页，D=0，表示未写过对应的物理页。

pm.inc增加的几行代码：

PG_P         EQU 1 ; 页存在属性位   0001
       PG_RWR EQU0; R/W 属性位值, 读/执行    0000
       PG_RWW EQU2; R/W 属性位值, 读/写/执行 0010
       PG_USS         EQU0; U/S 属性位值, 系统级  0000
       PG_USU         EQU4; U/S 属性位值, 用户级  0100

PDE,PTE具体形象的图形如图3，线性地址到物理地址转换过程如图4：




图3 PDE,PTE具体形象




图4 线性地址到物理地址的转换过程页表DDDDD001改为DDDDD000 由于abc为12位，正好每个PTE对应4KB
每个PDE和PTE都是4个字节，左侧PDE一共4个，占16字节，右侧PTE每个框里面是1024个，所以总共占1024*4*4字节=8KB，所以总共可以指向的内存大小是1024*4*4KB=16MB。此图中CR0的内容为00211000，在形成地址的时候我们只关心高20位，用高20位加上后面12位全0形成基地址，再由页目录索引表或者页表索引找到PDE和PTE。最后高20位补上偏移地址形成物理地址。

二、pmtest8.asm代码详解

; ==========================================
; pmtest8.asm
; 编译方法：nasm pmtest8.asm -o pmtest8.com
; ==========================================

%include	"pm.inc"	; 常量, 宏, 以及一些说明

PageDirBase0		equ	200000h	; 页目录开始地址:	2M
PageTblBase0		equ	201000h	; 页表开始地址:		2M +  4K 这样的大小最多能寻址4GB
PageDirBase1		equ	210000h	; 页目录开始地址:	2M + 64K
PageTblBase1		equ	211000h	; 页表开始地址:		2M + 64K + 4K

LinearAddrDemo	equ	00401000h
ProcFoo		equ	00401000h
ProcBar		equ	00501000h
ProcPagingDemo	equ	00301000h

org	0100h
	jmp	LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
; GDT
;                           段基址,       段界限, 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_FLAT_C:  Descriptor 0,        0fffffh, DA_CR|DA_32|DA_LIMIT_4K; 0~4G LIMIT=limit*4k+0FFFh 左移12位再加上FFF正好是FFFFFFFF,4G
LABEL_DESC_FLAT_RW: Descriptor 0,        0fffffh, DA_DRW|DA_LIMIT_4K     ; 0~4G
LABEL_DESC_CODE32:  Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_CR|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                 ; Data
LABEL_DESC_STACK:   Descriptor 0,     TopOfStack, DA_DRWA|DA_32          ; Stack, 32 位
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
SelectorFlatC		equ	LABEL_DESC_FLAT_C	- LABEL_GDT
SelectorFlatRW		equ	LABEL_DESC_FLAT_RW	- LABEL_GDT
SelectorCode32		equ	LABEL_DESC_CODE32	- LABEL_GDT
SelectorCode16		equ	LABEL_DESC_CODE16	- LABEL_GDT
SelectorData		equ	LABEL_DESC_DATA		- LABEL_GDT
SelectorStack		equ	LABEL_DESC_STACK	- LABEL_GDT
SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1]	 ; 数据段
ALIGN	32
[BITS	32]
LABEL_DATA:
; 实模式下使用这些符号
; 字符串
_szPMMessage:			db	"In Protect Mode now. ^-^", 0Ah, 0Ah, 0	; 进入保护模式后显示此字符串
_szMemChkTitle:			db	"BaseAddrL BaseAddrH LengthLow LengthHigh   Type", 0Ah, 0	; 进入保护模式后显示此字符串
_szRAMSize			db	"RAM size:", 0
_szReturn			db	0Ah, 0
; 变量
_wSPValueInRealMode		dw	0
_dwMCRNumber:			dd	0	; Memory Check Result
_dwDispPos:			dd	(80 * 6 + 0) * 2	; 屏幕第 6 行, 第 0 列。
_dwMemSize:			dd	0
_ARDStruct:			; Address Range Descriptor Structure
	_dwBaseAddrLow:		dd	0
	_dwBaseAddrHigh:	dd	0
	_dwLengthLow:		dd	0
	_dwLengthHigh:		dd	0
	_dwType:		dd	0
_PageTableNumber		dd	0

_MemChkBuf:	times	256	db	0

; 保护模式下使用这些符号
szPMMessage		equ	_szPMMessage	- $$ ;相对于首地址的偏移
szMemChkTitle		equ	_szMemChkTitle	- $$
szRAMSize		equ	_szRAMSize	- $$
szReturn		equ	_szReturn	- $$
dwDispPos		equ	_dwDispPos	- $$
dwMemSize		equ	_dwMemSize	- $$
dwMCRNumber		equ	_dwMCRNumber	- $$
ARDStruct		equ	_ARDStruct	- $$
	dwBaseAddrLow	equ	_dwBaseAddrLow	- $$
	dwBaseAddrHigh	equ	_dwBaseAddrHigh	- $$
	dwLengthLow	equ	_dwLengthLow	- $$
	dwLengthHigh	equ	_dwLengthHigh	- $$
	dwType		equ	_dwType		- $$
MemChkBuf		equ	_MemChkBuf	- $$
PageTableNumber		equ	_PageTableNumber- $$

