存储器的保护（三）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记20

水深无声 2022-08-21 03:22 212阅读 0赞

# 存储器的保护（三） #

> 修改本章代码清单，使之可以检测1MB以上的内存空间（从地址0x0010\_0000开始，**不考虑高速缓存的影响**）。要求：对内存的读写按双字的长度进行，并在检测的同时显示已检测的内存数量。建议对每个双字单元用两个花码0x55AA55AA和0xAA55AA55进行检测。

上面的文字选自原书第12章的习题1.  
这篇博文就讨论一下这道题。由于是初学，我不对自己做太高的要求，只要实现功能即可。

## 代码清单 ##

;文件说明：第12章习题-1
            ;创建日期：2016-3-7
    
    
            ;--------- equ some colors
    
            GREEN         equ 0x02
            RED           equ 0x04
            BLUE_LIGHT    equ 0x09
            YELLOW        equ 0x0e
    
            MEMORY_START  equ 0x100000
            MEMORY_END    equ 0x800000
            MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位
    
            LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示2的6次方
            BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置
    
            ;设置堆栈段和栈指针 
            mov eax,cs      
            mov ss,eax
            mov sp,0x7c00
    
            mov ah,0x00; 清屏
            mov al,0x03
            int 0x10
    
            ;计算GDT所在的逻辑段地址
            mov eax,[cs:pgdt+0x7c00+0x02]      ;GDT的32位线性基地址 
            xor edx,edx
            mov ebx,16
            div ebx                            ;分解成16位逻辑地址 
    
            mov ds,eax                         ;令DS指向该段以进行操作
            mov ebx,edx                        ;段内起始偏移地址 
    
            ;跳过0#描述符
    
    
            ;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
            mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0，段界限为0xfffff
            mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB，存储器段描述符 
    
            ;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
            mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节 
            mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节，代码段描述符 
    
            ;创建栈段描述符
            mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
            mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600
    
            ;初始化描述符表寄存器GDTR
            mov word [cs: pgdt+0x7c00],31      ;描述符表的界限   
    
            lgdt [cs: pgdt+0x7c00]
    
            in al,0x92                         ;南桥芯片内的端口 
            or al,0000_0010B
            out 0x92,al                        ;打开A20
    
            cli                                ;中断机制尚未工作
    
            mov eax,cr0
            or eax,1
            mov cr0,eax                        ;设置PE位
    
            ;以下进入保护模式... ...
            jmp dword 0x0010:flush             ;16位的描述符选择子：32位偏移
    
            [bits 32]                          
    flush:                                     
    
            mov eax,0x0008                     ;加载数据段(0..4GB)选择子; ds,es,fs,gs指向了(0..4G)
            mov ds,eax   
            mov es,eax
            mov fs,eax
            mov gs,eax
    
            mov eax,0x0018                   ;加载栈段选择子
            mov ss,eax
            xor esp,esp                        ;ESP <- 0    
    
            ; 绘制白色条
            push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
            push BAR_POSITION
            push 0x7720 ; white block
            call put_char
    
            push 21*80+25
            push BLUE_LIGHT
            push MEMORY_SIZE
            call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）
    
            ; 显示 '/'
            push 1
            push 21*80+23
            push 0x092f ; 蓝色的'/'
            call put_char
    
            xor ecx,ecx          ;计数器清零，记录检测了多少个双字
            mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址 
    
    ;-----------------------------------------------------  
    exam:   ;显示正在检测的地址
            push 21*80+6
            push YELLOW
            push ebx
            call show_hex_dword
    
            mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
            cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
            jnz err
    
            mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
            cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
            jnz err
    
            add ebx,4    ;地址增加4个字节
            inc ecx
    
            push 21*80+15
            push BLUE_LIGHT
            push ecx
            call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）
    
            push BAR_POSITION  ;绘制进度条
            push ecx
            push MEMORY_SIZE
            call draw_progress_bar
    
            cmp ebx,MEMORY_END  
            jnz exam
    
    err:          
            hlt 
    
    ;--------------------------------------     
    ;功能：在指定位置显示N个字符
    ;输入: push 显示的个数
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 属性和字符  
    ;返回：无
    
    put_char:
            pushad
            mov ebp,esp
            mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
            mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
            mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字
    
    put:
            mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
            inc ebx
            loop put
    
            popad
            ret 3*4
    
    ;-----------------------------------------      
    ;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
    ;输入: 
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 分子
    ;      push 分母       
    ;返回：无   
    
    draw_progress_bar:
            pushad
            mov ebp,esp
            mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
            mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
            mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母
    
            shr ebx,LENGTH_OF_BAR
            xor edx,edx
            div ebx
            cmp eax,1
            jb out
    
            push eax
            push esi
            push 0x2020; 绿色背景，空格
            call put_char
    
    out:
            popad
            ret 3*4         
    
    ;-----------------------------------
    ;功能：在指定位置显示16进制的数字
    ;输入: 
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 属性
    ;      push 要显示的值       
    ;返回：无   
    
    show_hex_dword:
            pushad
    
            mov ebp,esp
            mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y) 
            mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value
    
            mov ebx,16
            xor ecx,ecx
    
    remainder:  
            xor edx,edx
            div ebx
    
            inc ecx
            push edx
            cmp eax,0
            jnz remainder
    
            mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
    print:  
            pop ebx
            mov al,[cs:string_hex+ebx]      
            mov [es:0xb8000+esi*2],ax
            inc esi
            loop print
    
            popad
            ret 3*4         
    ;-------------------------------------------------------------------------------
            pgdt     dw 0
                     dd 0x00007e00      ;GDT的物理地址
    
            string_hex: db'0123456789ABCDEF'
    ;-------------------------------------------------------------------------------                             
            times 510-($-$$) db 0
            db 0x55,0xaa

