一个操作系统的实现-6_保护模式5
2017-11-23 17:28
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对于中断部分,8259A的具体各种命令字不关注,只关注整个中断向量的组织,从结构上把握中断的处理过程.
1:复习下段描述符和门描述符
Descriptor: 段基址,界限,属性
Gate : 目标选择子,偏移,DCount,属性
2:IDT(中断描述符表)中的描述符可以是下面三种之一:
中断门描述符
陷阱门描述符
任务门描述符
任务门在Linux中没有用到,中断门与陷阱门的区别在于对中断允许标志IF的影响.由中断门向量引起的中断会复位IF,这样做可以避免其他中断干扰当前中断的处理.在中断处理程序最后返回的iret指令会从堆栈上恢复IF的原值.而通过陷阱门产生的中断不会改变IF.另外,根据门结构的属性中的TYPE字段区分中断门还是陷阱门.
3:IDT的建立
IDT的建立和GDT类似,,只是IDT中的表项是Gate门描述符,通过门描述符里的目标选择子找到GDT中相应的段描述符,根据门描述符里的偏移和段描述符里的段基址找到对应中断处理代码.IdtPtr的加载和GdtPtr的加载类似,通过lidt [IdtPtr]将IDT基址装入IDTR寄存器.可以看成IDT中是中断向量号与中断程序处理入口的对应.
4:中断向量号总共有256个,0-255,其中32(20h)-255是用户定义中断(即外部中断或int n指令).
对于程序的一点说明:
在初始化8259A时,将8259A外部中断的各个引脚设置成与相应的中断向量号对应,即:IRQ0-IRQ7对应中断向量20h-27h,IRQ8-IRQ15对应中断向量28h-2fh.这些都是处于用户定义中断范围.同时8259A这些中断属于外部中断.8259A的IRQ0就对应了8253发出的100MHZ时钟中断,这才有了开启8259A的IRQ0就对应了时钟中断的开启,进而执行了定时中断的代码,与int 80h不同,int 80h属于int n指令产生的软件中断.
程序运行结果如下:(定时器中断太快导致显示太快,有点乱码)
头文件和前面的头文件相同,不再列出.
pmtest9.asm:
; ==========================================
; pmtest9.asm
; 编译方法：nasm pmtest9.asm -o pmtest9.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
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
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
_SavedIDTR: dd 0 ; 用于保存 IDTR
dd 0
_SavedIMREG: db 0 ; 中断屏蔽寄存器值
_MemChkBuf: times 256 db 0
; 保护模式下使用这些符号
szPMMessage equ _szPMMessage - $$
szMemChkTitle equ _szMemChkTitle - $$
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 - $$
MemChkBuf equ _MemChkBuf - $$
SavedIDTR equ _SavedIDTR - $$
SavedIMREG equ _SavedIMREG - $$
PageTableNumber equ _PageTableNumber- $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]
; IDT
[SECTION .idt]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_IDT:
; 门 目标选择子, 偏移, DCount, 属性
%rep 32
Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate
%endrep
.020h: Gate SelectorCode32, ClockHandler, 0, DA_386IGate
%rep 95
Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate
%endrep
.080h: Gate SelectorCode32, UserIntHandler, 0, DA_386IGate
IdtLen equ $ - LABEL_IDT
IdtPtr dw IdtLen - 1 ; 段界限
dd 0 ; 基地址
; END of [SECTION .idt]
; 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
jc LABEL_MEM_CHK_FAIL
add di, 20
inc dword [_dwMCRNumber]
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
; 为加载 IDTR 作准备
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_IDT ; eax <- idt 基地址
mov dword [IdtPtr + 2], eax ; [IdtPtr + 2] <- idt 基地址
; 保存 IDTR
sidt [_SavedIDTR]
; 保存中断屏蔽寄存器(IMREG)值
in al, 21h
mov [_SavedIMREG], al
; 加载 GDTR
lgdt [GdtP
c020
tr]
; 关中断
;cli
; 加载 IDTR
lidt [IdtPtr]
; 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]
lidt [_SavedIDTR] ; 恢复 IDTR 的原值
mov al, [_SavedIMREG] ; ┓恢复中断屏蔽寄存器(IMREG)的原值
out 21h, al ; ┛
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 Init8259A
int 080h
sti
jmp $
; 下面显示一个字符串
push szPMMessage
call DispStr
add esp, 4
push szMemChkTitle
call DispStr
add esp, 4
call DispMemSize ; 显示内存信息
call PagingDemo ; 演示改变页目录的效果
call SetRealmode8259A
; 到此停止
jmp SelectorCode16:0
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
Init8259A:
mov al, 011h
out 020h, al ; 主8259, ICW1.