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	[_wSPValueInRealMode], sp

	; 得到内存数
	mov	ebx, 0
	mov	di, _MemChkBuf
.loop:
	mov	eax, 0E820h
	mov	ecx, 20
	mov	edx, 0534D4150h
	int	15h ;往es:di中一次存放20个字节
	jc	LABEL_MEM_CHK_FAIL
	add	di, 20
	inc	dword [_dwMCRNumber] ;ds:_dwMCRNumber，记录一共有几个20个字节
	cmp	ebx, 0
	jne	.loop
	jmp	LABEL_MEM_CHK_OK
LABEL_MEM_CHK_FAIL:
	mov	dword [_dwMCRNumber], 0
LABEL_MEM_CHK_OK:

	; 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 基地址
	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

	; 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 Code32Selector: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, [_wSPValueInRealMode]

	in	al, 92h		; ┓
	and	al, 11111101b	; ┣ 关闭 A20 地址线
	out	92h, al		; ┛

	sti			; 开中断

	mov	ax, 4c00h	; ┓
	int	21h		; ┛回到 DOS
; 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	es, ax
	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

	call	DispMemSize		; 获取内存信息

	call	PagingDemo		; 演示改变页目录的效果

	; 到此停止
	jmp	SelectorCode16:0

; 显示内存信息 --------------------------------------------------------------
DispMemSize:
	push	esi
	push	edi
	push	ecx

	mov	esi, MemChkBuf ;256字节开始位置
	mov	ecx, [dwMCRNumber]	;for(int i=0;i<[MCRNumber];i++) // 每次得到一个ARDS(Address Range Descriptor Structure)结构
.loop:					;{
	mov	edx, 5			;	for(int j=0;j<5;j++)	// 每次得到一个ARDS中的成员，共5个成员
	mov	edi, ARDStruct		;	{			// 依次显示：BaseAddrLow，BaseAddrHigh，LengthLow，LengthHigh，Type
.1:					;
	mov	eax dword [esi]		; ds:esi-->eax
	stosd				;	eax-->es:edi	ARDStruct[j*4] = MemChkBuf[j*4]; EI自动加4
	add	esi, 4			;
	dec	edx			;
	cmp	edx, 0			;
	jnz	.1			;	如果不为0}
	cmp	dword [dwType], 1	;	if(Type == AddressRangeMemory) // AddressRangeMemory : 1, AddressRangeReserved : 2
	jne	.2			;	如果不相等{
	mov	eax, [dwBaseAddrLow]	; ds:dwBaseAddrLow
	add	eax, [dwLengthLow]	;ds:dwLengthLow
	cmp	eax, [dwMemSize]	;		if(BaseAddrLow + LengthLow > MemSize) ds:dwMemSize
	jb	.2			;如果小于
	mov	[dwMemSize], eax	;			MemSize = BaseAddrLow + LengthLow;
.2:					;	}
	loop	.loop			;} 从156字节不断取数据放到es:ARDStruct
	
	pop	ecx
	pop	edi
	pop	esi
	ret
; ---------------------------------------------------------------------------

; 测试分页机制 --------------------------------------------------------------
PagingDemo:
	mov	ax, cs
	mov	ds, ax  ;因为后面要复制的内容都是相对于32位代码段的偏移
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	es, ax

	push	LenFoo
	push	OffsetFoo  ;ds:esi-->es:edi
	push	ProcFoo  ;es
	call	MemCpy ;此段代码为于lib.inc中，由于以后会用C语言写，暂时不考虑
	add	esp, 12

	push	LenBar
	push	OffsetBar
	push	ProcBar
	call	MemCpy;
	add	esp, 12

	push	LenPagingDemoAll
	push	OffsetPagingDemoProc
	push	ProcPagingDemo
	call	MemCpy
	add	esp, 12    ;至此PagingDemoProc放在内存00301000h，foo放在内存的00401000h，bar放在内存的00501000h

	mov	ax, SelectorData
	mov	ds, ax			; 恢复原来的数据段选择子
	mov	es, ax

	call	SetupPaging		; 启动分页,相对距离

	call	SelectorFlatC:ProcPagingDemo ;执行PagingDemoProc，00301000h，分页后形成的地址还是00301000h
	call	PSwitch			; 切换页目录，改变地址映射关系
	call	SelectorFlatC:ProcPagingDemo;执行PagingDemoProc，00301000h，分页后形成的地址还是00301000h

	ret
; ---------------------------------------------------------------------------

; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:
	; 根据内存大小计算应初始化多少PDE以及多少页表
	xor	edx, edx
	mov	eax, [dwMemSize]
	mov	ebx, 400000h	; 400000h = 4M = 4096 * 1024, 一个页表对应的内存大小
	div	ebx
	mov	ecx, eax	; 此时 ecx 为页表的个数，也即 PDE 应该的个数
	test	edx, edx
	jz	.no_remainder ;如果为0
	inc	ecx		; 如果余数不为 0 就需增加一个页表
.no_remainder:
	mov	[PageTableNumber], ecx	; 暂存页表个数，ds:PageTableNumber

	; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址. 并且不考虑内存空洞.

