《Orange’s 一个操作系统的实现》3.保护模式7-特权级转移(通过调用门转移目标段-无特权级转换)

在上次的代码基础上,添加一个代码段作为通过调用门转移的目标段。了解一下调用的工作方法,代码分析如下:

<<红色标识部分为新增代码>>

; ==========================================
; pmtest4.asm
; 编译方法：nasm pmtest4.asm -o pmtest4.com
; ==========================================

%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明

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_CODE32:    Descriptor 0,  SegCode32Len-1, DA_C+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_CODE_DEST: Descriptor 0,SegCodeDestLen-1, DA_C+DA_32; 非一致代码段,32;目标代码描述符
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_LDT:       Descriptor 0,        LDTLen-1, DA_LDT    ; LDT
LABEL_DESC_VIDEO:     Descriptor 0B8000h,    0ffffh, DA_DRW    ; 显存首地址

; 门                               目标选择子,偏移,DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest,   0,     0, DA_386CGate+DA_DPL0;调用门描述符DPL=0

; 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
SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32    - LABEL_GDT
SelectorCode16        equ    LABEL_DESC_CODE16    - LABEL_GDT
SelectorCodeDest    equ    LABEL_DESC_CODE_DEST    - LABEL_GDT;目标代码选择子
SelectorData        equ    LABEL_DESC_DATA        - LABEL_GDT
SelectorStack        equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
SelectorLDT        equ    LABEL_DESC_LDT        - LABEL_GDT
SelectorVideo        equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT

SelectorCallGateTest    equ    LABEL_CALL_GATE_TEST    - LABEL_GDT;调用门选择子
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1]     ; 数据段
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode    dw    0
; 字符串
PMMessage:        db    "In Protect Mode now. ^-^", 0    ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage        equ    PMMessage - $$
StrTest:        db    "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest        equ    StrTest - $$
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    [SPValueInRealMode], sp

    ; 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

    ; 初始化测试调用门的代码段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, cs
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE_DEST
    mov    word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 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

    ; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_LDT
    mov    word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

    ; 初始化 LDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_CODE_A
    mov    word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 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, [SPValueInRealMode]

    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    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

    ; 下面显示一个字符串
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    xor    esi, esi
    xor    edi, edi
    mov    esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移
    mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2    ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
    cld
.1:
    lodsb
    test    al, al
    jz    .2
    mov    [gs:edi], ax
    add    edi, 2
    jmp    .1
.2:    ; 显示完毕

    call    DispReturn

    ; 测试调用门（无特权级变换），将打印字母 'C'
    call    SelectorCallGateTest:0
    ;call    SelectorCodeDest:0 ---SelectorCallGateTest的选择子为SelectorCodeDest,偏移为0

    ; Load LDT
    mov    ax, SelectorLDT
    lldt    ax

    jmp    SelectorLDTCodeA:0    ; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。

; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:
    push    eax
    push    ebx
    mov    eax, edi
    mov    bl, 160
    div    bl
    and    eax, 0FFh
    inc    eax
    mov    bl, 160
    mul    bl
    mov    edi, eax
    pop    ebx
    pop    eax

    ret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------

SegCode32Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

[SECTION .sdest]; 调用门目标段
[BITS    32]

LABEL_SEG_CODE_DEST:
    ;jmp    $
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 12 + 0) * 2    ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'C'
    mov    [gs:edi], ax

    retf

SegCodeDestLen    equ    $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]

; 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]

; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN    32
LABEL_LDT:
;                                         段基址       段界限     ,   属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA:    Descriptor           0,     CodeALen - 1,   DA_C + DA_32    ; Code, 32 位

LDTLen        equ    $ - LABEL_LDT

; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA    equ    LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_CODE_A:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 13 + 0) * 2    ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'L'
    mov    [gs:edi], ax

    ; 准备经由16位代码段跳回实模式
    jmp    SelectorCode16:0
CodeALen    equ    $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

Gate宏的分析请见《Orange’s 一个操作系统的实现》3.保护模式1----pm.inc分析:

 

本代码只是展示了调用的使用方式,即提供了目标代码段的入口地址及相关附加属性(无特权级的转移),如果需要特权级的转移,则需

参照以下规则:

假设我们有代码A转移到代码B,使用一个调用G,即调用门G中的目标选择子指向代码B的段。我们涉及到这么几个要素CPL、RPL、

代码B的DPL(记做DPL_B)、调用门的DPL(记做DPL_G)。根据《Orange’s 一个操作系统的实现》3.保护模式5----特权级概述(转)

介绍可知A访问调用门G时,相当于访问一个数据段,要求CPL和RPL都小于或者等于DPL_G.换句话说,CPL和RPL须在更高的特权级上.

除此之外,还需比较CPL和DPL_B,如果是一致代码段,则要求DPL_B<=CPL;如果是非一致代码段,call和jmp指令又有所不同,使用

CALL时,要求DPL_B<=CPL;使用Jmp时,只能是DPL-B=CPL

规则如下

目标代码段	call	jmp
目标是一致代码段	CPL<=DPL_G	同CALL
	RPL<=DPL_G	同CALL
	DPL_B<=CPL	同CALL
目标是非一致代码	CPL<=DPL_G	CPL<=DPL_G
	RPL<=DPL_G	RPL<=DPL_G
	DPL_B<=CPL	DPL_B=CPL

综上:通过调用门和call指令，可以实现从低特权级到高特权级的转移，无论目标代码是一致的还是非一致的