MacOS环境-手写操作系统-04-实模式进入保护模式 原创

实模式进入保护模式

文章写于两年前的 MacBookAir(2015)
目前笔者为 MacBookPro M1 (抽查了部分 都运行正常)
Github项目地址: https://github.com/wdkang123/MyOperatingSystem
MacOS X86架构（x新版的arm架构的我没有 所以大家自行测试)
VirtualBox
C/C++环境 （Xcode必装）

1.简介

从实模式到保护模式

保护模式 最重要的就是“保护”两字

有了“保护”功能后 CPU为软件提供了很多的功能 当然也有了很多的限制

但是“保护”并不是几行字能描述清楚的 所以先把代码跑起来

2.汇编

%include "pm.inc"

org   0x9000

jmp   LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
 ;                                  段基址          段界限                属性
LABEL_GDT:          Descriptor        0,            0,                   0  
LABEL_DESC_CODE32:  Descriptor        0,      SegCode32Len - 1,       DA_C + DA_32
LABEL_DESC_VIDEO:   Descriptor     0B8000h,         0ffffh,            DA_DRW

GdtLen     equ    $ - LABEL_GDT
GdtPtr     dw     GdtLen - 1
           dd     0

SelectorCode32    equ   LABEL_DESC_CODE32 -  LABEL_GDT
SelectorVideo     equ   LABEL_DESC_VIDEO  -  LABEL_GDT

[SECTION  .s16]
[BITS  16]
LABEL_BEGIN:
     mov   ax, cs
     mov   ds, ax
     mov   es, ax
     mov   ss, ax
     mov   sp, 0100h

     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

     xor   eax, eax
     mov   ax, ds
     shl   eax, 4
     add   eax,  LABEL_GDT
     mov   dword  [GdtPtr + 2], eax

     lgdt  [GdtPtr]

     cli   ;关中断

     in    al,  92h
     or    al,  00000010b
     out   92h, al

     mov   eax, cr0
     or    eax , 1
     mov   cr0, eax

     jmp   dword  SelectorCode32: 0

     [SECTION .s32]
     [BITS  32]
LABEL_SEG_CODE32:
    mov   ax, SelectorVideo
    mov   gs, ax
    mov   si, msg
    mov   ebx, 10
    mov   ecx, 2
showChar:
    mov   edi, (80*11)
    add   edi, ebx
    mov   eax, edi
    mul   ecx
    mov   edi, eax
    mov   ah, 0ch
    mov   al, [si]
    cmp   al, 0
    je    end
    add   ebx,1
    add   si, 1
    mov   [gs:edi], ax
    jmp    showChar
end: 
    jmp   $
    msg:
    DB     "Protect Mode", 0

SegCode32Len   equ  $ - LABEL_SEG_CODE32

再看看 pm.inc 的内容

%macro Descriptor 3
    dw    %2  &  0FFFFh
    dw    %1  &  0FFFFh
    db   (%1>>16) & 0FFh
    dw   ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)
    db   (%1 >> 24) & 0FFh
%endmacro


DA_32       EQU 4000h   ; 32 位段
DA_C        EQU 98h ; 存在的只执行代码段属性值
DA_DRW      EQU 92h ; 存在的可读写数据段属性值

对上面的代码进行编译

nasm -o kernel.bat kernel.asm

从LABEL_SEG_CODE32: 这一部分开始 代码就执行在保护模式下 这段代码的作用就是显示一串字符 gs是计算机的一个寄存器 它跟eax,ebx这些寄存器差不多 但作用更为单一 主要用来指向显存 当我们将信息写入gs指向的内存后 信息会显示到屏幕上

用于显示字符的显存，内存地址从0XB800h开始，从该地址开始，每两个字节用来在屏幕上显示一个字符 这两个字节中 第一个字节的信息用来表示字符的颜色 第二个字节用来存储要显示的字符的ASCII值 屏幕一行能显示80个字符 大家看到代码中有语句

mov edi, (80*11)

这表明我们要从第11行开始显示字符，接下来又有语句：
add edi, ebx

其中，ebx的值是11，这表明我们要从第11行的第10列开始显示字符串，接下来的语句是：
mov eax, edi
mul ecx

ecx的值是2 这个2就是我们前面说过的显示一个字符需要两个字节

上面几句汇编语句的作用是：
eax = ((80*11) + 10) * 2
这样eax就指向了第11行第11列所在的显存位置

接下来语句：
mov ah, 0ch
它的作用是在用来显示字符的两字节中，对第一个字节放入数值0ch,也就是设置字符的颜色，接下来的语句：

mov al, [si]
将寄存器si指向的字符的ascii值写入到第二个字节，这样，字符就显示到屏幕上了。

大家注意寄存器si的用法：[si]. si相当于C语言中的一个指针，指向内存某个地址，[si]就是读取si指向的内存地址的信息，等同于 c语言中的*(si)

3.保护模式显著特点

1.寻址空间从时模式的1M增强到4G
2.不同的代码拥有不同的优先级，优先级高的能够执行特殊指令，优先级低的，某些重要指令就无法执行。

要想进入保护模式 我们需要解决两个问题：

（1）如何获取超过1M以上的内存地址

（2）如何设置不同代码所具有的优先级

我们先看看寻找能力的变化，在实模式下，cpu是16位的，寄存器16位，数据总线16位，地址总线20位

于是寻找的范围必然受限于20位的地址总线，所以寻找范围无法超过1M(2^20).

要想实现4GB的寻址 我们必须使用32位来表示地址 intel是这么解决这个问题的，他们用连续的8个字节组成的结构体来解决一系列问题：
byte0
byte1
……
byte7

其中，字节2，3，4以及字节7，这四个字节合在一起总共有32位，这就形成了一个32位的地址。

同时把字节0，字节1，以及将字节6的拆成两部分，各4个bits,前4个bits跟字节0，字节1合在一起，形成一个20个bit的数据，用来表示要访问的内存长度

这样，我们就解决了内存寻址的问题

4.pm.inc

pm.inc里面的宏定义就是我们说的7字节数据结构

%macro Descriptor 3
表示要初始化该数据结构 需要传入3个参数 :

(1) %1表示引用第一个参数

(2) %2表示引用第二个参数

初始化该结构时，输入的一个参数是内存的地址，大家看语句：
dw %1 & 0FFFFh
db (%1>>16) & 0FFh
这两句就是把内存地址的头三个字节放入到byte2,byte3,byte4,最后一句：

db (%1 >> 24) & 0FFh
就是讲地址的第4个字节放入到byte7. 初始化数据结构的第二个参数表示的是要访问的内存的长度，大家看语句：

dw %2 & 0FFFFh
就是把内存长度的头两个字节写入byte0,byte1,语句：

dw ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)
中的((%2 >> 8) & 0F00h)就是把内存长度的第16-19bit写入到byte6的前4个bit

由此要访问的内存和内存的长度就都设置好了

5.编译运行

将第2.汇编的代码进行编译

nasm boot.asm -o boot.bat

nasm kernel.asm -o kernel.bat

打开 java 工程 生成 system.img

最后 装载运行