chap2.6_保护模式

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保护模式

保护模式寻址方式

1. 实模式下寻址的缺陷

2.保护模式下寻址

实模式下使用的是段寄存器(16位) << 4 + 偏移地址方式来寻址。

保护模式和实模式下的完全不一样。

  1. 保护模式下寻址方式

    1）首先内存中建立一个GDT全局分段描述表。

    2）DS中不再是内存的段开始地址，而是GDT表的索引。

    3）寻址时，首先根据DS的高13位的值得到一个索引，然后查找到在GDT中对应的一个全局分段描述。再根据这个描述来定位到段的开始位置。

    4）找到GDT段之后，继续根据偏移地址，在GDT段内进行内存寻址。

  2. 段的跳转指令

    JMP 段选择子:偏移地址

1）加载段选择子到CS段寄存器
2）获取段选择子索引号，根据索引号查找GDT表，加载GDT段描述符到CS段寄存器的描述符缓存
3）加载偏移地址到EIP寄存器
4）根据 CS段寄存器的描述符缓存 和 EIP寄存器 寻址。

最后跳转位置是

内存地址：段基本地址(根据段选择子获取) + 偏移地址

保护模式下的段

  1. 段选择器

保护模式下，段寄存器CS，DS,ES,，FS，GS,SS，称之为段选择器。

段选择器中的数据称为段选择子

段选择子 ： 描述符索引(13位) | TI | RPL

其中

  • 描述符索引：GDT描述符表中的描述符的索引号(从0开始：0,1,2,3…)
  • TI： TI = 0 表示GDT描述符， TI =1 表示LDT描述符
  • RPL： 请求权特级：

当我们跳转到段的时侯，实际上是段选择器赋值为以上格式的值即可。

images/003.png

实模式和保护模式的区别

在计算机加载完成后，在实模式执行完一些初始化和加载工作。然后CPU设置进入保护模式。可以使用16位的数据。。

为了突破实模式1M内存寻址的限制，使用到更多内存。于是出现了保护模式，保护模式下，通过开启A20总线，可以使用32位的寄存器操作，其实访问地址已经达到了1<<32=4G内存。

实模式与保护模式的最大区别就是寻址方式:

1）保护模式不再使用段寄存器 <<4 ＋偏移地址的方式寻址，通过建立分段表将内存分成段。寻址时先加载分段表进入不同的段位置，然后在当前段内继续进行内存寻址。

2）保护模式不能使用BIOS中断

进入保护模式

[TOC]

进入保护模式

进入保护模式的步骤：

  1. 关闭中断，打开地址线A20GATE，使得CPU可以访问1M以上的内存空间。
  2. 设置CR0寄存器，进入保护模式。
  3. 加载临时GDT
  4. 进入保护模式后，首先执行jmp指令。因为内存寻址方式改变，需要刷新指令流水线

打开A20Gate

1. A20Gate的作用

在实模式下，A20Gate是关闭的，意味着只能使用20根地址线，需要通过打开A20Gate,访问第21根以上的总线。

A20Gate关闭时侯的内存访问：

在8088 CPU下, 只能使用20根总线 .

因此,初始化时, A20Gate关闭式，使用20根总线. 所以寻址范围位 0x00000 ~ 0xFFFFF,总共1M的地址范围。

当访问的地址大于这个范围，高位的值将被截取掉，导致超出1M的地址访问会使得CPU回滚到1M内地址范围的现象

例如:

当使用 [0xFFFF :0xFFFF ] 内存地址，得到的地址位 0x10FFEF 。但是在实模式下，由于20根总线的限制，最高位的1是无效的，实际的访问地址回绕到 [0x0FFEF]。

A20Gate打开后的内存访问：

后期,80286使用24根总线,而80286有24根总线,80386有32位总线.

打开A20Gate， 可以使用到32位的地址总线，内存地址访问也达到了1<<32 的4G范围。

实际上开启A20Gate，总线的寻址能力达到了4G，但是cpu的内存访问能力因为16位段寄存器，和16位偏移地址的限制，并不能协调工作。

A20Gate打开后, 还需要进入保护模式, 建立GDT描述名, 进行段地址 和 内存的映射关系, 使用新的内存地址访问方式 . 突破cpu的内存访问限制。

2. 开启A20Gate

开启A20Gate，只要设置io端口0x92的第一位为1就可以了。

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;------------------
;打开A20
cli							;禁止CPU级别的中断
in 		al,0x92
or 		al,0000_0010B        	;设置第1位为1
out 	0x92,al

