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保護模式
參考資料：
《Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual》
《Orange's 一個操作系統的實現'》
《X86/X64 體系探測及編程》
《30天自制操作系統》
《Linux 內核完全剖析》
0.概述
Intel IA 32下，CUP有兩種工作模式：實模式和保護模式。打開PC，開始時CPU工作在實模式下，即此前幾篇東西寫的代碼都是在實模式下的。
實模式下有16位的寄存器、16位的數據總線、及20位的地址總線，1MB的尋址能力。物理地址的計算方法：
物理地址（Physical Address） = 段值（Segment）* 16 + 偏移值(Offset) 其中段和偏移都是16位的。
從80386開始，Intel的CPU 進入32位時代，80386有32位地址總線，尋址能力達到4GB.
保護模式保護處理器的某些資源不能被隨意訪問，如處理器的硬件資源和系統的軟件資源，如CR0等控制寄存器，GDT、IDT等系統級的數據結構，OS kernel的代碼和數據等。
x86的segmentation和paging即分段和分頁機制是實施保護措施的手段。分段和分頁實行了不同的內存管理模式和訪問控制。
1.權限和環境
4個權限級別：0～3，0為最高級別。
3種權限類型：CPL、DPL、RPL：
1）CPL（current privilege level）：當前的權限級別，指示當前代碼在哪個權限級別，CPL的值存放在CS寄存器Selector域的RPL。（另外，SS寄存器的Selector的RPL總等于CPL）。
2）DPL（Descriptor Privilege Level）：DPL存放在描述符Descriptor（包括段描述符Segment Descriptor和門描述符Gate Descriptor）里的DPL域，它指示訪問這些segment所需要的權限級別
3）RPL（Requested Privilege Level）：存放在訪問者所使用的選擇子Selector的Bit0和Bit1，指示發起訪問的訪問者使用什么樣的權限對目標進行訪問。
若CPL > DPL表示當前運行的代碼的權限級別不足，不能對segment或gate進行訪問。
從實模式進入保護模式，段式管理機制必須建立，分頁機制是可選的，當分頁機制關閉時，從段式內存管理中得到的線性地址（linear address）就是物理地址。
2.段式管理所使用的資源
硬件資源：
1）CR0、CR4
2）GDTR、LDTR（可選）、IDTR、TR
3）段選擇子寄存器：ES、CS、SS、DS、FS、GS寄存器
數據結構：
1）GDT、LDT（可選）、IDT
2）TSS
3）段描述符（Segment Descriptor）：系統(System)段描述符、代碼(Code)/數據(Data)段描述符
4）門描述符（Gate Descriptor）：包括調用門（Call-gate），中斷/陷阱門（Interrupt/Trap-gate）和任務門（Task-gate）
5）選擇子（Selector）：存放在段寄存器里。
分段機制的內存管理職責：從邏輯地址（Logic address）轉換為處理器的線性地址(Linear address).
