进入32位保护模式（一）：加载GDTR

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操作系统启动模块之 GDTR

实时模式下运行中的程序能访问所有内存，随着计算机上运行的程序越来越多，这个设计的风险也越来越大。保护模式在这个背景下应运而生。保护模式的主要思路就是把内存划分成若干个段，操作系统给这些段表明权限以及相关属性，在访问时就会根据权限和属性给予放行或拦截。

GDT

上面说了保护模式的思路就是把内存分段，这个分段的列表就是GDT（global descriptor table）全局描述符表。这个表中每个表项长度为8个字节，所以，表长度=表项数*8，这个表的起始地址存放在cpu的一个专用寄存器上，称之为GDTR（global descriptor table register）全局描述符表寄存器。

GDTR有48位，其中32位用来存放在内存中的起始地址，16位用来存放表的长度（其实严谨的来说是长度偏移量，因为在数值上总是等于表的大小减一，和c语言中的数组下标类似）。

32Mode_1_1

上面已经提到了，表项的大小是固定的8个字节，所以要想访问任何一项，只需要用GDTR中保存的基地址+表项*8就得到该项的地址，和通过下标对数组进行随机访问一样。

下面就来介绍GDT表项结构。

GDT表项的主要由3部分组成：内存区域的起始地址、内存区域的大小、内存区域的属性。

32Mode_1_2

由图可见GDT表项中的段基地址，段界限，还有属性等位置并不是连续分布的，这主要是考虑和前代CPU兼容性而妥协的设计。下面简单介绍以下各个部分的结构：

  • 段基地址：就是该描述符所定义的段的起始地址，总共由32位组成
  • 段长度（界限）：段的长度，数值等于长度的大小减一，总共由20位组成
  • G（Granularity）：粒度位，用于解释段长度的单位。当为0时，长度单位就是字节，当为1时，长度单位就是4KB，这时，一个段的最大长度能达到4GB
  • D / B：用来做16位保护模式兼容的位，现在使用的非常少了。如果不做16位兼容，设置成1就行
  • L：64位代码段标志
  • AVL（Available）：通常给操作系统使用，处理器很少使用
  • P（Presence）：用来保存段是否存在于内存中的标志，有时候没有内存时，操作系统会把部分不常用的段换入磁盘中，此位就会置为0。反过来如果从磁盘换入内存，此位就会置为1。
  • DPL（Descriptor Privilege Level）：用来表示段的特权级别，从大到小分别是，0，1，2，3
  • S：用来表示段的类型，0为系统段，1为代码/数据段
  • TYPE：用来表述段的子权限，有点类似于Linux用RWX位来表文件的读写执行权限。对于数据段4位分别是XEWA，表示执行/扩展/写/访问权限，对于代码段4位分别是XCRA，表示执行/特权依从/可读/访问权限

GDT的加载

根据上述的规格设置好GDT的数据后，就需要把GDT表的地址和长度加载到系统的GDTR寄存器中，这个步骤有一个专用的指令

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lgdt m48  ;该指令的操作数是一个48位的内存区域

指令的参数的48位对应的是GDT表的位置和长度，前（低）16位是长度，后面（高）32位是GDT的地址。

设置好GDT以后，需要进入保护模式才会生效，x86 cpu是通过设置CR0寄存器的PE位为1来进入保护模式。PE（Protection Enable）位在CR0的第1位（位0）。

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mov eax,cr0   ;读取cr0
or eax,1      ;把第0位置为1
mov cr0,eax   ;设置cr0

jmp dword 0x0008:flush  ;进入32位模式后，要用jmp指令清空流水线(流水线里残留着16位的指令，会有问题)

保护模式下的段访问

段选择子

保护模式下访问内存地址还是需要通过段寄存器来进行，不过此时段寄存器的内容由以前的段地址变成了段选择子。所谓的段选择子最主要的就是要访问的段在GDT表中的序号。

32Model_1_3

段选择子的最主要的信息就是描述符索引，也就是段在段表内的序号。还有就是TI（table indicator）位，用来表示段在哪个表中，TI=0时，表示在GDT表中，TI=1时，表示在LDT（Local Descriptor Table）中。以及RPL（Require Privilege Level）位，请求特权级别，用来表示给出当前选择子的程序的特权级别。

选择子检查

进入保护模式以后，用段选择子设置段寄存器时，段寄存器会缓存这个选择子，下次再用同样的选择子访问时，就会直接用缓存的数据。而且在访问的过程中也同时对选择子的权限，以及访问范围进行检查，如果权限不够或者超出范围就会产生异常。

其他

第21条地址线A20

8086时代都是20条地址线，最大地址为0xFFFFF，再加一就会变成0x100000。但因为只有20位，所以最高位被丢弃，此时又会回到最低位地址0x00000。当年很多特性都依赖于这个特性，后来在80286后地址线扩展到24位，这个特性就不管用了。为了兼容以前的旧代码，IBM在键盘控制器的x60端口放置了一个控制门，后来因为太繁琐在80486以后直接添加了A20M#引脚。

A20m#引脚通过0x92端口控制，它的第7～2位没有使用，第0位是INIT_NOW，它从0变成1时，会重启CPU。而第1位就是用来控制A20的开关，当它为1时会启动第21条地址线。在INIT_NOW被从0设置成1时，会自动把A20位设置成1，所以现在一般不用手动来设置。这个历史遗留问题还是挺有趣的，理解x86的各种历史包袱的过程也不啻于看一部计算机发展史啊。

引用

  • GDT wiki

  • 《x86汇编语言-从实时模式到保护模式》，page 189