进入保护模式（二）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记14

Love The Way You Lie 2022-08-19 13:21 125阅读 0赞

首先来段题外话：之前我发现我贴出的代码都没有行号，给讲解带来不便。所以从现在起，我要给代码加上行号。我写博客用的这个插入代码的插件，确实不支持自动插入行号。我真的没有找到什么好方法，无奈之下，只能按照网友的说法，在VIM中给每行代码加上行号，然后再贴出来。

在VIM中每一行都添加上行号的方法是：

:%s/^/\\=line(".")/

对，只要执行这个命令就可以了。至于为什么这样写，可以参考我的另一篇博文

《在VIM中添加行号的方法》[http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50569851][http_blog.csdn.net_longintchar_article_details_50569851]

我们接着上篇博文 [ 进入保护模式（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记12][_x86_12] 说。

## （五）设置PE位 ##

44         cli                                ;保护模式下中断机制尚未建立，应 
    45                                            ;禁止中断 
    46         mov eax,cr0
    47         or eax,1
    48         mov cr0,eax                        ;设置PE位

第44行，用于关中断。因为保护模式下的中断和实模式不同，所以原来的中断向量表不再适用，BIOS中断也不能再用，因为它们都是实模式下的代码。在重新配置保护模式下的中断环境之前，我们必须关中断。

CR0是处理器内部的一个控制寄存器，也是32位的（如下图，图片来自赵炯的《Linux内核完全剖析》）。

它的bit0是保护模式允许位（Protection Enable，PE）。当PE=1时，则处理器进入保护模式。

[![cr0][]][cr0 1]

第46~48用于设置CR0的bit0为1.

## （六）关于段寄存器 ##

我们知道，32位模式下，段寄存器有CS,DS,ES,SS,FS,GS. 这些段寄存器每个都分为2个部分，一个是16位的可见部分，一个是隐藏部分，称为描述符高速缓存器，用来存放段的线性基地址、段界限和段属性。如下图：

[![New0002段寄存器的格式][New0002]][New0002_New0002]

### 1.实模式下的内存访问 ###

在32位处理器上的实模式下，假如执行下面的代码。

mov cx,0x2000
    mov ds,cx
    mov [0xc0],al

CPU在把0x2000传送到DS的同时，还会把0x2000左移4位（0x20000）,传送到DS描述符高速缓存寄存器（段基地址部分仅低20位有效，高12位全部是0）。此后，只要不改变DS的内容，那么每次访问内存都直接使用DS描述符高速缓存寄存器的内容作为段地址。

### 2.保护模式下的内存访问 ###

在保护模式下，实模式的6个段寄存器叫做“段选择器”。尽管在访问内存的时候也要指定一个段，但是传送到段选择器的内容不是逻辑段地址，而是**段选择子（也叫段选择符）**。

如下图（图片来自赵炯的《Linux内核完全剖析》）所示，段选择子由三部分组成。

*  请求特权级RPL（Requested Privilege Level）：提供了段保护信息，我们以后会学习。现在只需设置为00即可。
 *  表指示标志TI（Table Index）：TI=0时，表示描述符在GDT中；TI=1时，表示描述符在LDT（我们以后会学习）中。
 *  索引值（Index）：描述符在GDT或者LDT中的索引项号。

[![段选择子][20160116204500675]][20160116204500675 1]

为了说明保护模式下的内存访问，我们回到代码。

56         mov cx,00000000000_10_000B         ;加载数据段选择子(0x10)
    57         mov ds,cx
    58
    59         ;以下在屏幕上显示"Protect mode OK." 
    60         mov byte [0x00],'P'  
    61         mov byte [0x02],'r'
    62         mov byte [0x04],'o'
    63         mov byte [0x06],'t'
    64         mov byte [0x08],'e'
    65         mov byte [0x0a],'c'
    66         mov byte [0x0c],'t'

第56、57行，将段选择子10000b传到段选择器DS中，从段选择子可以看出，RPL=0；TI=0（表示GDT）；索引号为2；

当处理器执行任何改变段选择器的指令时（比如mov、jmp far、call far、iret、retf等），就将指令中提供的索引号\*8作为偏移地址，同GDTR寄存器中的线性基地址相加，然后访问GDT。如果没有什么问题（比如超过了GDT的界限），就把找到的描述符加载到不可见的描述符高速缓存寄存器。此后，每当有访问内存的指令时，就不再访问GDT中的描述符，而是直接使用段寄存器的描述符高速缓存寄存器。

结合代码来说，第57行，处理器把2\*8（=16）作为偏移地址，同GDTR的内容（内容为0x00007e00）相加，得到0x0000\_7e16，根据这个地址找到描述符（就是我们之前创建的\#2描述符）

27         ;创建#2描述符，保护模式下的数据段描述符（文本模式下的显示缓冲区） 
    28         mov dword [bx+0x10],0x8000ffff     
    29         mov dword [bx+0x14],0x0040920b

然后，把这个描述符加载到高速缓存寄存器（包括线性基地址0x000b8000，段界限，段属性）。

第60行，执行这条指令时，处理器用DS描述符高速缓存寄存器中的线性基地址（0x000b8000，文本模式的显存起始地址）加上指令中的偏移量0x00，形成32位的物理地址0x000b8000，并将字符‘P’写入该处。