call io_delay
out 0A0h, al ; 从8259, ICW1.
call io_delay
mov al, 020h ; IRQ0 对应中断向量 0x20
out 021h, al ; 主8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 028h ; IRQ8 对应中断向量 0x28
out 0A1h, al ; 从8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 004h ; IR2 对应从8259
out 021h, al ; 主8259, ICW3.
call io_delay
mov al, 002h ; 对应主8259的 IR2
out 0A1h, al ; 从8259, ICW3.
call io_delay
mov al, 001h
out 021h, al ; 主8259, ICW4.
call io_delay
out 0A1h, al ; 从8259, ICW4.
call io_delay
;mov al, 11111111b ; 屏蔽主8259所有中断
mov al, 11111110b ; 仅仅开启定时器中断
out 021h, al ; 主8259, OCW1.
call io_delay
mov al, 11111111b ; 屏蔽从8259所有中断
out 0A1h, al ; 从8259, OCW1.
call io_delay
ret
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
; SetRealmode8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
SetRealmode8259A:
mov ax, SelectorData
mov fs, ax
mov al, 017h
out 020h, al ; 主8259, ICW1.
call io_delay
mov al, 008h ; IRQ0 对应中断向量 0x8
out 021h, al ; 主8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 001h
out 021h, al ; 主8259, ICW4.
call io_delay
mov al, [fs:SavedIMREG] ; ┓恢复中断屏蔽寄存器(IMREG)的原值
out 021h, al ; ┛
call io_delay
ret
; SetRealmode8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
io_delay:
nop
nop
nop
nop
ret
; int handler ---------------------------------------------------------------
_ClockHandler:
ClockHandler equ _ClockHandler - $$
inc byte [gs:((80 * 0 + 70) * 2)] ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。
mov al, 20h
out 20h, al ; 发送 EOI
iretd
_UserIntHandler:
UserIntHandler equ _UserIntHandler - $$
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'I'
mov [gs:((80 * 0 + 70) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。
iretd
_SpuriousHandler:
SpuriousHandler equ _SpuriousHandler - $$
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, '!'
mov [gs:((80 * 0 + 75) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行, 第 75 列。
jmp $
iretd
; ---------------------------------------------------------------------------
; 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
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
; 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 PageDirBase
xor eax, eax
mov eax, PageTblBase0 | PG_P | PG_USU | PG_RWW
.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, PageTblBase0 ; 此段首地址为 PageTblBase
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
mov eax, cr0
or eax, 80000000h
mov cr0, eax
jmp short .3
.3:
nop
ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------
; 测试分页机制 --------------------------------------------------------------
PagingDemo:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov ax, SelectorFlatRW
mov es, ax
push LenFoo
push OffsetFoo
push ProcFoo
call MemCpy
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
mov ax, SelectorData
mov ds, ax ; 数据段选择子
mov es, ax
call SetupPaging ; 启动分页
call SelectorFlatC:ProcPagingDemo
call PSwitch ; 切换页目录，改变地址映射关系
call SelectorFlatC:ProcPagingDemo
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