## 代码分析 ##

### 设计思路 ###

1.  这个程序实现的主要功能是：检测1MB以上的内存空间，比如检测物理地址为1M~8M的单元。
2.  检测方法是向每个双字单元写入0x55aa55aa，并读出来和0x55aa55aa做比较，如果相等，则再写入0xaa55aa55，并读出来和0xaa55aa55作比较，如果相等，那么这个双字单元是OK的，把物理地址加上4，继续检测。如果读出的和写入的不相等，那么检测出错，程序停止。
3.  检测的时候，显示正在检测的内存地址
4.  显示一个进度条
5.  显示“已经检测的内存数 / 总共需要检测的内存数”

下面我们分析具体的实现。不打算逐行讲述所有代码，仅选择重点部分讲解。

### 定义一些常量 ###

GREEN         equ 0x02 ; 黑底绿字
            RED           equ 0x04 ; 黑底红字
            BLUE_LIGHT    equ 0x09 ; 黑底蓝色字
            YELLOW        equ 0x0e ; 黑底黄字
    
            MEMORY_START  equ 0x100000
            MEMORY_END    equ 0x800000
            MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位
    
            LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示2的6次方
            BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

前四行定义了字符属性；  
中间三行定义了要检测的内存起始地址，结束地址（检测不包含结束地址），还有检测的内存大小（以双字为单位）。之所以用equ定义是因为修改起来方便。  
`LENGTH_OF_BAR equ 6 ; 表示2的6次方`  
这句话表示进度条的总长度占64（2^6=64）个字符，当然可以根据需要修改。但应该是2的N次方（具体原因下文会说明）。  
`BAR_POSITION equ 10*80+4 ;进度条的位置`  
这行定义了进度条的位置，如果是x行y列，对应的表示就是(x\*80+y);因为一行有80个字符。

### 清屏 ###

mov ah,0x00; 清屏
            mov al,0x03
            int 0x10

这三行代码是为了清屏。具体原理可以参见我的博文《BIOS功能调用之滚屏与清屏》

[http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50806752][http_blog.csdn.net_longintchar_article_details_50806752]

### 创建GDT ###

;跳过0#描述符
    
    
            ;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
            mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0，段界限为0xfffff
            mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB，存储器段描述符 
    
            ;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
            mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节 
            mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节，代码段描述符 
    
            ;创建栈段描述符
            mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
            mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600

以上代码用于创建GDT。由于想在引导程序中实现全部功能，所以编译后的文件不能超过512字节。为了节省笔墨，我跳过了0\#描述符。  
关于代码段，必须是可读的，因为过程“show\_hex\_dword”需要访问代码段中的一个表格：  
`string_hex: db'0123456789ABCDEF'`  
关于栈段描述符的定义，具体讲解参见 **存储器的保护（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记18** [http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50759826][http_blog.csdn.net_longintchar_article_details_50759826]

### 绘制白色条 ###

; 绘制白色条
            push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
            push BAR_POSITION
            push 0x7720 ; white block
            call put_char

这里调用了过程 put\_char

;--------------------------------------     
    ;功能：在指定位置显示N个字符
    ;输入: push 显示的个数
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 属性和字符   
    ;返回：无
    
    put_char:
            pushad
            mov ebp,esp
            mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
            mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
            mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符
    
    put:
            mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
            inc ebx
            loop put
    
            popad
            ret 3*4

以前我们都是用寄存器传递参数，这次我们用栈传递参数。在调用过程之前，先按照要求把参数压入栈中。当进入过程，执行完pushad这条指令后，栈的情况如下图：

![cTQffu5.png][]  
这里用到了pushad和popad指令，如果你不懂的话，可以参考我的另一篇博文：

《PUSHA/PUSHAD POPA/POPAD 指令详解》

[http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50866801][http_blog.csdn.net_longintchar_article_details_50866801]

所以以下四行就可以取得栈中的参数。

mov ebp,esp
            mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
            mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
            mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符

还有一点需要说明，  
`ret 3*4` 这句话使用了带操作数的过程返回指令。这种用法在原书P278页讲解了。  
如果希望在过程返回的同时，顺便弹出调用者压入的参数（使栈平衡），那么可以用带操作数的过程返回指令。指令格式是：

ret imm16
        retf imm16

这两条指令都允许用16位的立即数作为参数，不同之处仅在于前者是近返回，后者是远返回。立即数一般总是偶数，原因是栈操作总是以字或者双字进行。立即数的值表示在过程返回时应当从栈中弹出多少**字节**的数据。  
对于我们的`put_char`过程，因为调用的时候压入了3个参数（3\*4=12字节），所以`ret`后面的参数是12.

