自己動手寫操作系統3
 

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第八軍團 時間：2004-2-26 1:04:03 
   
在上兩期中（自己動手寫操作系統1，2），我向大家講述了如何使用Linux提供的開發工具在軟盤的啟動扇區寫一些代碼，以及如何調用BIOS的問題。現在，這個操作系統已經越來越接近當年Linus Torvalds的那個具有“歷史意義”的Linux內核了。因此，要馬上把這個系統切換到保護模式之下。 
什么是保護模式 


自從1969年推出第一個微處理器以來，Intel處理器就在不斷地更新換代，從8086、8088、80286，到80386、80486、奔騰、奔騰Ⅱ、奔騰4等，其體系結構也在不斷變化。80386以后，提供了一些新的功能，彌補了8086的一些缺陷。這其中包括內存保護、多任務及使用640KB以上的內存等，并仍然保持和8086家族的兼容性。也就是說80386仍然具備了8086和80286的所有功能，但是在功能上有了很大的增強。早期的處理器是工作在實模式之下的，80286以后引入了保護模式，而在80386以后保護模式又進行了很大的改進。在80386中，保護模式為程序員提供了更好的保護，提供了更多的內存。事實上，保護模式的目的不是為了保護程序，而是要保護程序以外的所有程序（包括操作系統）。 

簡言之，保護模式是處理器的一種最自然的模式。在這種模式下，處理器的所有指令及體系結構的所有特色都是可用的，并且能夠達到最高的性能。 

保護模式和實模式

從表面上看，保護模式和實模式并沒有太大的區別，二者都使用了內存段、中斷和設備驅動來處理硬件，但二者有很多不同之處。我們知道，在實模式中內存被劃分成段，每個段的大小為64KB，而這樣的段地址可以用16位來表示。內存段的處理是通過和段寄存器相關聯的內部機制來處理的，這些段寄存器（CS、DS、SS和ES）的內容形成了物理地址的一部分。具體來說，最終的物理地址是由16位的段地址和16位的段內偏移地址組成的。用公式表示為： 

物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。 

在保護模式下，段是通過一系列被稱之為“描述符表”的表所定義的。段寄存器存儲的是指向這些表的指針。用于定義內存段的表有兩種：全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)。GDT是一個段描述符數組，其中包含所有應用程序都可以使用的基本描述符。在實模式中，段長是固定的(為64KB)，而在保護模式中，段長是可變的，其最大可達4GB。LDT也是段描述符的一個數組。與GDT不同，LDT是一個段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。每一個操作系統都必須定義一個GDT，而每一個正在運行的任務都會有一個相應的LDT。每一個描述符的長度是8個字節，格式如圖3所示。當段寄存器被加載的時候，段基地址就會從相應的表入口獲得。描述符的內容會被存儲在一個程序員不可見的影像寄存器(shadow register)之中，以便下一次同一個段可以使用該信息而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的偏移加上影像寄存器中的基址組成。實模式和保護模式的不同可以從圖1和圖2中很清楚地看出來。


圖1 實模式的尋址


圖2 保護模式下的尋址


圖3 段描述俯的格式

此外，還有一個中斷描述符表(IDT)。這些中斷描述符會告訴處理器到那里可以找到中斷處理程序。和實模式一樣，每一個中斷都有一個入口，但是這些入口的格式卻完全不同。因為在切換到保護模式的過程中沒有使用到IDT，所以在此就不多做介紹了。 

進入保護模式

80386有4個32位控制寄存器，名字分別為CR0、CR1、CR2和CR3。CR1是保留在未來處理器中使用的，在80386中沒有定義。CR0包含系統的控制標志，用于控制處理器的操作模式和狀態。CR2和CR3是用于控制分頁機制的。在此，我們關注的是CR0寄存器的PE位控制，它負責實模式和保護模式之間的切換。當PE=1時，說明處理器運行于保護模式之下，其采用的段機制和前面所述的相應內容對應。如果PE=0，那么處理器就工作在實模式之下。 

切換到保護模式，實際就是把PE位置為1。為了把系統切換到保護模式，還要做一些其它的事情。程序必須要對系統的段寄存器和控制寄存器進行初始化。把PE位置1后，還要執行跳轉指令。過程簡述如下： 

