12 实模式到保护模式 下

参考

https://www.cnblogs.com/wanmeishenghuo/tag/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/

https://blog.51cto.com/13475106/category6.html

 

 

 

 

 

这一节，我们深入研究一下保护模式：定义显存段

为了显示数据，必须存在两大硬件：显卡+显示器

显卡：

　　1、为显示器提供需要显示的数据

　　2、控制显示器的模式和状态

显示器：

　　1、将目标数据以可见的方式呈现在屏幕上

显存的概念和意义：

1、显卡拥有自己内部的数据存储器，简称显存

2、显存在本质上和普通内存无差别，用于存储目标数据

3、操作显存中的数据将导致显示器上的内容改变

显存在本质上和内存没有差别，只不过它存在与显卡的内部

显卡的工作模式有文本模式和图形模式：

 

 

　　在不同的模式下，显卡对显存内容的解释是不同的

　　可以使用专属指令或者int 0x10中断改变显卡的工作模式

　　在文本模式下：

　　　　显存的地址范围映射为：[0xB8000，0xBFFFF]，直接往这个地址写数据，显示器上就会显示数据

 

 

　　　　一屏幕可以显示25行，每行80个字符，每个字符占两个字节，一个字节为实际的字符（低字节），一个字节为字符的属性（高字节）

 下面我们来完成在屏幕的指定位置上打印指定字符串的功能，在保护模式下打印指定内存中的字符串，步骤如下：

　　定义全局堆栈段（.gs），用于保护模式下的函数调用

　　定义全局数据段（.dat），用于定义只读数据（D.T.OS!）

　　利用对显存段的操作定义字符串打印函数（PrintString）

汇编知识：

　　32位保护模式下的乘法操作（mul）：

　　　　被乘数放到AX寄存器

　　　　乘数放到通用寄存器或内存单元（16位）

　　　　相乘的结果放到EAX寄存器中

　　再论$$和$：

　　　　$表示当前行相对于代码起始位置处的偏移量

　　　　$$表示当前代码节(section)的起始位置

下面直接给出打印字符串的程序：

%include "inc.asm"

org 0x9000

jmp CODE16_SEGMENT

[section .gdt]
; GDT definition
;                                 段基址，       段界限，       段属性
GDT_ENTRY       :     Descriptor    0,            0,           0
CODE32_DESC     :     Descriptor    0,    Code32SegLen - 1,    DA_C + DA_32
VIDEO_DESC      :     Descriptor 0xB8000,     0x07FFF,         DA_DRWA + DA_32
DATA32_DESC     :     Descriptor    0,    Data32SegLen - 1,    DA_DR + DA_32
STACK_DESC      :     Descriptor    0,     TopOfStackInit,     DA_DRW + DA_32
; GDT end

GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY

GdtPtr:
          dw   GdtLen - 1
          dd   0
          
          
; GDT Selector

Code32Selector    equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
VideoSelector     equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
StackSelector     equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0

; end of [section .gdt]

TopOfStackInit    equ 0x7c00

[section .dat]
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
    DTOS               db  "D.T.OS!", 0
    DTOS_OFFSET        equ DTOS - $$
    HELLO_WORLD        db  "Hello World!", 0
    HELLO_WORLD_OFFSET equ HELLO_WORLD - $$

Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT

[section .s16]
[bits 16]
CODE16_SEGMENT:
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, TopOfStackInit
    
    ; initialize GDT for 32 bits code segment
    mov esi, CODE32_SEGMENT
    mov edi, CODE32_DESC
    
    call InitDescItem
    
    mov esi, DATA32_SEGMENT
    mov edi, DATA32_DESC
    
    call InitDescItem
    
    ; initialize GDT pointer struct
    mov eax, 0
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, GDT_ENTRY
    mov dword [GdtPtr + 2], eax

    ; 1. load GDT
    lgdt [GdtPtr]
    
    ; 2. close interrupt
    cli 
    
    ; 3. open A20
    in al, 0x92
    or al, 00000010b
    out 0x92, al
    
    ; 4. enter protect mode
    mov eax, cr0
    or eax, 0x01
    mov cr0, eax
    
    ; 5. jump to 32 bits code
    jmp dword Code32Selector : 0


; esi    --> code segment label
; edi    --> descriptor label
InitDescItem:
    push eax

    mov eax, 0
    mov ax, cs
    shl eax, 4
    add eax, esi
    mov word [edi + 2], ax
    shr eax, 16
    mov byte [edi + 4], al
    mov byte [edi + 7], ah
    
    pop eax
    
    ret
    
    
[section .s32]
[bits 32]
CODE32_SEGMENT:
    mov ax, VideoSelector
    mov gs, ax
    
    mov ax, StackSelector
    mov ss, ax
    
    mov ax, Data32Selector
    mov ds, ax
    
    mov ebp, DTOS_OFFSET
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 12
    mov dl, 33
    
    call PrintString
    
    mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 13
    mov dl, 31
    
    call PrintString
    
    jmp $

; ds:ebp    --> string address
; bx        --> attribute
; dx        --> dh : row, dl : col
PrintString:
    push ebp
    push eax
    push edi
    push cx
    push dx
    
print:
    mov cl, [ds:ebp]
    cmp cl, 0
    je end
    mov eax, 80
    mul dh
    add al, dl
    shl eax, 1
    mov edi, eax
    mov ah, bl
    mov al, cl
    mov [gs:edi], ax
    inc ebp
    inc dl
    jmp print

end:
    pop dx
    pop cx
    pop edi
    pop eax
    pop ebp
    
    ret
    
Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT

　