; 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 PageDirBase
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 PageTblBase
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
mov dword [es:eax], ProcBar | PG_P | PG_USU | PG_RWW
mov eax, PageDirBase1
mov cr3, eax
jmp short .3
.3:
nop
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
; PagingDemoProc ------------------------------------------------------------
PagingDemoProc:
OffsetPagingDemoProc equ PagingDemoProc - $$
mov eax, LinearAddrDemo
call eax
retf
; ---------------------------------------------------------------------------
LenPagingDemoAll equ $ - PagingDemoProc
; ---------------------------------------------------------------------------
; foo -----------------------------------------------------------------------
foo:
OffsetFoo equ foo - $$
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
LenFoo equ $ - foo
; ---------------------------------------------------------------------------
; bar -----------------------------------------------------------------------
bar:
OffsetBar equ bar - $$
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
; ---------------------------------------------------------------------------
; 显示内存信息 --------------------------------------------------------------
DispMemSize:
push esi
push edi
push ecx
mov esi, MemChkBuf
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: ;
push dword [esi] ;
call DispInt ; DispInt(MemChkBuf[j*4]); // 显示一个成员
pop eax ;
stosd ; ARDStruct[j*4] = MemChkBuf[j*4];
add esi, 4 ;
dec edx ;
cmp edx, 0 ;
jnz .1 ; }
call DispReturn ; printf("\n");
cmp dword [dwType], 1 ; if(Type == AddressRangeMemory) // AddressRangeMemory : 1, AddressRangeReserved : 2
jne .2 ; {
mov eax, [dwBaseAddrLow] ;
add eax, [dwLengthLow] ;
cmp eax, [dwMemSize] ; if(BaseAddrLow + LengthLow > MemSize)
jb .2 ;
mov [dwMemSize], eax ; MemSize = BaseAddrLow + LengthLow;
.2: ; }
loop .loop ;}
;
call DispReturn ;printf("\n");
push szRAMSize ;
call DispStr ;printf("RAM size:");
add esp, 4 ;
;
push dword [dwMemSize] ;
call DispInt ;DispInt(MemSize);
add esp, 4 ;
pop ecx
pop edi
pop esi
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
%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 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]
1:复习下段描述符和门描述符
Descriptor: 段基址,界限,属性
Gate : 目标选择子,偏移,DCount,属性
2:IDT(中断描述符表)中的描述符可以是下面三种之一:
中断门描述符
陷阱门描述符
任务门描述符
任务门在Linux中没有用到,中断门与陷阱门的区别在于对中断允许标志IF的影响.由中断门向量引起的中断会复位IF,这样做可以避免其他中断干扰当前中断的处理.在中断处理程序最后返回的iret指令会从堆栈上恢复IF的原值.而通过陷阱门产生的中断不会改变IF.另外,根据门结构的属性中的TYPE字段区分中断门还是陷阱门.
3:IDT的建立
IDT的建立和GDT类似,,只是IDT中的表项是Gate门描述符,通过门描述符里的目标选择子找到GDT中相应的段描述符,根据门描述符里的偏移和段描述符里的段基址找到对应中断处理代码.IdtPtr的加载和GdtPtr的加载类似,通过lidt [IdtPtr]将IDT基址装入IDTR寄存器.可以看成IDT中是中断向量号与中断程序处理入口的对应.
4:中断向量号总共有256个,0-255,其中32(20h)-255是用户定义中断(即外部中断或int n指令).
对于程序的一点说明:
在初始化8259A时,将8259A外部中断的各个引脚设置成与相应的中断向量号对应,即:IRQ0-IRQ7对应中断向量20h-27h,IRQ8-IRQ15对应中断向量28h-2fh.这些都是处于用户定义中断范围.同时8259A这些中断属于外部中断.8259A的IRQ0就对应了8253发出的100MHZ时钟中断,这才有了开启8259A的IRQ0就对应了时钟中断的开启,进而执行了定时中断的代码,与int 80h不同,int 80h属于int n指令产生的软件中断.
