006-继续编写操作系统

       上次我们完成了ipl的阶段性目标，现在主要开始着手写操作系统内核。由于在实模式下能够使用的内存实在太少，而且对硬件也而是一种浪费，因此，我们要写一个32位内核的操作系统，所以，就要先进入保护模式。但是，由于在保护模式下不能调用BIOS，因此，要在引入保护模式之前，把可能需要用到的信息保存在内存中。我们指定了一些位置来存放相对应的信息，主要是关于屏幕的信息以及键盘指示灯的信息，代码如下：

CYLS  EQU 0x0ff0
LEDS  EQU 0x0ff1
VMODE EQU 0x0ff2
SCRNX EQU 0x0ff4
SCRNY EQU 0x0ff6
VRAM  EQU 0x0ff8

org 0xc200		; 这里的org并不是真的可以决定在内存中的加载位置（由ipl决定），而是为了让编译器可以算出正确的标签所代表的内存位置

mov al, 0x13	; 320×200×8位色
mov ah, 0x00
int 0x10		; 0x10号中断，ah=0时为VGA显卡图形模式
mov byte[VMODE], 8
mov word[SCRNX], 320
mov word[SCRNY], 200
mov dword[VRAM], 0x000a0000

mov ah, 0x02
int 0x16		; ah=0x02时获取键盘led灯状态，保存在al中
mov [LEDS], al

       接下来就可以向保护模式努力了，不过在此之前，还要先明白很多原理才可以继续接下来的工作。

       下面来介绍一下分段，在实模式下，段的设置其实应该是16字节为一段的，因为DS寄存器存储的数据表示段，DS:BX就会把DS的值乘上16再加上BX的值，所以DS的最小单位就是16字节，而在保护模式下，寻址空间为4GB，仅仅利用这样一个16位寄存器是无法表示出来的，所以，将内存划分为了8192个段（用到的是段寄存器的高13位，第14位为0时访问GDT，为1是访问LDT，后两位则是特权选择器），每个段有512个字节，而DS中表示的值，就对应每个段的段号，每一个段号对应一个32位的内存地址，并且还需要4字节来存储其他信息，那这样一个对应关系就需要一张表来储存，所以我们就需要8192×8B=64KB的内存空间来存储这张表，这部分数据就被称为GDT（global
descriptor table），而CPU中会有一个专门的寄存器来存放GDT的地址，这个寄存器就是GDTR，CPU通过GDTR找到GDT，就可以确认当前DS中所表示段号的具体地址，再与其他实际的偏移地址相加，便可以计算出物理地址。

       下一个概念是IDT（interrupt descriptor table），和GDT类似，它是用来记录中断的，由于x86结构的CPU最多支持256种中断，因此，IDT的大小也应该是256×8B=2KB。当发生了中断时，CPU将根据IDTR的值找到IDT，然后再根据中断号找到对应的中断处理函数，执行对应的指令。

     GDTR是一个48位寄存器，给它赋值时必须从一个内存地址开始的连续6个字节给其赋值，指令是LGDT，其低16位是段上限，高32位表示GDT开始地址。在GDT中，每一个单元需要32位地址、20位段上限、12位段属性。20位上限表示页，每页是4KB，所以一共可以表示4KB×1M=4GB。段属性高4位是拓展访问权，低8位是原始访问权（286就有的）。具体的排布如下图：



IDT与其类似，以下是排布图：


        下一个概念是PIC（Programmable Interrupt Controller），即可编程中断控制器。这是用来处理中断的，CPU在高速运转中为了不使低速设备拖后腿，所以使用了中断机制，让它不用自己去持续监听，但总是需要一个设备来做这件事情，这就PIC，它原本是一个独立的芯片，后来被集成在CPU中，通常情况下CPU中会有2个PIC，每个PIC有8个控制端和一个输出端，一个PIC直接连接CPU，另外一个将输出端接入刚才PIC的2号输入口，这样CPU就可以接受15个中断消息了。IMR是中断屏蔽寄存器，这是一个8位寄存器，某位为1表示PIC对应引脚的中断被屏蔽。ICW是初始化控制数据，一共有4个，ICW1~ICW4，1和4是与主板的电器性质相关的（比如说保险丝之类的），所以一般是固定数据。ICW3与主从连接性质有关，而由于硬件线路固定，所以这里一般也是固定值。值得注意的就是ICW2，这个寄存器用来设置中断号，它会给CPU发送消息，而这部分消息会被CPU当做一个int指令来执行，所以也就间接出发了BIOS中断。0x00~0x1f这些中断被保留，作为CPU系统保护通知调用的中断，因此IRQ端口只能设置0x20~0x2f这16个中断。

       下次将讲解如何进入保护模式。