	; 首先初始化页目录
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	es, ax
	mov	edi, PageDirBase0	; 此段首地址为 PageDirBase0
	xor	eax, eax
	mov	eax, PageTblBase0 | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.1:
	stosd ;eax-->es:edi
	add	eax, 4096		; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.
	loop	.1 ;共循环ecx次

	; 再初始化所有页表
	mov	eax, [PageTableNumber]	; 页表个数
	mov	ebx, 1024		; 每个页表 1024 个 PTE
	mul	ebx
	mov	ecx, eax		; PTE个数 = 页表个数 * 1024
	mov	edi, PageTblBase0	; 此段首地址为 PageTblBase0
	xor	eax, eax
	mov	eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:
	stosd
	add	eax, 4096		; 每一页指向 4K 的空间
	loop	.2

	mov	eax, PageDirBase0
	mov	cr3, eax ;修改cr3
	mov	eax, cr0
	or	eax, 80000000h
	mov	cr0, eax;启动分页
	jmp	short .3
.3:
	nop

	ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------

; 切换页表 ------------------------------------------------------------------
PSwitch:
	; 初始化页目录
	mov	ax, SelectorFlatRW
	mov	es, ax
	mov	edi, PageDirBase1	; 此段首地址为 PageDirBase1
	xor	eax, eax
	mov	eax, PageTblBase1 | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
	mov	ecx, [PageTableNumber]
.1:
	stosd
	add	eax, 4096		; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.
	loop	.1

	; 再初始化所有页表
	mov	eax, [PageTableNumber]	; 页表个数
	mov	ebx, 1024		; 每个页表 1024 个 PTE
	mul	ebx
	mov	ecx, eax		; PTE个数 = 页表个数 * 1024
	mov	edi, PageTblBase1	; 此段首地址为 PageTblBase1
	xor	eax, eax
	mov	eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:
	stosd
	add	eax, 4096		; 每一页指向 4K 的空间
	loop	.2

	; 在此假设内存是大于 8M 的
	mov	eax, LinearAddrDemo
	shr	eax, 22
	mov	ebx, 4096
	mul	ebx
	mov	ecx, eax
	mov	eax, LinearAddrDemo
	shr	eax, 12
	and	eax, 03FFh	; 1111111111b (10 bits)
	mov	ebx, 4
	mul	ebx
	add	eax, ecx
	add	eax, PageTblBase1 ;此时eax为0x00212004，这个参考图3，你就会明白的
	mov	dword [es:eax], ProcBar | PG_P | PG_USU | PG_RWW

	mov	eax, PageDirBase1
	mov	cr3, eax
	jmp	short .3
.3:
	nop

	ret
; ---------------------------------------------------------------------------

PagingDemoProc: ;为了算出LenPagingDemoAll
OffsetPagingDemoProc	equ	PagingDemoProc - $$ ;相对于当前代码段的偏移
	mov	eax, LinearAddrDemo ;00401000h
	call	eax ;call cs:eax
	retf ;因为上面把CS和EIP都压入了栈
LenPagingDemoAll	equ	$ - PagingDemoProc

foo: ;00401000h
OffsetFoo		equ	foo - $$  ;相对于当前代码段的偏移
	mov	ah, 0Ch			; 0000: 黑底    1100: 红字
	mov	al, 'F'
	mov	[gs:((80 * 17 + 0) * 2)], ax	; 屏幕第 17 行, 第 0 列。
	mov	al, 'o'
	mov	[gs:((80 * 17 + 1) * 2)], ax	; 屏幕第 17 行, 第 1 列。
	mov	[gs:((80 * 17 + 2) * 2)], ax	; 屏幕第 17 行, 第 2 列。
	ret ;因为上面只改变了EIP，call	eax
LenFoo			equ	$ - foo

bar: ;00501000h
OffsetBar		equ	bar - $$ ;相对于当前代码段的偏移
	mov	ah, 0Ch			; 0000: 黑底    1100: 红字
	mov	al, 'B'
	mov	[gs:((80 * 18 + 0) * 2)], ax	; 屏幕第 18 行, 第 0 列。
	mov	al, 'a'
	mov	[gs:((80 * 18 + 1) * 2)], ax	; 屏幕第 18 行, 第 1 列。
	mov	al, 'r'
	mov	[gs:((80 * 18 + 2) * 2)], ax	; 屏幕第 18 行, 第 2 列。
	ret
LenBar			equ	$ - bar

%include	"lib.inc"	; 库函数

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     eax, 7FFFFFFEh          ; PE=0, PG=0
	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]