教材选择一个操作系统的实现,作者于渊,看此书前最好了有汇编语言,保护模式下的汇编(参考清华杨季文的80X86汇编语言程序设计教程),C语言,计算机组成原理,微机接口,操作系统相关知识。
一、80386的寄存器结构
80386微处理器共有7类34个寄存器,通用寄存器组、段寄存器、指令指针和标志寄存器、系统地址寄存器、控制寄存器、调试寄存器、测试寄存器。前四类寄存器的示意图1。其中描述符高速缓冲寄存器0-31存放段首地址,0-19存放段界限,0-11存放段属性,LDTR与此类似。后面我们会看到当装入选择子后,对应的描述符恰好是32位,20位,12位共8个字节,正好能装入高速缓存寄存器。GDTR中0-31为GDTR的首地址,0-15为GDTR的界限,为什么GDTR的界限比其他的少4位呢,因为我们GDTR不需要那么大。另外控制寄存器CR0,CR1,CR2,CR3,如图2。CR0的处理器工作模式如图3。
图1 通用寄存器组、段寄存器、指令指针和标志寄存器、系统地址寄存器示意图
图2 控制寄存器
图3 PG/PE位与处理器工作模式
二、80386描述符
此部分请看http://blog.csdn.net/jltxgcy/article/details/8656101,里面详细介绍了描述符包括,存储段描述符(代码段,数据段,堆栈段),系统描述符(任务状态段TSS,局部描述符表LDT),门描述符(调用门,任务门,中断门,陷阱门),还介绍了选择子,同时介绍了pm.inc中的代码。
三、80386 16位实模式与32位保护模式下指令执行
1、16位实模式下指令执行过程
①代码被加载到内存,段寄存器被赋值,从CS左移4位加上IP的值,形成20位地址,再加上高12位地址全部为0,形成32位地址,到此地址取得命令。注意由于没有开A20地址线,所以还保留8086的地址环绕现象。
②IP=IP+所指指令的长度。
③执行指令(个别指令执行的时候修改CS,IP),跳到①继续执行。
2、32位保护模式下指令执行过程(省略了严格的检查机制)
段选择子装入CS,CS描述符高速缓存寄存器装入代码段描述符,包括首地址,界限,属性。
①CS描述符高速缓存寄存器中基地址+EIP(偏移),形成32位地址,到此地址取得命令
②EIP=EIP+所指指令的长度
③执行指令(个别指令执行的时候修改CS描述符高速缓存寄存器,EIP),跳到①继续执行。
四、特权级变化时堆栈的变化及调用门特权级规则
1、特权级变化时堆栈变化如图4,一般用call之前都会push参数,所以会出现参数。
图4 有特权级变换的转移时堆栈变化
每个任务最多在4个特权级间转移,所以每个任务需要四个堆栈,可是我们只有一个SS和ESP,那么当发生堆栈切换,我们该从哪里获得其他堆栈的SS和ESP呢?实际上这里涉及到一个新的食物TSS,它是一个数据结构,里面包含着许多字段,32位TSS如图5。
TSS包含很多字段,但是在这里,我们只关心偏移4到偏移27的3个SS和3个ESP。当堆栈发生变化时,内层的SS和ESP就是从这里取得的,比如,我们当前所在的是ring3,当转移到ring1时,堆栈将被自动切换到由ss1和esp1指定的位置。由于只有在外层到内层(低特权级到高特权级)切换时新堆栈才会从TSS中取得,所以TSS中没有位于最外层的ring3的堆栈信息。
图 5 32位(每个是4个字节)的TSS
2、调用门特权级规则
CPL小于等于DPL_G,RPL小于等于DPL_G,因为访问门控制符就像访问数据段,访问数据段也是CPL小于等于DPL_D,RPL小于等于DPL D。G代表门描述符的特权级,D代表数据段描述符的特权级。
五、pmtest5.asm代码详细分析如下:如无显示指出数据段寄存器,默认为ds。
;执行此程序显示结果为In Protect Mode now. ^-^
;3 C L
%include "pm.inc" ; 常量, 宏, 以及一些说明
org 0100h
jmp LABEL_BEGIN ;当程序被加载后CS等段寄存器也被赋予了初值,CS为00000010,IP为0,首地址为000000000 00000100,
;跳转指令,截取相对地址的最后16位,改变了IP
;所有带:的,例如LABEL_GDT: 都是32位段偏移地址,后来可以截断,条件是前面16位都为0
[SECTION .gdt]
; GDT 在此可以直接赋上段基地址,如果在代码中那么要根据pm.inc的位置来赋值
;GDT 最大长度为2的13次方再乘以8个字节,为64KB
;所有的描述符都是有对应的代码,数据,堆栈,LDT,TSS,调用门则是调用现有的,之所有用调用门,是为了实现不同特权级代码之间的转移
; 段基址(32位), 段界限(32位)后被截取 , 属性(12位)
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ;空描述符
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW ;Normal描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C+DA_32 ;非一致,32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ;非一致,16
LABEL_DESC_CODE_DEST: Descriptor 0, SegCodeDestLen-1, DA_C+DA_32 ;非一致,32
LABEL_DESC_CODE_RING3: Descriptor 0, SegCodeRing3Len-1, DA_C+DA_32+DA_DPL3 ;
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW ;Data
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA+DA_32 ;Stack,32
LABEL_DESC_STACK3: Descriptor 0, TopOfStack3, DA_DRWA+DA_32+DA_DPL3 ;
LABEL_DESC_LDT: Descriptor 0, LDTLen-1, DA_LDT ;LDT
LABEL_DESC_TSS: Descriptor 0, TSSLen-1, DA_386TSS ;TSS
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW+DA_DPL3 ;为了让处于ring3的代码可以访问显存
; 门 目标选择子, 偏移, DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest, 0, 0, DA_386CGate + DA_DPL3 ;CPL小于等于DPL_G,
;RPL小于等于DPL_G
; GDT 结束
GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT长度 $表示当前偏移地址
GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限 ,截取最后16位 因为2的16次方是64KB
dd 0 ; GDT基地址
; GDT 选择子
;低三位永远为0,因为每个描述符占8个字节。第一个是 00000000 00000000 00000000 00001000
;第二个是00000000 00000000 00000000 00002000,第三个是00000000 00000000 00000000 00003000
SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
SelectorCodeDest equ LABEL_DESC_CODE_DEST - LABEL_GDT
SelectorCodeRing3 equ LABEL_DESC_CODE_RING3 - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
SelectorStack3 equ LABEL_DESC_STACK3 - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorLDT equ LABEL_DESC_LDT - LABEL_GDT
SelectorTSS equ LABEL_DESC_TSS - LABEL_GDT
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
SelectorCallGateTest equ LABEL_CALL_GATE_TEST - LABEL_GDT + SA_RPL3;CPL小于等于DPL_G,RPL小于等于DPL_G