3.分頁機制使用的資源：
1）控制寄存器：CR0、CR2、CR3、CR4
2）IA32_EFER
頁轉換表：
1）PDPT（Page Directory Pointer Table）
2）PDT（Page Directory Table）
3）PT（Page Table）
分頁機制內存管理職責：從處理器的線性地址（即virtual address）映射到物理地址。
read/write的內存設備RAM（DRAM）、read-only的內存設備ROM（EPROM），及memory mapped I/O設備都可以映射到物理地址空間上。
典型的ROM設備映射到物理地址空間的高端和低端，Video和IGD設備的buffer映射到A0000H到BFFFFH的物理地址空間，PCIe等設備映射到物理地址空間的E0000000位置上，I/O APIC 設備映射到FEC00000以上的位置，等等。
經過頁式轉換形成的物理地址，可以映射到DRAM或外部存儲設備Disk上。
4.段式內存管理
兩方面的管理：
1）內存管理：為地址的轉換提供基礎
Linear Address = base + offset
與實模式下的原理是一致的，實模式下段的base = selector << 4; 保護模式下，base從segment descriptor里加載而來。
2）保護措施：對訪問行為的控制
對段的limit、type、privilege檢查
5.段式管理的數據結構
1）段選擇子（Segment Selector）
RPL：bit0～bit1，請求訪問者所使用的權限級別
TI：Table Indicator，描述符表索引位,bit2, TI=0表示GDT，TI=1表示LDT。
Index：Descriptor Index，它是Descriptor在GDT/LDT中的序號。bit3~bit15,13位，范圍0～8191，即可尋址8192個descriptor。
2）描述符表（Descriptor Table）
Segment Selector用于在Descriptor Table中查找descriptor。
描述符表由描述符表寄存器進行定位，對應GDT，LDT，IDT有GDTR，LDTR，IDTR。在IA32中，這三個寄存器都是48位，包括低16位為Limit和髙32位為Base，加載描述符表方法為lgdt, lldt, lidt。
其中Limit用于檢查Selector是否超出GDT的limit，如同數組的長度一樣，判斷數組是否越界。
3）段描述符（Segment Descriptor）
段描述符要么存放在描述符表里，要么被加載到段寄存器里。被加載到段寄存器后，它所描述的段變成了active狀態。
描述符有兩大類：段描述符和門描述符。
6.切換到保護模式
Intel推薦的步驟：
1）關中斷，包括可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷
2）使用lgdt加載GDTR
3）置cr0 的PE位，切換到保護模式
4）使用far jmp/call，提供一個同級權限的CS Selector更新CS寄存器
5）若需要使用LDT，用lldt加載LDTR
6）使用ltr加載TR
7）更新SS、DS寄存器
8）使用lidt加載IDTR
9）開中斷
程序源碼：
boot.s:
[cpp] view plaincopyprint?
#--------------------------------------------------------------??#?文件：boot.s??#?描述：1.清屏??#???????2.設置顯示模式為0x103（800*600，256色）??#???????3.讀取軟盤，將內核加載到內存??#???????4.將內核第一個扇區(load.s)移動到內存0x0000位置??#???????5.將引導扇區中的GDT及新顯示模式的一些參數移動到指定位置??#???????6.開啟A20總線，置位cr0寄存器的PE位，進入保護模式??#?時間：2012-12-29?21:47:12??#?作者：guzhoudiaoke@126.com??#--------------------------------------------------------------????.include?"include/kernel.inc"????.section?.text??.global?_start??.code16????_start:??????jmp?????main????#---------------------------------------------------------------??#?清屏：??#???設置屏幕背景色，調色板的索引0指代的顏色為背景色??#???先不考慮效率，只考慮可讀性，故ah，al分開賦值??#---------------------------------------------------------------??clear_screen:???????????????#?清屏函數??????movb????$0x06,??%ah?????#?功能號0x06??????movb????$0,?????%al?????#?上卷全部行，即清屏??????movb????$0,?????%ch?????#?左上角行??????movb????$0,?????%ch?????#?左上角列????????movb????$24,????%dh?????#?右下角行??????movb????$79,????%dl?????#?右下角列??????movb????$0x07,??%bh?????#?空白區域屬性??????int?????$0x10????????????ret????#--------------------------------------------------------------------??#?設置顯示模式：??#???1.檢查VBE是否存在，即顯卡是否支持VESA?BIOS?EXTENSION??#???2.檢查VBE版本，是否為2.0以上??#???3.檢查要設置的mode的一些參數，看是否符合要求??#???4.設置顯示模式為VBE?0x103（800*600，256色）??#???5.記錄新顯示模式的一些參數??#???6.若上面檢查或設置失敗，則設置顯示模式為VGA?0x13（320*200，256色）??#--------------------------------------------------------------------??set_video_mode:??????movw????$0x800,?????????????%ax??????movw????%ax,????????????????%es??????movw????%ax,????????????????%ds??????xorw????%di,????????????????%di??check_vbe:??????movb????$0x4f,??????????????%ah?????????#?表示使用VBE標準??????movb????$0x00,??????????????