chapter3------保护模式之初始化GDT

实模式

• 运行于16位的CPU环境下：
  • 16位的寄存器
  • 16位的数据总线
  • 20位的地址总线，以及1MB的寻址能力(2^20B)
  • 一个地址由段和偏移两部分组成，物理地址=段值x16+偏移(段值和偏移都是16位，段值左移四位最后计算出来的地址才是20位)

保护模式

• 运行与32位的CPU环境下
  • 32位的寄存器
  • 32位的数据总线
  • 32位的地址总线，以及4GB的寻址能力(2^32B)
  • 一个地址仍旧由段和偏移两部分组成

保护模式与实模式的区别

• 实模式下的段值可以看做是地址的一部分，段值为xxxxh表示以xxxx0h(物理地址，段值二进制左移4位，16进制左移一位)开始的一段内存
• 保护模式下的段值仅仅只是一个索引，指向一个数据结构(GDT或LDT)的一个表项(描述符)，表项中详细定义了段的起始地址、界限、属性等内容

GDT(Global Descriptor Table，全局描述符表)

GDT中的每一个描述符就定义一个段

• 描述符分为3类

  • 代码段和数据段描述符
  • 系统段描述符
  • 门描述符

• 代码段和数据段描述符的结构
  (共8个字节，段基址4个字节，段界限2个字节，属性2个字节)

• 选择子的结构
  (共2个字节，16位)
  若不考虑前3位，那么可以将选择子看成是对应描述符相对于GDT基址的偏移
  

• 程序如何将对应段与寄存器联系起来呢？

mov ax, Selector      ; Selector表示一个选择子
mov gs, ax            ; gs表示段寄存器

• 保护模式下的寻址

让我们解析下这个寻址过程：

1. 首先，我们在程序中使用的是逻辑地址(段:偏移的形式)
2. 段寄存器存储的是一个段描述符的选择子，指向GDT或LDT结构数组中的某个表项
3. 指向的段描述符结合偏移量在定位到线性地址(由它的基址、界限、属性决定)

实模式跳转到保护模式

分为6步

• 准备GDT
• 用lgdt加载gdtr
  • GdtPtr是个小的数据结构，共6个字节(前两个字节是GDT的界限，后4个字节是GDT的基地址)，把GDT的物理地址填充到这个数据结构中，然后执行指令lgdt [GdtPtr]将GdtPtr指示的6个字节加载到寄存器gdtr中
    
    gdtr寄存器与GdtPtr的结构完全一样
• 关中断
  • 执行指令cli
• 打开A20
  • 执行指令

; 打开地址线A20
in  al, 92h
or  al, 00000010b
out 92h, al

• 置cr0的PE位(第0个位置)为1
  • 寄存器cr0的PE位为0表示CPU运行于实模式，为1表示保护模式
  • 执行指令

; 准备切换到保护模式
mov eax, cr0
or  eax, 1
mov cr0, eax

• 跳转，进入保护模式
  • 此时cs寄存器的值还是实模式下的值，将代码段的选择子装入cs寄存器中
  • 执行指令jmp dword selector:0，selector根据自己的选择子替换，dword不可省略

初始化段描述符---程序解析

以下程序以代码段LABEL_DESC_CODE32为例

• 准备GDT的信息

[SECTION .gdt]
; GDT
;                              段基址,           段界限,           属性
LABEL_GDT:         Descriptor       0,                0,           0      ; 空描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor       0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32     ; 非一致代码段
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
SelectorCode32      equ LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT
SelectorVideo       equ LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt]

LABEL_GDT就是GDT的首地址了

• 初始化GDT：加载段选择子

xor eax, eax                 ; 清空 eax 寄存器
mov ax, cs                   ; 将当前代码段寄存器 cs 的值加载到 ax 寄存器
shl eax, 4                   ; 将 ax 寄存器的值左移4位（乘以16），获得段的线性地址
add eax, LABEL_DESC_CODE32   ; 将 LABEL_DESC_CODE32 的地址加到 eax 中，得到代码段的线性地址

• 初始化GDT：设置描述符的其他字段

mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax   ; 将 ax 寄存器的低16位存储到 LABEL_DESC_CODE32+2 的位置，这是段选择子
shr eax, 16                            ; 将 eax 寄存器右移16位，获得高16位
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al   ; 将 al 寄存器的低8位存储到 LABEL_DESC_CODE32+4 的位置，描述符的访问权限字节
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah   ; 将 ah 寄存器的高8位存储到 LABEL_DESC_CODE32+7 的位置，描述符的段基址的高字节

• 加载全局描述符表寄存器（GDTR）

xor eax, eax                  ; 清空 eax 寄存器
mov ax, ds                    ; 将数据段寄存器 ds 的值加载到 ax 寄存器
shl eax, 4                    ; 将 ax 寄存器的值左移4位（乘以16），获得全局描述符表（GDT）的基地址
add eax, LABEL_GDT            ; 将 LABEL_GDT 的地址加到 eax 中，得到完整的 GDT 的线性地址
mov dword [GdtPtr + 2], eax   ; 将 eax 的值存储到 GdtPtr+2 的位置，准备加载 GDTR 寄存器

lgdt    [GdtPtr]              ; 加载 GDTR