; END of [SECTION .gdt]
[SECTION .data1] ; 数据段
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode dw 0
; 字符串
PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage equ PMMessage - $$ ;相对于数据段首地址的偏移,保护模式下用,$$表示当前段的首偏移地址
StrTest: db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest equ StrTest - $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]
; 全局堆栈段
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1 ;最后一个位置为ESP的开始,说明栈的最后一个位置没有数据
; END of [SECTION .gs]
; 堆栈段ring3
[SECTION .s3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK3:
times 512 db 0
TopOfStack3 equ $ - LABEL_STACK3 - 1
; END of [SECTION .s3]
; TSS ---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .tss]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_TSS:
DD 0 ; Back
DD TopOfStack ; 0 级堆栈,现处于0级
DD SelectorStack ;
DD 0 ; 1 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; 2 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; CR3
DD 0 ; EIP
DD 0 ; EFLAGS
DD 0 ; EAX
DD 0 ; ECX
DD 0 ; EDX
DD 0 ; EBX
DD 0 ; ESP
DD 0 ; EBP
DD 0 ; ESI
DD 0 ; EDI
DD 0 ; ES
DD 0 ; CS
DD 0 ; SS
DD 0 ; DS
DD 0 ; FS
DD 0 ; GS
DD 0 ; LDT
DW 0 ; 调试陷阱标志
DW $ - LABEL_TSS + 2 ; I/O位图基址 截取后16位
DB 0ffh ; I/O位图结束标志
TSSLen equ $ - LABEL_TSS
; TSS ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0100h
mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax ;,ds作为段基地址LABEL_GO_BACK_TO_REAL地址截取后16位作为偏移,把cs的内容放到里面,
;为了日后恢复实模式做准备
mov [SPValueInRealMode], sp ;同理,也是为了日后恢复实模式做准备
; 初始化 16 位代码段描述符
mov ax, cs
movzx eax, ax
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE16 ;实模式下段基地址*16+偏移地址=保护模式下段的首地址
mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax ;+2 +4 +7的原因请看pm.inc
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al;LABEL_DESC_CODE16 + 4截取后16位为偏移地址,因为全0所以截取无所谓
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah
; 初始化 32 位代码段描述符
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE32
mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah
; 初始化测试调用门的代码段描述符
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE_DEST
mov word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah
; 初始化数据段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_DATA
mov word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah
; 初始化堆栈段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK
mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah
; 初始化堆栈段描述符(ring3)
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK3
mov word [LABEL_DESC_STACK3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah
; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_LDT
mov word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah
; 初始化 LDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_A
mov word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah
; 初始化Ring3描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_RING3
mov word [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah
; 初始化 TSS 描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_TSS
mov word [LABEL_DESC_TSS + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 7], ah
; 为加载 GDTR 作准备
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址
mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址
; 加载 GDTR
lgdt [GdtPtr] ;GDTR寄存器的值发生改变
; 关中断
cli
; 打开地址线A20
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al ;如果不打开会形成地址环绕
; 准备切换到保护模式
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax ;cr0的PE位置为1,启动保护模式,这句话很重要,如果不启动保护模式,下面的jmp还是按照实模式下的方式跳转
; 真正进入保护模式
jmp dword SelectorCode32:0 ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0 处
;dword使0为32位,否则会像jmp LABEL_BEGIN 被截断
;此时CS描述符高速缓存寄存器被置为LABEL_SEG_CODE32的描述符,以后就直接从这里取得首地址
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
LABEL_REAL_ENTRY: ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, [SPValueInRealMode]
