x86汇编分页模式实验 --《ORANGE'S一个操作系统的实现》中 pmtest8.asm解析
序言(废话) : 在看书的过程中发现一开始不是很能理解pmtest8的目的,以及书上说得很抽象..于是在自己阅读过源代码后,将一些自己的心得写在这里。
正文 :
讲解顺序依然按照书上贴代码的顺序来。但是是几乎逐句解释的。可能会稍微有点啰嗦。废话就不多说了直接贴代码。
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 SelectorFlatC equ LABEL_DESC_FLAT_C - LABEL_GDT SelectorFlatRW equ LABEL_DESC_FLAT_RW - LABEL_GDT
显然,两个分别是 FLAT_C 和 FLAT_RW 的描述符和选择子。
问题 : 为什么要有这两个东西?
解释 : FLAT_C是用来执行的非一致性32位代码段,粒度为4k,也就是 limit(段限长) = (0xfffff + 1) * 4k = 4G,FLAT_RW 是用来修改数据的,因为需要利用这个描述符的权限(可写)来将代码写入到目的地(这个目的地允许在 0 - 4G区间内)。之所以要分两个选择符,是防止在执行的时候修改代码(所以FLAT_C不能给写的权限),但是又必须在执行之前进行复制,所以一定要有一个入口能提供写入的方式,于是设置两个描述符来进行。这样既安全又有章法。
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 PageDirBase0 xor eax, eax mov eax, PageTblBase0 | PG_P | PG_USU | PG_RWW .1: ; es:edi 初始等于 PageDirBase0 (当前页目录表项), eax 初始基地址等于 PageTblBase0 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 PageTblBase0 xor eax, eax mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW .2: ; es:edi 初始等于 PageTblBase0 (当前页表项), eax = 0 (线性地址 = 物理地址) 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
这段代码我加注了两句注释 分别在 .1 和 .2 这两个标签那行,其实这里和之前的setPaging并没有很大的区别,需要注意的就是 这里的 页目录表 的地址是 PageDirBase0, 页表的地址是PageTblBase0,强调这点的原因在于之后的 PSwitch 这个函数中则是 PageDirBase1 和 PageTblBase1。也就是说实际上数据中有两个页面管理的数据结构(页目录表和页表合起来相当于一个管理页面的数据结构)。
1 PagingDemo: 2 mov ax, cs 3 mov ds, ax 4 mov ax, SelectorFlatRW ; 设置es为基地址为0的可读写的段(便于复制代码) 5 mov es, ax 6 7 push LenFoo 8 push OffsetFoo 9 push ProcFoo ; 00401000h 10 call MemCpy 11 add esp, 12 12 13 push LenBar ; 被复制代码段(但是以ds为段基址)的长度 14 push OffsetBar ; 被复制代码段(但是以ds为段基址)的段偏移量 15 push ProcBar ; 目的代码段的物理空间地址 00501000h 16 call MemCpy 17 add esp, 12 18 19 push LenPagingDemoAll 20 push OffsetPagingDemoProc 21 push ProcPagingDemo ; [es:ProcPagingDemo] = ProcPagingDemo = 00301000h 22 call MemCpy 23 add esp, 12 24 25 mov ax, SelectorData 26 mov ds, ax ; 数据段选择子 27 mov es, ax 28 29 call SetupPaging ; 启动分页 30 ; 当前线性地址依然等于物理地址 31 call SelectorFlatC:ProcPagingDemo 32 call PSwitch ; 切换页目录，改变地址映射关系 33 call SelectorFlatC:ProcPagingDemo 34 35 ret
在这里首先要说明的是 MemCpy函数,这个函数有三个参数分别表示 :
1）被复制段(但是以ds为段基址)的 长度
2）被复制段(但是以ds为段基址)的 段偏移量
3）目的地的物理空间地址(之所以说是物理空间是因为当前线性地址等于物理地址,以es为段基址,但是es的段基址为0)
功能则是 将被复制段 的数据复制 参数1)的长度字节 去目的地去(简单说就是利用三个参数复制数据)
我们可以知道的是在上面代码中三次调用 MemCpy 都没有进入分页模式,也就是说当下线性地址等于物理地址。那么根据我上面的注释就可以知道三个代码分别复制到哪里去了。
之后就是恢复数据段(之前将ds = cs,是为了复制代码),然后启动分页(上面已经讲了),然后启动分页后当前线性地址依然等于物理地址。
这个时候第一次调用 call SelectorFlatC:ProcPagingDemo,也就是访问的线性地址为 00301000h,物理地址也是 00301000h的代码(之前移动过去的)。
下面这段代码就是被移动到00301000h的代码,这段代码只做了一件事那就是调用 [cs:LinearAddrDemo]的代码,但请注意,由于 call SelectorFlatC:ProcPagingDemo
所以此时的 cs = SelectorFlatC,也就是说段基址等于0,于是实际上这段代码的功能就是访问 物理地址为00401000h处的代码。
PagingDemoProc: OffsetPagingDemoProc equ PagingDemoProc - $$ mov eax, LinearAddrDemo call eax ; 未开始PSwitch前, eax = ProcFoo = 00401000h (cs 的段基址 = 0) retf LenPagingDemoAll equ $ - PagingDemoProc