程序运行结果如下:(定时器中断太快导致显示太快,有点乱码)
头文件和前面的头文件相同,不再列出.
pmtest9.asm:
; ==========================================
; pmtest9.asm
; 编译方法：nasm pmtest9.asm -o pmtest9.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
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
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
_SavedIDTR: dd 0 ; 用于保存 IDTR
dd 0
_SavedIMREG: db 0 ; 中断屏蔽寄存器值
_MemChkBuf: times 256 db 0
; 保护模式下使用这些符号
szPMMessage equ _szPMMessage - $$
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 - $$
SavedIDTR equ _SavedIDTR - $$
SavedIMREG equ _SavedIMREG - $$
PageTableNumber equ _PageTableNumber- $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]
; IDT
[SECTION .idt]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_IDT:
; 门 目标选择子, 偏移, DCount, 属性
%rep 32
Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate
%endrep
.020h: Gate SelectorCode32, ClockHandler, 0, DA_386IGate
%rep 95
Gate SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate
%endrep
.080h: Gate SelectorCode32, UserIntHandler, 0, DA_386IGate
IdtLen equ $ - LABEL_IDT
IdtPtr dw IdtLen - 1 ; 段界限
dd 0 ; 基地址
; END of [SECTION .idt]
; 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
jc LABEL_MEM_CHK_FAIL
add di, 20
inc dword [_dwMCRNumber]
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
; 为加载 IDTR 作准备
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_IDT ; eax <- idt 基地址
mov dword [IdtPtr + 2], eax ; [IdtPtr + 2] <- idt 基地址
; 保存 IDTR
sidt [_SavedIDTR]
; 保存中断屏蔽寄存器(IMREG)值
in al, 21h
mov [_SavedIMREG], al
; 加载 GDTR
lgdt [GdtP
c020
tr]
; 关中断
;cli
; 加载 IDTR
lidt [IdtPtr]
; 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]
lidt [_SavedIDTR] ; 恢复 IDTR 的原值
mov al, [_SavedIMREG] ; ┓恢复中断屏蔽寄存器(IMREG)的原值
out 21h, al ; ┛
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 Init8259A
int 080h
sti
jmp $
; 下面显示一个字符串
push szPMMessage
call DispStr
add esp, 4
push szMemChkTitle
call DispStr
add esp, 4
call DispMemSize ; 显示内存信息
call PagingDemo ; 演示改变页目录的效果
call SetRealmode8259A
; 到此停止
jmp SelectorCode16:0
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
Init8259A:
mov al, 011h
out 020h, al ; 主8259, ICW1.
call io_delay
out 0A0h, al ; 从8259, ICW1.
call io_delay
mov al, 020h ; IRQ0 对应中断向量 0x20
out 021h, al ; 主8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 028h ; IRQ8 对应中断向量 0x28
out 0A1h, al ; 从8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 004h ; IR2 对应从8259
out 021h, al ; 主8259, ICW3.
call io_delay
mov al, 002h ; 对应主8259的 IR2
out 0A1h, al ; 从8259, ICW3.
call io_delay
mov al, 001h
out 021h, al ; 主8259, ICW4.
call io_delay
out 0A1h, al ; 从8259, ICW4.
call io_delay
;mov al, 11111111b ; 屏蔽主8259所有中断
mov al, 11111110b ; 仅仅开启定时器中断
out 021h, al ; 主8259, OCW1.
call io_delay
mov al, 11111111b ; 屏蔽从8259所有中断
out 0A1h, al ; 从8259, OCW1.
call io_delay
ret
; Init8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
; SetRealmode8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
SetRealmode8259A:
mov ax, SelectorData
mov fs, ax
mov al, 017h
out 020h, al ; 主8259, ICW1.
call io_delay
mov al, 008h ; IRQ0 对应中断向量 0x8
out 021h, al ; 主8259, ICW2.
call io_delay
mov al, 001h
out 021h, al ; 主8259, ICW4.
