保护模式详解

在ia32下，cpu有两种工作模式：实模式和保护模式。

在实模式下，16位的寄存器用“段+偏移”的方法计算有效地址。

段寄存器始终是16位的。在实模式下，段值xxxxh表示的以xxxx0h开始的一段内存。但在保护模式下，段寄存器的值变成了一个索引（还有附加信息）这个索引指向了一个数据结构的表（gdt/ldt）项,表项（描述符）中详细定义了段的其实地址、界限、属性等内容。

保护模式需要理解：描述符，选择子

描述符包括，存储段描述符（代码段，数据段，堆栈段），系统描述符（任务状态段TSS，局部描述符表LDT），门描述符（调用门，任务门，中断门，陷阱门），下面以存储段描述符位例

我们看一下描述符的结构：

描述符共8个字节：

0,1字节是段界限（2字节）

2,3,4字节是段基址的低24位（3字节）

5,6字节是段基址的属性（2字节）

7字节是段机制的高8位（1字节）

 

属性：

    (1) P:存在(Present)位。

    P=1 表示描述符对地址转换是有效的，或者说该描述符所描述的段存在，即在内存中；

    P=0 表示描述符对地址转换无效，即该段不存在。使用该描述符进行内存访问时会引起异常。

    (2) DPL:  表示描述符特权级(Descriptor Privilege level)，共2位。它规定了所描述段的特权级，用于特权检查，以决定对该段能否访问。 
    (3) DT:说明描述符的类型。
    对于存储段描述符而言，DT=1，以区别与系统段描述符和门描述符(DT=0)。 
    (4) TYPE: 说明存储段描述符所描述的存储段的具体属性。
    数据段类型 类型值说明
    ----------------------------------
    0只读 
    1只读、已访问 
    2读/写 
    3读/写、已访问 
    4只读、向下扩展 
    5只读、向下扩展、已访问 
    6读/写、向下扩展 
    7读/写、向下扩展、已访问 

 

选择子的结构：

 

RPL(Requested Privilege Level): 请求特权级，用于特权检查。
    TI(Table Indicator): 引用描述符表指示位
    TI=0 指示从全局描述符表GDT中读取描述符；
    TI=1 指示从局部描述符表LDT中读取描述符。

看一下段描述符的一个宏定义：



    

  1. ; 存储段描述符类型值说明  
    2. 

  2. ;----------------------------------------------------------------------------  
    3. 

  3. DA_DR       EQU 90h ; 存在的只读数据段类型值  1001 0000  
    4. 

  4. DA_DRW      EQU 92h ; 存在的可读写数据段属性值 1001 0010  
    5. 

  5. DA_DRWA     EQU 93h ; 存在的已访问可读写数据段类型值 1001 0011  
    6. 

  6. DA_C        EQU 98h ; 存在的只执行代码段属性值 1001 1000  
    7. 

  7. DA_CR       EQU 9Ah ; 存在的可执行可读代码段属性值 1001 1010  
    8. 

  8. DA_CCO      EQU 9Ch ; 存在的只执行一致代码段属性值 1001 1100  
    9. 

  9. DA_CCOR     EQU 9Eh ; 存在的可执行可读一致代码段属性值 1001 1110  
    10. 





59.; 宏 ------------------------------------------------------------------------------------------------------  
60.;  
61.; 描述符  
62.; usage: Descriptor Base, Limit, Attr  
63.;        Base:  dd  
64.;        Limit: dd (low 20 bits available)低二十位可用  
65.;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)高字节的低四位始终为0  
66.%macro Descriptor 3 ;段界限为低地址 1代表Base 2代表Limit 3代表属性   
67.    dw  %2 & 0FFFFh             ; 段界限 1             (2 字节)  
68.    dw  %1 & 0FFFFh             ; 段首地址 1                (2 字节)  
69.    db  (%1 >> 16) & 0FFh         ; 段首地址 2                (1 字节)  
70.    dw  ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)   ; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2       (2 字节)  
71.    db  (%1 >> 24) & 0FFh         ; 段首地址 3                (1 字节)  
72.%endmacro ; 共 8 字节




base传递的是段基址：dd双字，32位


limit传递的是段界限：dd双子，但只会用到低20位    ((%2>>8)& 0f00h)


Attr传递的是属性：字16位，高字节的低4位会被抹去。（%3 & 0f0ffh）


 


gdtr寄存器格式：




 


 (1)准备gdt。


（2）加载gdt。


（3）关中断，保护模式下的中断处理方式是不同的，不关中断可能发生错误。


（4）打开a20地址线。


（5）置cr0的PE位。


（6）跳转进入保护模式。


 


