x86汇编-从实模式到保护模式

注释

注释必须以分号“;”开始。

在屏幕上显示文字

文本模式和图形模式是显卡的两种基本工作模式，可以用指令访问显卡，设置它的显示模式。在不同的工作模式下，显卡对显存内容的解释是不同的。

为了访问显存，也需要使用逻辑地址，也就是采用“段地址：偏移地址”的形式

Intel的处理器不允许将一个立即数传送到段寄存器，它只允许这样的指令：

Code

mov 段寄存器，通用寄存器 
mov 段寄存器，内存单元

         mov ax,0xb800                 ;指向文本模式的显示缓冲区
         mov es,ax

显示字符

Code

mov byte [es:0x00],'L'
mov byte [es:0x01],0x07          ;将属性值0x07传送到下一个内存单元
mov byte [es:0x02],'a'
mov byte [es:0x03],0x07
mov byte [es:0x04],'b'
mov byte [es:0x05],0x07

显示标号的汇编地址

asm编译后，除了生成一个以“.bin”为扩展名的二进制文件，还会生成一个以“.lst”为扩展名的列表文件。这张表列出编译后生成的列表文件内容。

在编译阶段，每条指令都被计算并赋予了一个汇编地址，就像它们已经被加载到内存中的某个段里一样。实际上，当编译好的程序加载到物理内存后，它在段内的偏移地址和它在编译阶段的汇编地址是相等的。

源程序的编译是从上往下的，而内存地址的增长是从下往上的（从低地址往高地址方向增长）。

loop

loop指令的功能是重复执行一段相同的代码，处理器在执行它的时候会顺序做两件事： 将寄存器CX的内容减一； 如果CX的内容不为零，转移到指定的位置处执行，否则顺序执行后面的指令。

计算1到100的和

Code

    xor ax,ax
    mov cx,1
@f:
    add ax,cx
    inc cx
    cmp cx,100
    jle @f

分段、段的汇编地址和段内汇编地址

Code

Intel处理器要求段在内存中的起始物理地址起码是16字节对齐的。这句话的意思是，必须是16的倍数，或者说该物理地址必须能被16整除。
相应地，汇编语言源程序中定义的各个段，也有对齐方面的要求。具体做法是，在段定义中使用“align=”子句，用于指定某个SECTION的汇编地址对齐方式。比如说，“align=16”就表示段是16字节对齐的，“align=32”就表示段是32字节对齐的。
段的重定位是加载器的工作，它需要知道每个段在用户程序内的位置，即它们分别位于用户程序内的多少字节处。为此，需要在用户程序头部建立一张段重定位表。

实模式下的中断向量表

在实模式下，处理器要求将与该中断有关的程序（指令）的入口点集中存放到内存中从物理地址0x00000开始，到0x003ff结束，共1KB的空间内，这就是所谓的中断向量表（Interrupt Vector Table，IVT）。

初始化8259、RTC和中断向量表

当处理器执行任何一条改变堆栈段寄存器SS的指令时，它会在下一条指令执行完期间禁止中断。

绝大多数时候，对堆栈的改变是分两步进行的：先改变段寄存器SS的内容，接着又修改堆栈指针寄存器SP的内容。

软 中 断

int3和int 3不是一回事。前者的机器码为CC，后者则是CD 03，这就是通常所说的int n，其操作码为0xCD，第2字节的操作数给出了中断号。

into是溢出中断指令，机器码为0xCE，也是单字节指令。当处理器执行这条指令时，如果标志寄存器的OF位是1，那么，将产生4号中断。否则，这条指令什么也不做。

32位保护模式

32位Intel微处理器编程架构

80286和8086不一样的地方在于，它第一次提出了保护模式的概念。在保护模式下，段寄存器中保存的不再是段地址，而是段选择子，真正的段地址位于段寄存器的描述符高速缓存中，是24位的。因此，运行在保护模式下的80286处理器可以访问全部16MB内存。

在保护模式下，所有的32位处理器都可以访问多达4GB的内存，它们可以工作在分段模型下，每个段的基地址是32位的，段内偏移量也是32位的，因此，段的长度不受限制。在最典型的情况下，可以将整个4GB内存定义成一个段来处理，这就是所谓的平坦模式。在平坦模式下，可以执行4GB范围内的控制转移，也可以使用32位的偏移量访问任何4GB范围内的任何位置。32位保护模式兼容80286的16位保护模式。

在实模式下，用户程序对内存的访问非常自由，没有任何限制，随随便便就可以修改任何一个内存单元。

全局描述符表

为了让程序在内存中能自由浮动而又不影响它的正常执行，处理器将内存划分成逻辑上的段，并在指令中使用段内偏移地址。在保护模式下，对内存的访问仍然使用段地址和偏移地址，但是，在每个段能够访问之前，必须先进行登记。