call io_delay
mov al, [fs:SavedIMREG] ; ┓恢复中断屏蔽寄存器(IMREG)的原值
out 021h, al ; ┛
call io_delay
ret
; SetRealmode8259A ---------------------------------------------------------------------------------------------
io_delay:
nop
nop
nop
nop
ret
; int handler ---------------------------------------------------------------
_ClockHandler:
ClockHandler equ _ClockHandler - $$
inc byte [gs:((80 * 0 + 70) * 2)] ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。
mov al, 20h
out 20h, al ; 发送 EOI
iretd
_UserIntHandler:
UserIntHandler equ _UserIntHandler - $$
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'I'
mov [gs:((80 * 0 + 70) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。
iretd
_SpuriousHandler:
SpuriousHandler equ _SpuriousHandler - $$
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, '!'
mov [gs:((80 * 0 + 75) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行, 第 75 列。
jmp $
iretd
; ---------------------------------------------------------------------------
; 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
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
; 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 PageDirBase
xor eax, eax
mov eax, PageTblBase0 | PG_P | PG_USU | PG_RWW
.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, PageTblBase0 ; 此段首地址为 PageTblBase
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
mov eax, cr0
or eax, 80000000h
mov cr0, eax
jmp short .3
.3:
nop
ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------
; 测试分页机制 --------------------------------------------------------------
PagingDemo:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov ax, SelectorFlatRW
mov es, ax
push LenFoo
push OffsetFoo
push ProcFoo
call MemCpy
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
mov ax, SelectorData
mov ds, ax ; 数据段选择子
mov es, ax
call SetupPaging ; 启动分页
call SelectorFlatC:ProcPagingDemo
call PSwitch ; 切换页目录，改变地址映射关系
call SelectorFlatC:ProcPagingDemo
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
; 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 PageDirBase
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 PageTblBase
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
mov dword [es:eax], ProcBar | PG_P | PG_USU | PG_RWW
mov eax, PageDirBase1
mov cr3, eax
jmp short .3
.3:
nop
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
; PagingDemoProc ------------------------------------------------------------
PagingDemoProc:
OffsetPagingDemoProc equ PagingDemoProc - $$
mov eax, LinearAddrDemo
call eax
retf
; ---------------------------------------------------------------------------
LenPagingDemoAll equ $ - PagingDemoProc
; ---------------------------------------------------------------------------
; foo -----------------------------------------------------------------------
foo:
OffsetFoo equ foo - $$
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'F'
mov [gs:((80 * 17 + 0) * 2)], ax ; 屏幕第 17 行, 第 0 列。
mov al, 'o'
mov [gs:((80 * 17 + 1) * 2)], ax ; 屏幕第 17 行, 第 1 列。
mov [gs:((80 * 17 + 2) * 2)], ax ; 屏幕第 17 行, 第 2 列。
ret
LenFoo equ $ - foo
; ---------------------------------------------------------------------------
; bar -----------------------------------------------------------------------
bar:
OffsetBar equ bar - $$
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
; ---------------------------------------------------------------------------
; 显示内存信息 --------------------------------------------------------------
DispMemSize:
push esi
push edi
push ecx
mov esi, MemChkBuf
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: ;
push dword [esi] ;
call DispInt ; DispInt(MemChkBuf[j*4]); // 显示一个成员
pop eax ;
stosd ; ARDStruct[j*4] = MemChkBuf[j*4];
add esi, 4 ;
dec edx ;
cmp edx, 0 ;
jnz .1 ; }
call DispReturn ; printf("\n");
cmp dword [dwType], 1 ; if(Type == AddressRangeMemory) // AddressRangeMemory : 1, AddressRangeReserved : 2
jne .2 ; {
mov eax, [dwBaseAddrLow] ;
add eax, [dwLengthLow] ;
cmp eax, [dwMemSize] ; if(BaseAddrLow + LengthLow > MemSize)
jb .2 ;
mov [dwMemSize], eax ; MemSize = BaseAddrLow + LengthLow;
.2: ; }
loop .loop ;}
;
call DispReturn ;printf("\n");
push szRAMSize ;
call DispStr ;printf("RAM size:");
add esp, 4 ;
;
push dword [dwMemSize] ;
call DispInt ;DispInt(MemSize);
add esp, 4 ;
pop ecx
pop edi
pop esi
ret
; ---------------------------------------------------------------------------
%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 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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