1.創建GDT表; 

2.通過置PE位為1進入保護模式; 

3.執行跳轉以清除在實模式下讀取的任何指令。 

下面使用代碼來實現這個切換過程。 

需要的東西

◆ 一張空白軟盤 

◆ NASM編譯器 

下面是整個程序的源代碼： 

org 0x07c00; 起始地址是0000:7c00 
jmp short begin_boot ; 跳過其它的數據，跳轉到引導程序的開始處
bootmesg db "Our OS boot sector loading ......"
pm_mesg db "Switching to protected mode ...."
dw 512 ; 每一扇區的字節數
db 1 ; 每一簇的扇區數
dw 1 ; 保留的扇區號
db 2
dw 0x00e0 
dw 0x0b40 
db 0x0f0 
dw 9 
dw 18 
dw 2 ; 讀寫扇區號
dw 0 ; 隱藏扇區號
print_mesg :
mov ah,0x13 ; 使用中斷10h的功能13，在屏幕上寫一個字符串
mov al,0x00 ; 決定調用函數后光標所處的位置
mov bx,0x0007 ; 設置顯示屬性
mov cx,0x20 ; 在此字符串長度為32 
mov dx,0x0000 ; 光標的起始行和列
int 0x10 ; 調用BIOS的中斷10h
ret ; 返回調用程序
get_key :
mov ah,0x00 
int 0x16 ; Get_key使用中斷16h的功能0，讀取下一個字符
ret
clrscr :
mov ax,0x0600 ; 使用中斷10h的功能6，實現卷屏，如果al=0則清屏
mov cx,0x0000 ; 清屏
mov dx,0x174f ; 卷屏至23，79
mov bh,0 ; 使用顏色0來填充
int 0x10 ; 調用10h中斷
ret
begin_boot :
call clrscr ; 先清屏
mov bp,bootmesg ; 提供串地址
call print_mesg ; 輸出信息
call get_key ; 等待用戶按下任一鍵
bits 16
call clrscr ; 清屏
mov ax,0xb800 ; 使gs指向顯示內存
mov gs,ax ; 在實模式下顯示一個棕色的A
mov word [gs:0],0x641 ; 顯示
call get_key ; 調用Get_key等待用戶按下任一鍵
mov bp,pm_mesg ; 設置串指針
call print_mesg ; 調用print_mesg子程序
call get_key ; 等待按鍵
call clrscr ; 清屏
cli ; 關中斷
lgdt[gdtr] ; 加載GDT 
mov eax,cr0 
or al,0x01 ; 設置保護模式位
mov cr0,eax ; 將更改后的字送至控制寄存器中
jmp codesel:go_pm
bits 32
go_pm : 
mov ax,datasel 
mov ds,ax ; 初始化ds和es，使其指向數據段
mov es,ax 
mov ax,videosel ; 初始化gs，使其指向顯示內存
mov gs,ax 
mov word [gs:0],0x741 ; 在保護模式下顯示一個白色的字符A
spin : jmp spin ; 循環
bits 16
gdtr :
dw gdt_end-gdt-1 ; gdt的長度
dd gdt ; gdt的物理地址
gdt
nullsel equ $-gdt ; $指向當前位置，所以nullsel = 0h
gdt0 ; 空描述符
dd 0 
dd 0 ; 所有的段描述符都是64位的
codesel equ $-gdt ; 這是8h也就是gdt的第二個描述符
code_gdt 
dw 0x0ffff ; 段描述符的界限是4Gb
dw 0x0000 
db 0x00 
db 0x09a 
db 0x0cf 
db 0x00 
datasel equ $-gdt 
data_gdt 
dw 0x0ffff 
dw 0x0000 
db 0x00 
db 0x092
db 0x0cf
db 0x00
videosel equ $-gdt 
dw 3999 
dw 0x8000 ; 基址是0xb8000
db 0x0b
db 0x92 
db 0x00 
db 0x00
gdt_end
times 510-($-$$) db 0 
dw 0x0aa55