和一个段有关的信息需要8个字节来描述，所以称为段描述符（Segment Descriptor），每个段都需要一个描述符。为了存放这些描述符，需要在内存中开辟出一段空间。在这段空间里，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，这就构成一个描述符表。
最主要的描述符表是全局描述符表（Global Descriptor Table，GDT），所谓全局，意味着该表是为整个软硬件系统服务的。在进入保护模式前，必须要定义全局描述符表。

描述符不是由用户程序自己建立的，而是在加载时，由操作系统根据你的程序结构而建立的，而用户程序通常是无法建立和修改GDT的。

存储器的段描述符

Code

段基地址可以是0～4GB范围内的任意地址，不过，还是建议应当选取那些16字节对齐的地址。尽管对于Intel处理器来说，允许不对齐的地址，但是，对齐能够使程序在访问代码和数据时的性能最大化。这一点，对于那些学过计算机原理，特别是了解内存芯片组织的人来说，是最清楚不过的。
20位的段界限用来限制段的扩展范围。因为访问内存的方法是用段基地址加上偏移量，所以，对于向上扩展的段，如代码段和数据段来说，偏移量是从0开始递增，段界限决定了偏移量的最大值；对于向下扩展的段，如堆栈段来说，段界限决定了偏移量的最小值。
G位是粒度（Granularity）位，用于解释段界限的含义。当G位是“0”时，段界限以字节为单位。此时，段的扩展范围是从1字节到1兆字节（1B～1MB），因为描述符中的界限值是20位的。相反，如果该位是“1”，那么，段界限是以4KB为单位的。这样，段的扩展范围是从4KB到4GB。
S位用于指定描述符的类型（Descriptor Type）。当该位是“0”时，表示是一个系统段；为“1”时，表示是一个代码段或者数据段（堆栈段也是特殊的数据段）。系统段将在以后介绍。
DPL表示描述符的特权级（Descriptor Privilege Level，DPL）。这两位用于指定段的特权级。共有4种处理器支持的特权级别，分别是0、1、2、3，其中0是最高特权级别，3是最低特权级别。刚进入保护模式时执行的代码具有最高特权级0（可以看成是从处理器那里继承来的），这些代码通常都是操作系统代码，因此它的特权级别最高。每当操作系统加载一个用户程序时，它通常都会指定一个稍低的特权级，比如3特权级。不同特权级别的程序是互相隔离的，其互访是严格限制的，而且有些处理器指令（特权指令）只能由0特权级的程序来执行，为的就是安全。
P是段存在位（Segment Present）。P位用于指示描述符所对应的段是否存在。一般来说，描述符所指示的段都位于内存中。但是，当内存空间紧张时，有可能只是建立了描述符，对应的内存空间并不存在，这时，就应当把描述符的P位清零，表示段并不存在。另外，同样是在内存空间紧张的情况下，会把很少用到的段换出到硬盘中，腾出空间给当前急需内存的程序使用（当前正在执行的），这时，同样要把段描述符的P位清零。当再次轮到它执行时，再装入内存，然后将P位置1。
P位是由处理器负责检查的。每当通过描述符访问内存中的段时，如果P位是“0”，处理器就会产生一个异常中断。通常，该中断处理过程是由操作系统提供的，该处理过程的任务是负责将该段从硬盘换回内存，并将P位置1。在多用户、多任务的系统中，这是一种常用的虚拟内存调度策略。当内存很小，运行的程序很多时，如果计算机的运行速度变慢，并伴随着繁忙的硬盘操作时，说明这种情况正在发生。
D/B位是“默认的操作数大小”（Default Operation Size）或者“默认的堆栈指针大小”（Default Stack Pointer Size），又或者“上部边界”（Upper Bound）标志。

安装存储器的段描述符并加载GDTR

处于实模式下，在GDT中安装描述符，必须将GDT的线性地址转换成段地址和偏移地址。

处理器规定，GDT中的第一个描述符必须是空描述符，或者叫哑描述符或NULL描述符。

保护模式下的内存访问

控制这达实模式和保护模式切换的开关是在一个叫CR0的寄存器。

CR0是处理器内部的控制寄存器（Control Register，CR）。之所以有个“0”后缀，是因为还有CR1、CR2、CR3和CR4控制寄存器，甚至还有CR8。
CR0是32位的寄存器，包含了一系列用于控制处理器操作模式和运行状态的标志位。它的第1位（位0）是保护模式允许位（Protection Enable，PE），是开启保护模式大门的门把手，如果把该位置“1”，则处理器进入保护模式，按保护模式的规则开始运行。

保护模式下的中断机制和实模式不同，因此，原有的中断向量表不再适用，而且，必须要知道的是，在保护模式下，BIOS中断都不能再用，因为它们是实模式下的代码。在重新设置保护模式下的中断环境之前，必须关中断。

Code

cli                                ;保护模式下中断机制尚未建立，应 
                                   ;禁止中断 
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax                        ;设置PE位
      
;以下进入保护模式... ...

