一个操作系统的设计与实现——第19章 IA32-e模式
19.1 64位段描述符与GDT
在32位操作系统中,我们使用的是平坦模型而非分段模型,从而,段描述符的段基址和段限长均成了摆设。在64位模式下,就连CPU也淘汰了分段模型,转而固定使用平坦模型。
64位代码段描述符如下图所示:
如图所示,由于固定使用平坦模型,段描述符中的段基址、段限长、粒度等位均被忽略或固定为0,此时的段描述符不再提供段基址,只能提供其是否存在、描述符类型、DPL等信息。
段描述符的第53位为L位,在保护模式中,这一位是段描述符中唯一的保留位,其正是为64位模式准备的,作用如下:
- 如果这一位为0,段描述符是32位的
- 否则,如果这一位为1,段描述符是64位的
对于数据段,ds
、es
、ss
均直接被忽略,fs
、gs
的段基址可由特殊方法设定,其他信息,如段限长等亦被忽略。这里的"特殊方法"将在后续章节中讨论。然而,在实际测试中笔者发现:在bochs
中,某些指令,如iretq
等,并不会忽略数据段描述符,这可能是bochs
的bug。因此,在我们的操作系统中仍然需要定义数据段描述符。
64位模式下的GDT仍然使用16位的表限长,但表的起始地址拓展到64位,也就是说,GDTR现在由一段2 + 8 == 10
字节的内存组成。
19.2 三级分页模式
一个页表或页目录表的大小都是一页,其中存放了1024个32位的地址,需要一个10位的二进制数作为其索引值。现在,如果将地址的宽度拓展到64位,表的大小不变,则一个表中能存放的地址数量就减少到512个,只需要一个9位的二进制数作为其索引值。
考察二级分页模式的虚拟地址,其由两个10位的索引值和一个12位的页内偏移量组成。如果使用上述方法将索引值减少到9位,虚拟地址就空出了两位,这两位可以构成第三个索引值,从而将分页层级扩展到三级。这种分页模式,就称为PAE(Physical-Address Extension,物理地址扩展)模式,或通俗的称为三级分页模式。
三级分页模式的第三个索引值只有两位,只能用于一个长度为4的表,这个表就称为页目录指针表(Page Directory Pointer Table,PDPT),其中的表项就称为页目录指针项(Page Directory Pointer Table Entry,PDPTE)。PDPT是三级分页模式的起点,其物理地址需要安装到cr3
中。PDPTE的存在位、权限位等与PDE/PTE相同。
三级分页模式是32位虚拟地址到64位物理地址的映射,因此,虽然虚拟地址还是32位的,只能表示4G内存,但通过反复切换cr3
中的PDPT,(理论上)就能访问到整个64位物理地址空间了。
19.3 四级与五级分页模式
三级分页模式明显是个很别扭的过渡产物,在64位CPU中,虚拟地址也拓展到了64位,此时,可以将虚拟地址拆成12 + 9 + 9 + 9 + 9 + 9 + 7 == 64
位,从而构造出六级分页模式。然而,这样的地址实在是太大了,远远超过了目前物理内存的实际大小,因此,出于成本和运行效率考虑,目前的CPU只支持四级或五级分页模式。
四级与五级分页模式中新增的表不再沿用PDPTE这样别扭的名称,而是简单的称为四级页表(Page Map Level 4,PML4)与五级页表(Page Map Level 5,PML5),其中的表项就称为四级页表项(Page Map Level 4 Entry,PML4E)与五级页表项(Page Map Level 5 Entry,PML5E)。PML4E、PML5E的存在位、权限位等与PDE/PTE相同。
IA32-e模式必须使用四级或五级分页模式,因此,我们的操作系统使用四级分页模式。PML4作为四级分页模式的起点,其物理地址需要安装到cr3
中。
四级分页模式只使用12 + 9 + 9 + 9 + 9 == 48
位虚拟地址,对于剩余的高位,CPU要求:虚拟地址的高16位必须与第47位一致,满足此要求的地址被称为规范地址(Canonical Address)。如果使用不规范的地址,CPU会抛出异常。
考察规范地址,可以发现其由以下两部分组成:
0x0000_0000_0000_0000 ~ 0x0000_7fff_ffff_ffff
0xffff_8000_0000_0000 ~ 0xffff_ffff_ffff_ffff
这两段地址的范围一样,并且都很大,因此,自然的适用于划分内核地址空间与任务地址空间,我们的操作系统正是这么做的。
在四级或五级分页模式下,如果将PDE的第7位置1,则可打开2M大页模式。此时,PDE不再指向页表,而是直接指向一个2M大页的起始地址,由虚拟地址中剩余的12 + 9 == 21
位构成页内偏移量。在我们的操作系统中,这个功能被多次使用。
19.4 进入IA32-e模式
