第十二课实模式到保护模式下

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我是靠谱客的博主微笑玫瑰，最近开发中收集的这篇文章主要介绍第十二课实模式到保护模式下，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

　　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：


1 %include "inc.asm"

2

3 org 0x9000

4

5 jmp CODE16_SEGMENT

6

7 [section .gdt]

8 ; GDT definition

9 ;
段基址，
段界限，
段属性
 10 GDT_ENTRY
:
Descriptor
0,
0,
0
 11 CODE32_DESC
:
Descriptor
0,
Code32SegLen
- 1,
DA_C + DA_32
 12 VIDEO_DESC
:
Descriptor 0xB8000,
0x07FFF,
DA_DRWA + DA_32
 13 DATA32_DESC
:
Descriptor
0,
Data32SegLen
- 1,
DA_DR + DA_32
 14 STACK_DESC
:
Descriptor
0,
TopOfStackInit,
DA_DRW + DA_32
 15 ; GDT end
 16
 17 GdtLen
equ
$ - GDT_ENTRY
 18
 19 GdtPtr:
 20
dw
GdtLen - 1
 21
dd
0
 22
 23
 24 ; GDT Selector
 25
 26 Code32Selector
equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
 27 VideoSelector
equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
 28 Data32Selector
equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
 29 StackSelector
equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
 30
 31 ; end of [section .gdt]
 32
 33 TopOfStackInit
equ
0x7c00
 34
 35 [section .dat]
 36 [bits 32]
 37 DATA32_SEGMENT:
 38
DTOS
db
"D.T.OS!", 0
 39
DTOS_OFFSET
equ
DTOS - $$
 40
HELLO_WORLD
db
"Hello World!", 0
 41
HELLO_WORLD_OFFSET
equ
HELLO_WORLD - $$
 42
 43 Data32SegLen
equ $ - DATA32_SEGMENT
 44
 45 [section .s16]
 46 [bits 16]
 47 CODE16_SEGMENT:
 48 
mov ax, cs
 49 
mov ds, ax
 50 
mov es, ax
 51 
mov ss, ax
 52 
mov sp, TopOfStackInit
 53
 54
; initialize GDT for 32 bits code segment
 55 
mov esi, CODE32_SEGMENT
 56 
mov edi, CODE32_DESC
 57
 58 
call InitDescItem
 59
 60 
mov esi, DATA32_SEGMENT
 61 
mov edi, DATA32_DESC
 62
 63 
call InitDescItem
 64
 65
; initialize GDT pointer struct
 66
mov eax, 0
 67 
mov ax, ds
 68
shl eax, 4
 69 
add eax, GDT_ENTRY
 70
mov dword [GdtPtr + 2], eax
 71
 72
; 1. load GDT
 73 
lgdt [GdtPtr]
 74
 75
; 2. close interrupt
 76 
cli
 77
 78
; 3. open A20
 79
in al, 0x92
 80 
or al, 00000010b
 81
out 0x92, al
 82
 83
; 4. enter protect mode
 84 
mov eax, cr0
 85
or eax, 0x01
 86 
mov cr0, eax
 87
 88
; 5. jump to 32 bits code
 89
jmp dword Code32Selector : 0
 90
 91
 92 ; esi
--> code segment label
 93 ; edi
--> descriptor label
 94 InitDescItem:
 95 
push eax
 96
 97
mov eax, 0
 98 
mov ax, cs
 99
shl eax, 4
100 
add eax, esi
101
mov word [edi + 2], ax
102
shr eax, 16
103
mov byte [edi + 4], al
104
mov byte [edi + 7], ah
105
106 
pop eax
107
108 
ret
109
110
111 [section .s32]
112 [bits 32]
113 CODE32_SEGMENT:
114 
mov ax, VideoSelector
115 
mov gs, ax
116
117 
mov ax, StackSelector
118 
mov ss, ax
119
120 
mov ax, Data32Selector
121 
mov ds, ax
122
123 
mov ebp, DTOS_OFFSET
124
mov bx, 0x0C
125
mov dh, 12
126
mov dl, 33
127
128 
call PrintString
129
130 
mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
131
mov bx, 0x0C
132
mov dh, 13
133
mov dl, 30
134
135 
call PrintString
136
137 
jmp $
138
139 ; ds:ebp
--> string address
140 ; bx
--> attribute
141 ; dx
--> dh : row, dl : col
142 PrintString:
143 
push ebp
144 
push eax
145 
push edi
146 
push cx
147 
push dx
148
149 print:
150 
mov cl, [ds:ebp]
151
cmp cl, 0
152 
je end
153
mov eax, 80
154 
mul dh
155 
add al, dl
156
shl eax, 1
157 
mov edi, eax
158 
mov ah, bl
159 
mov al, cl
160 
mov [gs:edi], ax
161 
inc ebp
162 
inc dl
163 
jmp print
164
165 end:
166 
pop dx
167 
pop cx
168 
pop edi
169 
pop eax
170 
pop ebp
171
172 
ret
173
174 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。

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