而物理地址00401000h处就是ProcFoo的代码(第一次调用MemCpy拷贝的代码)。被拷贝的代码如下
foo: OffsetFoo equ foo - $$ 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
功能很明显就是现实一个字符串 Foo而已。
总结第一次分页后的动作:
就是拷贝三份代码分别到ProcFoo, ProcBar, ProcPagingDemo 处(这四个都是物理内存哦,并且后面因为段基址是0(FLAT_C 段基址)于是很容易地就访问到了物理地址)。然后开启分页模式(其实几乎没什么影响 因为仍然和分段一样 线性地址 = 物理地址)。然后调用 被拷贝的函数 ProcPagingDemo ,ProcPagingDemo 函数调用 ProcFoo函数,显示字符 "Foo"然后两次返回(ret)。
修改页表后 : call PSwitch
被调用代码如下 :
1 PSwitch: 2 ; 初始化页目录 3 mov ax, SelectorFlatRW 4 mov es, ax 5 mov edi, PageDirBase1 ; 此段首地址为 PageDirBase1 6 xor eax, eax 7 mov eax, PageTblBase1 | PG_P | PG_USU | PG_RWW 8 mov ecx, [PageTableNumber] 9 .1: ; es:edi 初始等于 PageDirBase1 (当前页目录表项), eax 初始基地址等于 PageTblBase1 10 stosd 11 add eax, 4096 ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的. 12 loop .1 13 14 ; 再初始化所有页表 15 mov eax, [PageTableNumber] ; 页表个数 16 mov ebx, 1024 ; 每个页表 1024 个 PTE 17 mul ebx 18 mov ecx, eax ; PTE个数 = 页表个数 * 1024 19 mov edi, PageTblBase1 ; 此段首地址为 PageTblBase1 20 xor eax, eax 21 mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW 22 .2: ; es:edi 初始等于 PageTblBase1 (当前页表项), eax 初始基地址等于 0(线性地址等于物理地址) 23 stosd 24 add eax, 4096 ; 每一页指向 4K 的空间 25 loop .2 26 27 ; 在此假设内存是大于 8M 的 28 ; 下列代码将LinearAddrDemo所处的页表的相对第一个页表的偏移地址放入ecx中 29 mov eax, LinearAddrDemo 30 shr eax, 22 31 mov ebx, 4096 ; (LinearAddrDemo / 4M)表示第几个页表 32 mul ebx ; 第几个页表 * 4k (1024(一个页表项的数量) * 4(一个页表项的字节)) 33 mov ecx, eax ; 也就是对应页表的偏移地址 34 35 ; 下列代码将LinearAddrDemo所处的页表项相对第一个页表项的偏移地址放入eax中 36 mov eax, LinearAddrDemo 37 shr eax, 12 ; LinearAddrDemo / 4k,表示第几个页表项 38 and eax, 03FFh ; 1111111111b (10 bits) ; 取低10位,也就是余下的零散页表项(一个页表有2^10个页表项) 39 mov ebx, 4 40 mul ebx ; * 4 表示的是具体偏移字节数 41 add eax, ecx ; eax = (((LinearAddrDemo / 2^12) & 03FFh) * 4) + (4k * (LinearAddrDemo / 2^22)) 42 43 44 add eax, PageTblBase1 ; 第一个页表的第一个页表项 45 mov dword [es:eax], ProcBar | PG_P | PG_USU | PG_RWW 46 47 mov eax, PageDirBase1 48 mov cr3, eax 49 jmp short .3 50 .3: 51 nop 52 53 ret
在这里我加了几个比较重要的注释分别在第 9, 22, 28,35处。
这段代码做了什么?
首先是设置页面管理的数据结构(页表和页目录表),但是需要注意的是,这里设置页表和页目录表除了不是之前的页面管理结构之外,其实内容是差不多的,也就是说当前(第25行)这里的状态也是 线性地址 = 物理地址 ！！！
但是在第27行做了一个操作,就是将LinearAddrDemo对应的 页表项的地址(00401000h) 换成了 ProcBar(00501000h) 的地址。(具体如何实现的请看27-45行我写的注释)。
在做完这些之后就返回第二次执行 call SelectorFlatC:ProcPagingDemo 了,在这个时候 cs = SelectorFlatC (段基址等于0), eip = ProcPagingDemo = 00301000h,也就是说访问了
线性地址 = 物理地址 = 00301000h 处,然后开始调用
mov eax, LinearAddrDemo call eax
但是第二次调用时这里已经被修改,当call eax 时候,跳转的线性地址应该是 0:00401000h,但是访问的物理地址却是 0:00501000h
于是便调用了 ProcBar 段的代码,而这段的代码是第二次调用MemCpy时候复制到物理地址 0:0x501000h 的。被复制的具体代码是:
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
也就是显示一个字符串 "Bar", 然后返回到PagingDemo的最后一句 ret,再次返回。于是这段代码也就结束了。
第二次代码是如何实现调用 ProcBar的？
通过将线性地址 = PaocFoo (00401000h)对应的页表项的地址值给修改成了 PaocBar(00501000h)的物理地址,于是从 00401000h 的线性地址 映射到 00501000h的物理地址上去了,
但是其实其他地方(除了这个页之外)的线性地址 = 物理地址依然成立。也是上面这段代码很小,一定是小于 4k(一页的大小)，于是只需要修改一个页表项就可以了！