不仅仅是访问数据段，处理器访问代码段取指令的时候，也是采用相同的方法。假设CS描述符高速缓存寄存器已经装载了正确的32位线性基地址，那么处理器取指令的时候，会使用CS描述符高速缓存寄存器中的32位线性基地址加上EIP中的偏移量，构成32位的物理地址，根据这个物理地址从内存中取得指令。

## （七）清空流水线并串行化处理器 ##

正如前文所述，即使在实模式下，段寄存器的高速缓存寄存器也被用于访问内存。当处理器进入保护模式后，高速缓存寄存器的内容依然残留，但是这些内容在保护模式下是无效的。因此，比较安全的做法是尽快刷新段选择器，包括描述符高速缓存寄存器。

另外，在进入保护模式之前，很多指令已经进入了流水线。因为处理器工作在实模式下，所以它们都是按照16位操作数和地址长度进行译码的，即使是那些用bits32编译的指令，为了防止执行结果不正确，所以必须清空流水线。还用，那些通过乱序执行得到的中间结果也是无效的，所以必须清理掉，让处理器串化执行。

为了达到上述目的，我们可以采用远转移指令jmp或者远过程调用指令call。遇到这类指令，处理器一般会清空流水线并且串化执行；另一方面，远转移会重新加载CS，并刷新描述符高速缓存寄存器的内容。所以，强烈建议在设置了PE位后，立刻用jmp或者call转移到当前指令流的下一条指令上。

于是代码中有：

50         ;以下进入保护模式... ...
    51         jmp dword 0x0008:flush             ;16位的描述符选择子：32位偏移
    52                                            ;清流水线并串行化处理器 
    53         [bits 32] 
    54
    55    flush:
    56         mov cx,00000000000_10_000B         ;加载数据段选择子(0x10)
    57         mov ds,cx

第51行，是一条远转移指令。如果你忘记了jmp的用法，没有关系，可以参考我的另一篇博文[8086处理器的无条件转移指令——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记13][8086_x86_13]。

这条指令和位于它前面的指令一样，是默认用\[bits 16\]编译的。但是因为使用了关键字dword（注意：这里的dword是修饰偏移地址flush的），所以编译后的偏移地址是32位的。

如果51行这样写：

51         jmp  0x0008:flush             ;16位的描述符选择子：16位偏移

这样写是不严谨的。因为这样编译出来的目标地址是16位的。如果flush代表的地址是0x12345678，那么编译后会被截断成为0x5678，这显然是错的。所以这个跳转一定要加dword.

注意：因为设置了PE位，所以现在已经处于保护模式下了。所以处理器会把第一个操作数（0x0008）理解为段选择子，而不是是模式下的逻辑段基址。当51行的指令执行时，处理器会把选择子0x0008（索引号为1，TI=0，RPL=00）加载到CS，并把\#1描述符（定义了一个代码段，基地址是0x7c00，段界限是0x1ff，长度为0x200）加载到CS描述符高速缓存寄存器中。所以程序会转移到基地址为0x0000\_7c00的代码段内的某个位置执行。这个位置取决于偏移地址。偏移地址就是标号flush的汇编地址（因为指定了dword，所以编译后是32位的），处理器会用这个32位的数值来代替EIP的原有内容。于是，程序就转移到flush处了。

第53行，使用了伪指令\[bits 32\]，从这以后，指令是按照32位编译的。因为指令执行到这里的时候，已经真真正正地进入了保护模式了。

## （八）进入保护模式的主要步骤 ##

我们总结一下进入保护模式的主要步骤：

1.安装段描述符，构造GDT

2.用lgdt指令加载GDTR

3.打开A20

4.设置CR0的PE位为1

5.跳转，真正进入保护保护模式。

## （九）在屏幕上显示字符 ##

55    flush:
    56         mov cx,00000000000_10_000B         ;加载数据段选择子(0x10)
    57         mov ds,cx
    58
    59         ;以下在屏幕上显示"Protect mode OK." 
    60         mov byte [0x00],'P'  
    61         mov byte [0x02],'r'
    62         mov byte [0x04],'o'
    63         mov byte [0x06],'t'
    64         mov byte [0x08],'e'
    65         mov byte [0x0a],'c'
    66         mov byte [0x0c],'t'
    67         mov byte [0x0e],' '
    68         mov byte [0x10],'m'
    69         mov byte [0x12],'o'
    70         mov byte [0x14],'d'
    71         mov byte [0x16],'e'
    72         mov byte [0x18],' '
    73         mov byte [0x1a],'O'
    74         mov byte [0x1c],'K'

56、57行，前文已经说过，令DS指向文本模式的显示缓冲区。

60~74行，就是在屏幕左上角显示"Protect mode OK." 需要说明的是：不管是实模式还是保护模式，外围设备是不受影响的。

最后注意一点：

保护模式下，不允许使用mov指令改变段寄存器CS的内容。比如

mov cs,ax

这样写是不对的。这样做会导致处理器产生一个无效操作码的异常中断。

[http_blog.csdn.net_longintchar_article_details_50569851]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50569851
[_x86_12]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50513772
[cr0]: /images/20220731/6594702d8aa84f2aa57c8ba347039706.png
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[20160116204500675 1]: /images/20220731/ade13ed828764b88bba167b5cf575010.png
[8086_x86_13]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50529164