%al?????????#?功能號??????int?????$0x10??????cmp?????$0x004f,????????????%ax?????????#?若有VBE，AX應該為0x004f??????jne?????set_mode_vga_0x13??????movw????0x04(%di),??????????%ax??????cmp?????$0x0200,????????????%ax?????????#?若VBE版本不是2.0以上??????jb??????set_mode_vga_0x13??check_vbe_mode:?????????????????????????????#?檢查MODE_VBE_0x13的參數??????movw????$VIDEO_MODE_0x103,??%cx??????movb????$0x4f,??????????????%ah?????????#?表明VBE標準??????movb????$0x01,??????????????%al?????????#?子功能號??????int?????$0x10??????cmpb????$0x00,??????????????%ah?????????#?是否調用成功??????jne?????set_mode_vga_0x13??????cmpb????$0x4f,??????????????%al?????????#?是否支持該模式??????jne?????set_mode_vga_0x13??????cmpb????$8,?????????????????0x19(%di)???#?顏色是否占8bit??????jne?????set_mode_vga_0x13??????cmpb????$4,?????????????????0x1b(%di)???#?顏色的指定方法為4(調色板方式)??????jne?????set_mode_vga_0x13??????movw????(%di),??????????????%ax??????andw????$0x0080,????????????%ax??????jz??????set_mode_vga_0x13???????????????#?AX第bit7是否為1(線性幀緩存是否有效)??set_mode_vbe:???????????????????????????????#?下面設置模式??????movw????$VIDEO_MODE_0x103,??%bx??????addw????$0x4000,????????????%bx?????????#?BX第14個比特表示是否使用大的線性緩存區??????movb????$0x4f,??????????????%ah?????????#?表示使用VBE標準??????movb????$0x02,??????????????%al?????????#?功能號，表示設置模式??????int?????$0x10??save_video_mode_info:???????????????????????#?記錄切換到的模式的一些參數信息??????movw????$VIDEO_MODE_0x103,??video_mode??????movw????0x12(%di),??????????%ax??????movw????%ax,????????????????screen_x??????movw????0x14(%di),??????????%ax??????movw????%ax,????????????????screen_y??????movl????0x28(%di),??????????%eax??????movl????%eax,???????????????video_ram??????movw????$1,?????????????????%ax????????ret??set_mode_vga_0x13:??????????????????????????#?若不支持VBE則設置為VGA?0x13?mode??????movb????$0,?????????????????%ah?????????#?功能號0x0??????movb????$VIDEO_MODE_0x13,???%al?????????#?顯示模式??????int?????$0x10??????movw????$0x13,??????????????video_mode??????movw????$320,???????????????screen_x??????movw????$200,???????????????screen_y??????movl????$0xb8000,???????????video_ram????????????ret????#----------------------------------------------------------------??#?讀取軟盤一個扇區：??#???使用BIOS?INT?0x13中斷讀軟盤，使用前需要設置ES：BX作為緩沖區??#???AX為相對扇區號，基于相對扇區號，為學習軟盤的知識，使用了由??#???相對扇區號來讀軟盤的方式，也可以直接設置讀取扇區數而讀連續的??#???多個扇區。但好像有不能跨越磁道、不能超過64KB等限制，要小心。??#???柱面號、磁頭號、扇區號計算公式如下：??#???柱面號CH?=?N?/?36，令x?=?N?%?36??#???磁頭號DH?=?x?/?18，扇區號CL?=?x?%?18?+?1（因為從1開始，故加1）??#-----------------------------------------------------------------??read_a_sect:??????movb????$36,????%dl??????divb????%dl??????movb????%al,????%ch?????#?柱面號=N?/?36,?假設x?=?N?%?36??????movb????%ah,????%al?????#?AL?=?N?%?36??????xorb????%ah,????%ah?????#?AH?=?0,?則AX?=?AL?=?N?%?36??????movb????$18,????%dl??????divb????%dl??????movb????%al,????%dh?????#?磁頭號DH?=?x?/?18??????movb????%ah,????%cl?????#?CL?=?x?%?18??????incb????%cl?????????????#?扇區號CL?=?x?%?18?+?1????????movb????$0x00,??%dl?????#?驅動器號DL?=?0，表示第一個軟盤即floppya??????movb????$0x02,??%ah?????#?功能號0x02表示讀軟盤??????movb????$0x01,??%al?????#?讀取一個扇區數????re_read:????????????????????#?若調用失敗（可能是軟盤忙損壞等）則重新調用??????int?????$0x13??????jc??????re_read?????????#?