`push 0x7720` 这句表示压入白底的空格符，显示出来就是白色的小方块了。

### 显示总共要检测的内存数量（以双字为单位） ###

push 21*80+25
            push BLUE_LIGHT
            push MEMORY_SIZE
            call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）

依然用栈来传递参数，调用了过程`show_hex_dword`；

;-----------------------------------
    ;功能：在指定位置显示16进制的数字
    ;输入: 
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 属性
    ;      push 要显示的值       
    ;返回：无   
    
    show_hex_dword:
            pushad
    
            mov ebp,esp
            mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y) 
            mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value
    
            mov ebx,16
            xor ecx,ecx
    
    remainder:  
            xor edx,edx
            div ebx
    
            inc ecx
            push edx
            cmp eax,0
            jnz remainder
    
            mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
    print:  
            pop ebx
            mov al,[cs:string_hex+ebx]      
            mov [es:0xb8000+esi*2],ax
            inc esi
            loop print
    
            popad
            ret 3*4

这段代码的功能就是在指定的位置（压入第一个参数，比如3行4列就写 `push 3*80+4`）,显示指定属性（压入第二个参数，仅低字节有效，比如绿色`0x02`）的16进制数字（压入第三个参数，比如想在屏幕上显示16进制的8b9c,那么就`push 0x8b9c`）.  
这段代码的设计思路就是把要显示的数不断除以16（因为是以16进制显示），并且把余数压栈，直到商等于0.之后再从栈依次弹出余数，把余数作为索引值查表，将对应的字符写到屏幕上。查表的关键语句是：

mov al,[cs:string_hex+ebx]

表格定义在源文件的倒数第三行

string_hex: db'0123456789ABCDEF'

因为查表需要对代码段进行访问，所以在创建代码段描述符的时候，一定要让代码段可读。

### 开始内存检测 ###

xor ecx,ecx          ;计数器清零，记录检测了多少个双字
            mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址

在检测之前，计数器清零，检测的起始地址传送到EBX寄存器。

exam:   ;显示正在检测的地址
            push 21*80+6
            push YELLOW
            push ebx
            call show_hex_dword
    
            mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
            cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
            jnz err
    
            mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
            cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
            jnz err
    
            add ebx,4    ;地址增加4个字节
            inc ecx
    
            push 21*80+15
            push BLUE_LIGHT
            push ecx
            call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）
    
            push BAR_POSITION  ;绘制进度条
            push ecx
            push MEMORY_SIZE
            call draw_progress_bar
    
            cmp ebx,MEMORY_END  
            jnz exam
    
    err:          
            hlt

上面的代码就是内存检测的主体部分了。  
首先显示正在检测的地址（要检测的地址在ebx中）。然后向这个地址写入花码，并读出比较，如果不相等，就跳转到

err:          
            hlt

如果相等，则ebx加上4，ecx加上1，并且显示ecx的值，绘制进度条，然后继续检测。

### 绘制进度条 ###

;-----------------------------------------      
    ;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
    ;输入: 
    ;      push (x*80+y)，  表示x行y列
    ;      push 分子
    ;      push 分母       
    ;返回：无   
    
    draw_progress_bar:
            pushad
            mov ebp,esp
            mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
            mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
            mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母
    
            shr ebx,LENGTH_OF_BAR
            xor edx,edx
            div ebx
            cmp eax,1
            jb out
    
            push eax
            push esi
            push 0x2020; 绿色背景，空格
            call put_char
    
    out:
            popad
            ret 3*4

上面的这个过程是在指定的位置绘制进绿色的进度条，要求压入三个参数。第一个是位置，第二个是分子，第三个是分母。  
比如说要检测160个双字，当前已经检测了10个了，那么第二个参数就是10，第三个参数就是160。如果之前的白色条的长度是64，那么就绘制64\*（10/160）=4个绿色方块。看上去的效果就是绿色条的长度是总长度的十六分之一。  
在每次检测4个字节后，我们就调用这个过程，这样程序运行后就有一个动画效果了。  
这个过程实现的关键是计算出要绘制多少个绿色空格。  
假设白色空格数可以表示成2的m次方。  
计算公式推导如下图：  
![TZlld9r.png][]

根据公式，我们把ebx右移LENGTH\_OF\_BAR（=6）位，作为除数，被除数就在eax中，然后edx清零，再然后  
edx:eax / ebx(移位运算后的值) = eax …edx  
余数舍去，假如计算出来画1.5个方块，那么就绘制1个。  
需要注意的是，计算后eax的值可能为0，如果为0就一定要跳出，一个绿色方块也不绘制。  
如果eax大于等于1，那么调用过程`put_char`绘制绿色方块。

好了，整个代码的分析就到这里了，我们赶紧看看结果吧。  
![tus8iXE.png][]

检测结束后：  
![7CTpR8W.png][]

【end】

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