 


实例：







; ┏━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━┓
; ┃31..24┃   (见下图)   ┃     段基址(23..0)    ┃ 段界限(15..0)┃
; ┃      ┃              ┃                      ┃              ┃
; ┃ 基址2┃③│②  │    ①┃基址1b│   基址1a      ┃    段界限1   ┃
; ┣━━━╋━━━┳━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━┫
; ┃   %6 ┃  %5  ┃  %4  ┃  %3  ┃     %2       ┃       %1     ┃
; ┗━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┛
;         │                \_________
;         │                          \__________________
;         │                                             \________________________________________________
;         │                                                                                              \
;         ┏━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┳━━┓
;         ┃ 7  ┃ 6  ┃ 5  ┃ 4  ┃ 3  ┃ 2  ┃ 1  ┃ 0  ┃ 7  ┃ 6  ┃ 5  ┃ 4  ┃ 3  ┃ 2  ┃ 1  ┃ 0  ┃
;         ┣━━╋━━╋━━╋━━╋━━┻━━┻━━┻━━╋━━╋━━┻━━╋━━╋━━┻━━┻━━┻━━┫
;         ┃ G  ┃ D  ┃ 0  ┃ AVL┃   段界限 2 (19..16)  ┃  P ┃   DPL    ┃ S  ┃       TYPE           ┃
;         ┣━━┻━━┻━━┻━━╋━━━━━━━━━━━╋━━┻━━━━━┻━━┻━━━━━━━━━━━┫
;         ┃      ③: 属性 2      ┃    ②: 段界限 2      ┃                   ①: 属性1                  ┃
;         ┗━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛
;       高地址                                                                                          低地址
;
;
%macro Descriptor 3  ;base(dd) limit(dd) attr(dw)
	dw	%2 & 0FFFFh				; 段界限 1				(2 字节)
	dw	%1 & 0FFFFh				; 段基址 1				(2 字节)
	db	(%1 >> 16) & 0FFh			; 段基址 2				(1 字节)
	dw	((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)	; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2		(2 字节)
	db	(%1 >> 24) & 0FFh			; 段基址 3				(1 字节)
%endmacro ; 共 8 字节




DA_32 EQU 4000h ; 32 位段
DA_DR		EQU	90h	; 存在的只读数据段类型值
DA_DRW		EQU	92h	; 存在的可读写数据段属性值




 





org 0100h
jmp LABEL_BEGIN




[SECTION .gdt]
;利用Descriptor 宏		base	, limit	,attr
LABEL_GDT:	Descriptor	0,	0,	0   ;空描述符
LABEL_DESC_32:  Descriptor	0,CODE32_LEN-1,DA_32+DA_DR
LABEL_DESC_VEDIO Descriptor	0B8000h,0ffffh,DA_DRW
GDT_LEN	 EQU	$-LABEL_GDT
GDTPTR	dw	GDT_LEN-1 ;gdt界限
	dd	0
;GDT 选择子
SelectorCode32	equ	LABEL_DESC_32 - LABEL_GDT
SelectorVedio	equ	LABEL_DESC_VEDIO - LABEL_GDT




[SECTION .c16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
	mov ax,cs
	mov ds,ax
	mov es,ax
	mov ss,ax
	mov sp,0100h
;初始化gdt
	xor eax,eax
	mov ax,cs
	shl eax,4
	add eax,LABEL_SEC_CODE32
	mov word [LABEL_DESC_32+2],ax
	shr eax,16
	mov byte [LABEL_DESC_32+4],al
	mov byte [LABEL_DESC_32+7],ah
; 为加载 GDTR 作准备
	xor eax,eax
	mov ax,ds
	shl eax,4
	add eax,LABEL_GDT
	mov dword [GDTPTR+2], eax
;加载gtd
	lgtd [GDTPTR]
;关中断
	cli
;打开a20地址线
	in al,92h
	or al,00000010h
	out 92h,al
;cr0
	mov eax,cr0
	or eax,1
	mov cr0,eax




;jmp
	jmp dword SelectorCode32:0





LABEL_SEC_CODE32:
	mov ax,SelectorCode32
	mov gs,ax
	mov	edi, (80 * 10 + 0) * 2 ;10行0列
	mov	ah, 0Ch	; 0000: 黑底    1100: 红字
	mov	al,'P'
	mov [gs:edi],ax




jmp $




CODE32_LEN EQU $-LABEL_SEC_CODE32


 




 


参考《自己动手写操作系统》






        

            posted on 
2014-05-26 19:30 
andyhe 
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