若進位位（CF）被置位，表示調用失敗????????????ret????#-------------------------------------------------------------------??#?讀取內核到內存??#???該函數讀取baby?OS?的內核到內存，第一個扇區為引導扇區，需要讀取??#???的是從第二個扇區（相對扇區號1）開始的KERNEL_SECT_NUM個扇區??#???ES：BX為緩沖區，為讀取內核的臨時位置0x10000??#-------------------------------------------------------------------??read_kernel:??????movw????$0x1000,????????????%ax???????????movw????%ax,????????????????%es?????#?ES:BX?為緩沖區地址??????xorw????%bx,????????????????%bx??????movw????$0x00,??????????????%si?????#?已經讀取的扇區數??????movw????$0x01,??????????????%di?????#?相對扇區號??1:????????movw????%di,????????????????%ax?????#?將相對扇區號傳給AX作為參數??????call????read_a_sect????????incw????%si??????incw????%di??????addw????$512,???????????????%bx??????cmpw????$KERNEL_SECT_NUM,???%si??????jne?????1b????????ret????#--------------------------------------------------------------------??#?移動內核第一個扇區：??#???內核從軟盤讀取到內存的一個臨時位置，現在將第一個扇區移動到內存??#???0x0000處，第一個扇區即load.s，它將會把內核剩余部分移動到它的后面，??#???之所以分兩次移動，是因為若內核較大，一次移動會覆蓋0x7c00處的代碼，??#???即引導扇區的代碼，導致運行出錯。??#--------------------------------------------------------------------??move_first_sect_of_kernel:??????cli?????????????????????????????????#?指明SI，DI遞增??????movw????$0x1000,????????????%ax??????movw????%ax,????????????????%ds?????#?DS:SI?為源地址??????xorw????%si,????????????????%si??????movw????$0x00,??????????????%ax??????movw????%ax,????????????????%es?????#?ES:DI?為目標地址??????xorw????%di,????????????????%di??????movw????$512?>>?2,????????????%cx?????#?移動512/4?次??????rep?????movsl???????????????????????#?每次移動4個byte????????ret??????#--------------------------------------------------------------------??#?移動GDT及新顯示模式的參數信息到指定位置??#???該函數把GDT及參數信息移動到指定的位置，以便于以后使用??#--------------------------------------------------------------------??move_gdt_and_video_info:??????xorw????%ax,????????????????????????%ax??????movw????%ax,????????????????????????%ds?????#?DS:SI?為源地址??????leaw????gdt,????????????????????????%si??????movw????$GDT_ADDR?>>?4,???????????????%ax?????#?由要保存的地址來計算段基址??????movw????%ax,????????????????????????%es?????#?ES:DI?為目的地址??????xorw????%di,????????????????????????%di??????movw????$GDT_SIZE+VIDEO_INFO_SIZE,??%cx?????#?移動的雙字個數??????rep?????movsb????????ret????#--------------------------------------------------------------------??#?開啟保護模式：?????#???1.關中斷??#???2.加載GDT??#???3.開啟A20總線，置cr0的PE位，切換到保護模式??#???4.far?jmp/call，用一個CS?Selector?更新CS?寄存器，開始執行新代碼??#--------------------------------------------------------------------??enter_protected_mode:??????cli?????????????????????????????????#?關中斷??????lgdt????gdt_ptr?????????????????????#?加載GDT????enable_a20:???????inb?????$0x64,??????????%al?????????#?從端口0x64讀取數據??????testb???$0x02,??????????%al?????????#?測試讀取數據第二個bit??????jnz?????enable_a20??????????????????#?忙等待????????movb????$0xdf,??????????%al??????outb????%al,????????????$0x64???????#?將0xdf寫入端口0x60????????movl????%cr0,???????????%eax????????#?讀取cr0寄存器??????orl?????$0x01,??????????%eax????????#?置位最后以為即PE位??????movl????%eax,???????????%cr0????????#?寫cr0寄存器????????ljmp????$CODE_SELECTOR,?$0x00???????#?跳轉到代碼段，即load.s處開始執行????????????ret?????