设置CR0寄存器，进入保护模式

CR0寄存器

images/2_1_3.png

CR0寄存器是一个32位的寄存器

第0位-PE位：
Protection Enable（保护使能）是CR0寄存器的第0位（bit 0）。当设置了PE标志时，启用保护模式；当清除PE标志时，启用实地址模式。该标志位并不直接启用分页机制，它仅启用段级别的保护。要启用分页，必须同时设置PE和PG标志。

第1位-MP位：
Monitor Coprocessor（监视协处理器）是CR0寄存器的第1位（bit 1）。它控制WAIT（或FWAIT）指令与TS标志（CR0的第3位）的交互作用。如果设置了MP标志，并且TS标志也被设置，那么WAIT指令将引发设备不可用异常（#NM）。如果清除了MP标志，则WAIT指令将忽略TS标志的设置。

第16位-WP位：
Write Protect（写保护）是CR0寄存器的第16位（bit 16）。当设置了WP标志时，阻止特权级程序对只读页面进行写操作；当清除WP标志时，允许特权级程序对只读页面进行写操作（不考虑U/S位的设置）。该标志有助于实现创建新进程（forking）时使用的写时复制（copy-on-write）方法，该方法在UNIX等操作系统中被使用。在软件可以设置CR4.CET之前，必须设置此标志，并且只要CR4.CET = 1，就不能清除该标志。

第18位-AM位：
Alignment Mask（对齐掩码）是CR0寄存器的第18位（bit 18）。当设置了AM标志时，启用自动对齐检查；当清除AM标志时，禁用对齐检查。对齐检查仅在满足以下条件时进行：AM标志被设置、EFLAGS寄存器中的AC标志被设置、CPL（当前特权级）为3，并且处理器处于保护模式或虚拟8086模式下。

第31位-PG位：
Paging（分页）标志位是CR0寄存器的第31位。当该位被设置时（为1时），启用分页机制；当该位被清除时（为0时），禁用分页机制。当分页被禁用时，所有线性地址都被视为物理地址。也就是说没有分页机制，段机制通过段基址加偏移后就是真实物理地址，如果PE标志（寄存器CR0的第0位）未设置，PG标志则没有影响；在PE标志被清除时设置PG标志会导致通用保护异常（#GP）。

设置CR0寄存器的最高位为0，最低位为1，则可以进入保护模式。

CR0寄存器的作用

  • 改变段寻址方式，使用段描述符方式寻址。
  • 实模式指令的操作数默认为16位，保护模式指令的操作数默认为32位。

代码：

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;------------------
;进入保护模式
mov 	eax,CR0
or 		eax,0x00000001            ;设置第0位为1
mov 	CR0,eax

loader.asm完整代码如下

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; RAST LOADER
;Tab=4
[bits 16]

;----------- loader const ------------------
LOADER_BASE_ADDR 		equ 0x9000  ;内存地址0x9000
;---------------------------------------

section loader vstart=LOADER_BASE_ADDR ;指明程序的偏移的基地址

	jmp Entry
	
	
;程序核心内容
Entry:
	

	;------------------
	;禁止CPU级别的中断
	;------------------
	cli						    

	;------------------
	;打开A20
	;------------------
	in 		al,0x92
	or 		al,0000_0010B       ;设置第1位为1
	out 	0x92,al
	

	;------------------
	;进入保护模式
	;------------------
	mov 	eax,cr0
	or 		eax,0x1      ;设置第0位为1
	mov 	cr0,eax



;程序挂起		
	jmp $			;让CPU挂起，等待指令。

times	512-($-$$) db  0 ; 处理当前行$至结束(1FE)的填充

使用bochs调试

在0x7c00打断点，输入c跳转执行

$ pb 0x7c00

$ c

输入显示切换模式命令

$ show mode

输入c继续执行

$ c

可以看到控制他输出：

00017609546: switched from ‘real mode’ to ‘protected mode’

说明系统成功的从实模式切换到保护模式

images/2_6_1

查看CR0的PE位: 值为1

$ creg

images/2_6_1

保护模式内存分配

内存区域 大小 数据内容 说明
0x7C00 - 0x7DFF 512B boot.bin 引导扇区的内存地址
0x8000 - 0x81FF 512B loader.bin loader内存位置
0x8200 - 0xC200 16KB kernel.bin kernel内存位置
0x10000 - 0x8FFFF … … 空白（执行loader程序）
0x90000 - 0x9FFFF 系统信息 内存信息
0xA0000 - 0xFFFFF 显示 显存地址(默认使用0xB8000 - 0xBFFFF)
… …
0x100000-0x101000 4KB 页目录 1MB内存位置
0x101000-0x200000 页表 页表信息