在保护模式下访问一个段时，传送到段选择器的是段选择子。它由三部分组成，第一部分是描述符的索引号，用来在描述符表中选择一个段描述符。TI 是描述符表指示器（Table Indicator），TI＝0 时，表示描述符在GDT 中；TI＝1 时，描述符在LDT 中。LDT 也是一个描述符表，和GDT 类似。RPL 是请求特权级，表示给出当前选择子的那个程序的特权级别，正是该程序要求访问这个内存段。每个程序都有特权级别，

清空流水线并串行化处理器

即使是在实模式下，段寄存器的描述符高速缓存器也被用于访问内存，仅低20位有效，高12位是全零。当处理器进入保护模式后，不影响段寄存器的内容和使用，它们依然是有效的，程序可以继续执行。但是，在保护模式下，对段的解释是不同的，处理器会把段选择器里的内容看成是描述符选择子，而不是逻辑段地址。因此，比较安全的做法是尽快刷新CS、SS、DS、ES、FS和GS的内容，包括它们的段选择器和描述符高速缓存器。

在进入保护模式前，有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16位操作数和16位地址长度进行译码的，即使是那些用bits 32编译的指令。进入保护模式后，由于对段地址的解释不同，对操作数和默认地址大小的解释也不同，有些指令的执行结果可能会不正确，所以必须清空流水线。同时，那些通过乱序执行得到的中间结果也是无效的，必须清理掉，让处理器串行化执行，即，重新按指令的自然顺序执行。

使用32位远转移指令jmp或者远过程调用指令call。处理器最怕转移指令，遇到这种指令，一般会清空流水线，并串行化执行；另一方面，远转移会重新加载段选择器CS，并刷新描述符高速缓存器中的内容。唯一的问题是，这条指令必须在bits 16下编译，使得处理器能够在16位模式下正确译码；同时，还必须编译成32位操作数的指令，使处理器在刚进入保护模式时能正确执行。一个建议的方法是在设置了控制寄存器CR0的PE位之后，立即用jmp或者call转移到当前指令流的下一条指令上。

保护模式下的堆栈

堆栈是向下扩展的，因此，描述符中的段界限，和向上扩展的段含义不同。对于向上扩展的段，段内偏移量是从0开始递增，偏移量的最大值是界限值和粒度的乘积；而对于向下扩展的段来说，因为它经常用做堆栈段，而堆栈是从高地址向低地址方向推进的，故段内偏移量的最小值是界限值和粒度的乘积加一。在32位代码中，是用ESP作为堆栈指针的。因此，这里的段界限，用来和段粒度一起，决定ESP寄存器所能具有的最小值。即，堆栈操作时，必须符合条件：

Code

ESP ＞ 段界限×粒度值

对于描述符中G位是“0”的段来说，粒度值是1（字节）；而对于G位是“1”的段来说，粒度值是4096（4KB）。

进入32位保护模式

Code

;设置堆栈段和栈指针 
mov eax,cs      
mov ss,eax
mov sp,0x7c00
      
;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 

;创建0#描述符，它是空描述符，这是处理器的要求
mov dword [ebx+0x00],0x00000000
mov dword [ebx+0x04],0x00000000  

;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
mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节 
mov dword [ebx+0x14],0x00409800    ;粒度为1个字节，代码段描述符 

;创建以上代码段的别名描述符
mov dword [ebx+0x18],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节
mov dword [ebx+0x1c],0x00409200    ;粒度为1个字节，数据段描述符

mov dword [ebx+0x20],0x7c00fffe
mov dword [ebx+0x24],0x00cf9600

;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: pgdt+0x7c00],39      ;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... ...

内核的结构

内核分为四个部分，分别是初始化代码、内核代码段、内核数据段和内核例程段，主引导程序也是初始化代码的组成部分。

初始化代码用于从BIOS那里接管处理器和计算机硬件的控制权，安装最基本的段描述符，初始化最初的执行环境。然后，从硬盘上读取和加载内核的剩余部分，创建组成内核的各个内存段。

内核代码段用于分配内存，读取和加载用户程序，控制用户程序的执行。

内核数据段提供了一段可读写的内存空间，供内核自己使用。
内核例程段用于提供各种用途和功能的子过程以简化代码的编写。这些例程既可以用于内核，也供用户程序调用。

内核文件还包括一个头部，记录了各个段的汇编位置，这些统计数
据用于告诉初始化代码如何加载内核。