#--------------------------------------------------------------------??#?開始執行后，會跳轉到此處開始執行??#--------------------------------------------------------------------?????main:??????movw????%cx,????????%ax??????movw????%ax,????????%ds??????movw????%ax,????????%es??????movw????%ax,????????%ss??????movw????$0x1000,????%sp????????call????clear_screen????????????????#?清屏??????call????set_video_mode??????????????#?設置顯示模式??????call????read_kernel?????????????????#?從軟盤讀取內核??????call????move_first_sect_of_kernel???#?將內核第一個扇區load.s移動到0x0000??????call????move_gdt_and_video_info?????#?將GDT和顯示模式信息保存起來??????call????enter_protected_mode????????#?進入包含模式????1:??????jmp?????1b????gdt:??????.quad???0x0000000000000000??????????#?空描述符??????.quad???0x00cf9a000000ffff??????????#?代碼段描述符??????.quad???0x00cf92000000ffff??????????#?數據段描述符??????.quad???000000000000000000??????????#?留待以后使用??????.quad???000000000000000000??????????#?留待以后使用??video_mode:?????????????????????????????#?顯示模式??????.short??0??screen_x:???????????????????????????????#?水平分辨率??????.short??0???screen_y:???????????????????????????????#?垂直分辨率??????.short??0?????video_ram:??????????????????????????????#?video_ram地址??????.long???0??gdt_ptr:????????????????????????????????#?用與lgdt?加載GDT??????.word???screen_x?-?gdt?-?1??????????#?GDT段限長??????.long???GDT_ADDR????????????????????#?GDT基地址????????.org????0x1fe,??0x90????????????????#?用nop?指令填充??????.word???0xaa55??????????????????????#?引導扇區標志?? load.s:
[cpp] view plaincopyprint?
#*************************************************************************??#???>?File:??????load.s??#???>?Desc:??????1.設置新的數據段等??#???????????????2.將內核剩余部分移動到load.s后面??#???????????????3.顯示babyos?加載成功的Logo??#???>?Author:????孤舟釣客??#???>?Mail:??????guzhoudiaoke@126.com???#???>?Time:??????2012年12月30日?星期日?22時23分55秒??#*************************************************************************????.include?"include/kernel.inc"????.section?.text??.global?_start????.org????0????_start:??????movl????$DATA_SELECTOR,?????????%eax??????movw????%ax,????????????????????%ds??????movw????%ax,????????????????????%es??????movw????%ax,????????????????????%fs??????movw????%ax,????????????????????%gs??????movw????%ax,????????????????????%ss??????movl????$STACK_BOTTOM,??????????%esp????load_lefted_kernel:??????cld??????movl????$0x10200,???????????????%esi??????movl????$0x200,?????????????????%edi??????movl????$(KERNEL_SECT_NUM-1)<<7,%ecx??????rep?????movsl????show_logo:??????movl????$0xe0000000,????????????%edi??????addl????$272?+?800*10,??????????%edi??????movl????$0x400,?????????????????%esi????????movl????$128,???????????????????%ebx??????movl????$1,?????????????????????%eax??1:????????movl????$256,???????????????????%ecx??set_line_mem:?????????cmpb????$255,???????????????????(%esi)??????je??????2f??????movb????%al,????????????????????(%edi)??2:??????inc?????%esi??????inc?????%edi??????loop????set_line_mem????????????addl????$800-256,???????????????%edi??????decl????%ebx??????jnz?????1b????3:????????jmp?????3b????????.org????512,????0x90?????? baby os 暫時使用下面的簡單logo：
o(∩∩)o...哈哈，這個logo 使用小篆字體，還是很有中國特色的呦～
總結
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