对上述程序做一个解析：

　　第12行定义了显存段，这个段可以直接根据起始地址和段界限给出

　　第13行定义了32位的数据段，其中的起始地址需要在运行时计算，因为具体的起始物理地址和段寄存器有关，而段界限可以在编译时期计算出来

　　第14行定义了保护模式下的堆栈段

定义了段描述符后必然要定义相应的段选择子，第27、28、29分别定义了对应上述三个段的段选择子。

保护模式下的堆栈栈顶依然定义为0x7c00。

32位数据段中（35-43行）定义了一些需要打印的字符串。

16位实模式下的代码和上一节几乎一样，这一节我们需要在运行期初始化两个段描述符中的基地址，因此，我们将初始化的过程封装成了函数InitDescItem，这个函数需要两个参数，esi代表代码段或者数据段的标签，edi代表段描述符的标签。有了这个函数之后，55-63行就可以方便的调用这个函数来初始化段描述符中的基地址了。

　　下面进入32位代码段，从111行开始，114-121行，分别将相应的段选择子存入相应的段寄存器中，显存段存入了gs，堆栈段存入了ss，数据段存入了ds。当需要用到堆栈时，CPU自动根据ss和sp的值计算真正的物理地址，sp在16位代码中初始化为了栈顶，虽然在16位代码中有函数调用，但是向32位代码跳转时这些函数已经全部返回了，因此，在32位代码的起始处，sp还是指向栈顶的。当取32数据段中的字符时，我们显式的使用ds作为段寄存器。当向显存写数据时，我们显式的使用gs作为段寄存器，这样可以保证地址计算不会出错。有些指令会有默认的段寄存器，但是为了保险我们显式的指定。这在打印函数中会看到。

　　32位代码段设置完几个段寄存器后就开始调用打印函数了，先是将参数写入相应的寄存器，然后调用函数。我们分析一下130-135行的调用过程：

　　第130行将字符串“Hello World!”的起始地址相对于32位数据段的偏移量存入ebp，然后在其他几个寄存器存入打印属性和打印的行和列，然后调用打印函数。

　　下面进入139-172行打印字符串的函数，它是在32位代码段中的，这个函数接受三个参数，ds:ebp存放字符串地址，bx存放属性，dx存放行和列，也就是要打印在第几行第几列。

　　我们看一下具体的打印过程：

　　142-147行将一些寄存器先保存起来，第150行中将目标地址中的字符取出来，目标地址是根据 段+偏移 的方式算出来的，mov cl, [ds:ebp]指令中，我们显式的指明段寄存器为ds，ds中存放的是32位数据段的选择子，这也是我们在前面初始化好了的，这样可以保证计算出的字符的地址是正确的。151行判断要打印的字符是否为0，为0就不打印了，跳到end，不为零的话就继续根据行和列的值计算出地址（这个地址是相对于显存起始地址的偏移量），把这个偏移量存入edi寄存器， 第160行使用指令mov [gs:edi], ax将字符写入显存中，这里的显存物理地址是根据gs和edi计算出来的，我们显式的指明gs作为段选择子，其中存放的是显存段的选择子，这也是我们在前面初始化好了的，这样可以保证写入到正确的位置。　

打印字符串的效果如下：

 

　　我们来看一下92-108行，这一段代码作用是计算某个段的物理基地址，并写入到段描述符中。esi存放段标签，edi存放的是段描述符标签。

假设现在esi存放了DATA32_SEGMENT的地址，edi存放的是DATA32_DESC。计算段的物理基地址时使用了eax（里面是cs的值），这样计算出了物理地址，向段描述符中写时使用的是mov byte [edi + 4], al 指令，edi中的值是相对于0x9000计算出来的值，而真正的物理地址还需要根据ds段寄存器的值计算出来（此时处于16位实模式，段寄存器存放的就是段基地址），此时的ds中的值必须和cs中的值一样才行，这在48-51行也保证了，如果ds的值不等于cs的话，程序会发生错误（已经实验验证）。

　　在boot.asm程序中，我们也是将cs，ds，ss等段寄存器弄成了一样的值，在加载loader.asm时，我们只给出了偏移地址，不管段基址用哪一个计算，结果都是一样的，我们将loader加载到了0x9000处，如果段寄存器中的值是0的话，那就真正加载到了物理地址的0x9000处，boot.asm有一句跳转到指定地址的指令jnb 0x9000，如果段寄存器为0，它就可以跳到物理地址0x9000处，和实际的加载地址正好对应上。如果段寄存器不为0，它就要根据cs寄存器计算真正的物理地址，而如果cs不为0，则ds和ss等也不为0（它们三个是一样的值，代码中有赋值操作），而计算出来的物理加载地址也就不是0x9000，但是不管是多少，只要保证jnb跳转时的偏移地址和加载loader.asm时的偏移地址是一样的就行（程序中都是0x9000），这样就不会出错，因为段寄存器中的值都是一样的，计算出来的物理地址肯定也是一样的。

　　到了loader.asm中，又对几个段寄存器进行了一次操作，还是要保证cs，ds，ss的值是一样的，这样就跟上面标红的一段对应起来了，使用cs计算一个段的真实物理起始地址可以得到正确的值（这个值本应该按ds计算，因为加载loader.asm是按ds计算的，但是cs和ds相等，所以结果一样），使用ds计算段描述符的起始地址也可以得到描述符正确的值，mov byte [edi+4], al中默认使用ds作为段寄存器。标签的值是相对于代码的起始地址0x9000计算出来的地址，如果段寄存器都为0，标签的值等于真实的物理地址。如果段寄存器不为0，只要保证它们在实模式下都相等也可以，这样它们也算有一个统一的“0”地址。

       将编译后生成的data.img放到windows下的虚拟机路径，选择从这个光驱文件移动，也可看到如下结果：

 

 

总结：