in al, 92h ; ┓
and al, 11111101b ; ┣ 关闭 A20 地址线
out 92h, al ; ┛
sti ; 开中断
mov ax, 4c00h ; ┓
int 21h ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]
[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE32: ;从实模式跳入了保护模式,处于ring0级别
mov ax, SelectorData
mov ds, ax ; 数据段选择子,改变了DS描述符高速缓存寄存器,以后就从这里取得首地址
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子,改变了GS描述符高速缓存寄存器,以后就从这里取得首地址
mov ax, SelectorStack
mov ss, ax ; 堆栈段选择子,改变了SS描述符高速缓存寄存器,以后就从这里取得首地址
mov esp, TopOfStack
; 下面显示一个字符串
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
xor esi, esi
xor edi, edi
mov esi, OffsetPMMessage ; 源数据偏移
mov edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的数据偏移。屏幕第 11 行, 第 1 列。
cld ;esi自动加1
.1:
lodsb ;从ds:esi中取数据放入al中,以DS描述符高速缓存寄存器,取得首地址,加上esi的偏移形成32位地址,取得数据
test al, al
jz .2
mov [gs:edi], ax ;ah中存放字体的颜色,al中存放字体的内容,以GS描述符高速缓存寄存器,取得首地址,
;加上edi的偏移形成32位地址,存放数据
add edi, 2
jmp .1
.2: ; 显示完毕
call DispReturn ;EIP变化,用ret返回
; Load TSS
mov ax, SelectorTSS ;加载到TR选择器中,然后TR高速缓存就变化成了TR的描述符
ltr ax ; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈,而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中,所以要设置任务状态段寄存器 TR。
push SelectorStack3
push TopOfStack3
push SelectorCodeRing3
push 0
retf ;retf弹出CS和EIP
; Ring0 -> Ring3,历史性转移!将打印数字 '3'。
; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:
push eax
push ebx
mov eax, edi
mov bl, 160
div bl
and eax, 0FFh
inc eax
mov bl, 160
mul bl
mov edi, eax
pop ebx
pop eax
ret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------
SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]
; CodeRing3
[SECTION .ring3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_RING3: ;从上面的retf跳转到此,此处为ring3特权级
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的),改变了GS描述符高速缓存寄存器,下次就从这里取得首地址
mov edi, (80 * 14 + 0) * 2 ; 屏幕第 14 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, '3'
mov [gs:edi], ax ;根据特权级访问原则 CPL小于等于DPL,RPL小于等于DPL,可以访问
call SelectorCallGateTest:0 ; 测试调用门(有特权级变换),将打印字母 'C'。、
;已经了TSS做为铺垫
;CPL小于等于DPL_G,RPL小于等于DPL_G,DPL_B小于等于CPL
jmp $ ;最后程序停止不动
SegCodeRing3Len equ $ - LABEL_CODE_RING3
; END of [SECTION .ring3]
[SECTION .sdest]; 调用门目标段
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE_DEST: ;由call SelectorCallGateTest:0进入此段代码 ring3-->ring0
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)
mov edi, (80 * 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'C'
mov [gs:edi], ax
; Load LDT
mov ax, SelectorLDT ;加载到LDTR选择器中,然后LDTR高速缓存就变化成了LDTR的描述符
lldt ax
jmp SelectorLDTCodeA:0 ; 跳入局部任务,将打印字母 'L'。
;此时CS描述符高速缓存寄存器被置为LABEL_CODE_A的描述符,以后直接从这里取得首地址
;retf
SegCodeDestLen equ $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]
; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN 32
LABEL_LDT:
; 段基址 段界限 , 属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位
LDTLen equ $ - LABEL_LDT
; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA equ LABEL_LDT_DESC_CODEA - LABEL_LDT + SA_TIL ;TI位为1,指示从局部描述符表LDT中读取描述符
; END of [SECTION .ldt]
; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_A:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)
mov edi, (80 * 13 + 0) * 2 ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'L'
mov [gs:edi], ax
; 准备经由16位代码段跳回实模式
jmp SelectorCode16:0 ;此时CS描述符高速缓存寄存器被置为LABEL_SEG_CODE16的描述符,以后直接从这里取得首地址
CodeALen equ $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]
; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
; 跳回实模式:
mov ax, SelectorNormal
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax ;这里所有的步骤都是为了是描述符高速缓存寄存器恢复16代码时候的状态,而CS在jmp SelectorCode16:0
;的位置已经修改好了
mov eax, cr0
and al, 11111110b
mov cr0, eax ;退出保护模式
LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值,段基地址*16+偏移
Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16
; END of [SECTION .s16code]
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