桌面电脑操作系统开发笔记（4）——进入32位保护模式

桌面电脑操作系统开发笔记（4）——进入32位保护模式



要获得32位的内存寻址能力和将内核层和应用层隔离开，就需要进入32位保护模式。要进入64位保护模式，也要先进入32位保护模式。

要进入32位保护模式，首先要解决一个历史遗留问题，就是A20地址线的问题。这个问题产生的原因在这篇文章中有详细的说明：/article/10507978.html

通常有三种方法打开A20地址线：通过BIOS中断服务int 15h，AX=2401h、通过8042键盘控制器、通过端口92h。

OSdev Wiki中对这三种方法有详细的说明：http://wiki.osdev.org/A20_Line

我认为，BIOS开启A20的中断服务应该已经普遍可用而且比较可靠，是优先选择的方法。其次比较可靠的方法是通过8042，但对8042编程比较复杂。Linux内核也是依次选择BIOS中断服务、8042和端口92h三种方法，参见https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/a20.c

而MenuetOS（一个用汇编语言编写的小操作系统，参考http://en.wikipedia.org/wiki/MenuetOS）直接使用了通过端口92h打开A20的快速方法，参考其官方网站http://www.menuetos.net。

打开A20地址线后，还要禁止所有中断，包括不可屏蔽中断（non-maskable interrupt，缩写NMI），在Linux和MenuetOS中还有协处理器复位（发送0到端口0xF0和0xF1）。

要屏蔽中断控制器PIC（8259）上的所有中断，发送0xFF到从PIC的端口0xA1，发送0xFB到主PIC的端口0x21。关于8259PIC的编程，可参考http://stanislavs.org/helppc/8259.html和http://wiki.osdev.org/8259_PIC

cli指令并不能禁止不可屏蔽中断NMI。而在模式切换时发生中断会使处理器出错复位。要屏蔽NMI，发送位7设1的值到实时时钟（real time clock，RTC）的控制端口70h。最后执行中断屏蔽指令cli。关于实时时钟的编程，可参考http://stanislavs.org/helppc/cmos_ram.html

在进入32位保护模式之前，必须至少准备好全局描述符表（global descriptor table，GDT）和中断描述符表（interrupt descriptor table，IDT）并将其基础地址和段界限分别加载到全局描述符表寄存器（GDTR）和中断描述符表寄存器（IDTR）中。

接下来可以将控制寄存器CR0的保护模式开启位PE（位0）设1，然后通过一个远跳转跳转到一个32位代码段中（在远跳转完成之前CS寄存器还没有改变，还在执行实模式的16位代码），这样就进入了32位保护模式。

进入32位保护模式后，必须先设置SS、DS、ES、FS、GS这些数据段寄存器为32位的数据段，否则访问数据时可能会导致段访问异常。

接下来要重新初始化中断控制器8259，重新映射其中断号，否则其中断号会跟IA32使用的保护模式异常重叠。

如果中断描述符表和相应的中断处理程序已经准备好的话，现在可以打开中断（包括NMI）。

有关32位保护模式初始化、切换、段描述符和描述符表等的内容，请见Intel的处理器架构手册卷3的第2、3、5、6、9章，和AMD的处理器架构手册卷2的第4、8、14章。我也翻译过Intel手册第2、3章中关于分段的数据结构的图表：/article/10151274.html

Intel 64和IA-32架构软件开发者手册可从Intel的网页下载：http://www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html

AMD架构手册可从AMD的网页下载：http://developer.amd.com/resources/documentation-articles/developer-guides-manuals/