把上面的代碼存在一個名為abc.asm的文件之中，使用命令nasm abc.asm，將得出一個名為abc的文件。然后插入軟盤，輸入命令：dd if=abc of=/dev/fd0。該命令將把文件abc寫入到軟盤的第一扇區之中。然后重新啟動系統，就會看到如下的信息： 

*Our os booting................ 
* A (棕色) 
* Switching to protected mode.... 
* A (白色)


對代碼的解釋

上面給出了所有的代碼，下面我對上述代碼做一些解釋。 

◆ 使用的函數 

下面是代碼中一些函數的說明： 

print_mesg 該子程序使用了BIOS中斷10h的功能13h，即向屏幕寫一字符串。屬性控制是通過向一些寄存器中送入不同的值來實現的。中斷10h是用于各種字符串操作，我們把子功能號13h送到ah中，用于指明要打印一個字符串。al寄存器中的0說明了光標返回的起始位置，0表示調用函數后光標返回到下一行的行首。如果al為1則表示光標位于最后一個字符處。 

顯存被分成了幾頁，在同一時刻只能顯示其中的一頁。bh指明的是頁號；bl則指明要顯示字符的顏色；cx指明要顯示字符串的長度；dx指明光標的位置(即起始的行和列)。所有相關寄存器初始化完成以后，就可以調用BIOS中斷10h了。 

get_key 使用中斷16h的子功能00h，從屏幕得到下一個字符。 

clrscr 該函數使用了中斷10h的另外一個子功能06h，用于輸出開始前清屏。初始化時給al中送入0。寄存器cx和dx指明要清屏的屏幕范圍，在本例中是整個屏幕。寄存器bh指明屏幕填充的顏色，在本例中是黑色。 

◆ 其它內容 

程序一開始是一條短跳轉指令，跳到begin_boot處。在實模式下，在此打印一個棕色的“A”，并且設置一個GDT。切換到保護模式，并且打印一個白色的“A”。這兩種模式使用的都是自己的尋址方法。 

在實模式下，使用段寄存器gs指示顯存位置，我們使用的是CGA顯卡(默認基址是0xb8000)。在代碼中是不是漏了一個0呢？沒有，因為實模式下會提供一個附加的0。這種方式也被80386繼承下來了。A的ASCⅡ是0x41，0x06指明了需要一個棕色的字符。該顯示會一直持續直至按下任意鍵。下面要在屏幕上顯示一句話，告訴使用者下面馬上要進入保護模式了。 

啟動到保護模式，在進行切換時不希望此時有中斷的影響，故要關閉所有的中斷(使用cli來實現)。然后對GDT初始化。在整個切換過程中，對4個描述符進行了初始化。這些描述符對代碼段(code_gdt)、數據和堆棧段(data_gdt)，以及為了訪問顯存而對顯示段進行初始化。此外，還會對一個空描述符進行初始化。 

GDT的基址要加載至GDTR系統寄存器之中。gdtr段的第一個字加載的是GDT的大小，在下一個雙字中則加載的是基址。然后，lgdt指令把把gdt段加載至GDTR寄存器中。現在已經做好了切換到保護模式前的所有準備。最后一件事情就是把CR0寄存器的PE位置1。不過，即使這樣還沒有處于保護模式狀態之下。 

設置了PE位以后，還需要通過執行JMP指令來清除處理器指令預取隊列。在80386中，使用指令前總是先將其從內存中取出，并且進行解碼和尋址。然而，當進入保護模式以后，預取指令信息(它還處于實地址模式)就無效了。使用JMP指令的目的就是強迫處理器放棄無效的信息。 

現在，已經在保護模式下了。那么，如何檢測是在保護模式狀態之下呢？讓我們來看一看屏幕上這個白色的字母A。在這里，使用了數據段選擇符(datase1)對數據段和附加段進行了初始化，使用顯示段選擇符(videose1)對gs進行了初始化。告示的字符“A”其ASCⅡ值和屬性位于[gs:0000]處，也就是b8000:0000處。循環語句使得該字符一直在屏幕上顯示，直至重新啟動系統。 

下一步要做的事

現在，這個操作系統已經工作在保護模式下了，但是實際上它并不實現什么具體的功能。你可以在這個基礎上為它增加各種操作系統所具有的功能。我們自己動手寫操作系統到此也就告一段落。