硬件需要保持兼容性,因此,即使是64位的CPU,也要和以前一样,从实模式开始,先进入保护模式,再进入64位模式。
64位模式是个统称,其有两个子模式:兼容模式与IA32-e模式。兼容模式可在不回退到保护模式的前提下执行保护模式的代码,其也用于保护模式到IA32-e模式的过渡;IA32-e模式即为真正的64位模式。
想要进入IA32-e模式,就需要先进入保护模式,但无需打开二级分页模式。然后,通过以下步骤进入IA32-e模式:
- 安装四级分页模式所需的所有表,并将PML4的物理地址安装到
cr3
- 将
cr4
的第5位置1,这一步用于打开PAE模式,从而将页表中的地址视为64位的 - 将
IA32_EFER
的第8位置1,这一步用于打开IA32-e模式。这一步的实现细节将在下文中讨论 - 将
cr0
的第31位置1,打开四级分页模式 - 跳转到64位代码段
请看本章代码19/Mbr.s
:
第1~24行,进入保护模式。
第26~33行,将[0x100000, 0x200000)
和[0x90000, 0x92000)
这两段内存清零。这些内存的用途如下表所示:
地址 | 作用 |
---|---|
[0x100000, 0x101000) |
PML4 |
[0x101000, 0x200000) |
内核地址空间的255个PDPT |
[0x90000, 0x91000) |
低端2M内存使用的页目录表 |
[0x91000, 0x92000) |
保留给后续章节使用的页目录表 |
第35行,安装第一个PML4E,其用于过渡到分页模式,不与其他任务共享。
第37~46行,安装内核地址空间的255个PML4E。内核地址空间平分了一半的虚拟地址,因此本应有256个PML4E,但最后一个PML4E指向PML4本身,因此不参与循环。预先安装255个PML4E的目的是共享内核,其原理与二级页表一致,这里不再赘述。
第48行,安装最后一个PML4E,其指向PML4本身。这样做的目的是为内存管理做准备,其原理与二级页表一致,这里不再赘述。
第49行,在内核地址空间的第一个PDPT中安装第一个PDPTE,其指向0x90000
处的页目录表。
第50行,在0x90000
处的页目录表中安装第一个PDE,其指向起始地址为0的2M大页。我们的操作系统只使用2M物理内存,刚好可以被一个2M大页覆盖。
第52~53行,将PML4的物理地址安装到cr3
中。
第55~57行,将cr4
的第5位置1,打开PAE模式。
第59~62行,将IA32_EFER
的第8位置1,打开IA32-e模式。
IA32_EFER
是一个型号特定寄存器(Model-Specific Register,MSR),这里的EFER即扩展功能启用寄存器(Extended Feature Enable Register)。型号特定指的是仅在部分型号的CPU上才有,例如IA32_EFER
在不支持IA32-e模式的CPU上可能就是没有的。MSR有很多个,以至于难以对其进行命名。因此,诸如IA32_EFER
这样的名字只是方便书面记录,不能用在代码中,代码中实际使用的是MSR的编号,并使用rdmsr/wrmsr
指令对其进行读写。具体来说:
rdmsr/wrmsr
固定使用ecx
设定MSR的编号- 每个MSR都是64位的,
rdmsr/wrmsr
固定使用edx:eax
组合描述它 IA32_EFER
的编号是0xc0000080
第64~66行,打开分页模式。
第68行,跳转到64位代码段。
第70行,将后续代码以64位模式编译。
第74行,重新加载GDTR。在实模式下,lgdt
会读取6字节的内存,而在64位模式下,lgdt
指令会读取10字节的内存,因此,重新加载GDTR可将GDT抬升到高地址。
第76行,将rsp
抬升到高地址。
第78行,挂起CPU。
第80~87行,定义GDT。0号表项为空表项,这是GDT的要求;1~2号表项分别为保护模式下的0特权级代码段与数据段;3~4号表项分别为64位0特权级代码段与数据段;5~6号表项分别为64位3特权级数据段与代码段。4~6号表项在本章中未使用,保留给后续章节使用。细心的读者会发现:3~4号表项是先代码段,后数据段;但5~6号表项是先数据段,后代码段,这种别扭的写法是有意而为之的,将在后续章节中讨论。
第89~92行,定义GDTR。GDTR会被加载两次,第一次只使用前6字节,第二次则会使用完整的10字节。
第94~96行,填充MBR并设定MBR魔数。
19.5 编译与测试
请看本章代码19/Makefile
。
第2行,使用dd
命令创建一个虚拟硬盘,这比使用bximage
命令更方便。
第3~4行,编译MBR,并将其写入虚拟硬盘的0号扇区。
启动bochs
,可以观察到操作系统已经进入无限循环状态。
至此,我们已经进入IA32-e模式,接下来,就可以加载内核了。