保护模式与实模式的切换

关于从保护模式切换到实模式的相关说明

参考于渊的《自己动手写操作系统》第三章中从实模式切换到保护模式，最后有重新切回实模式的代码（代码如下），其中有几点不太明白的，参考其他文章之后在此记录一下。

其中还有不太明白的地方，希望大家能在下面留个言帮我讲明白，谢谢。

下面代码有些宏定义没贴出来，应该能看明白。

; ==========================================
2

; pmtest2.asm
3

; 编译方法：nasm pmtest2.asm -o pmtest2.com
4

; ==========================================
5

%include "pm.inc" ; 常量, 宏, 以及一些说明
7

org 0100h
9

jmp LABEL_BEGIN
10

[SECTION .gdt]
12

; GDT
13

; 段基址, 段界限 , 属性
14

LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符
15

LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW ; ***注意此处为Normal 描述符*****
16

LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32 ; 非一致代码段, 32
17

LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ; 非一致代码段, 16
18

LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen - 1, DA_DRW ; Data
19

LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位
20

LABEL_DESC_TEST: Descriptor 0500000h, 0ffffh, DA_DRW
21

LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW ; 显存首地址
22

; GDT 结束
23

GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT长度
25

GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限
26

dd 0 ; GDT基地址
27

; GDT 选择子
29

SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
30

SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
31

SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
32

SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
33

SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
34

SelectorTest equ LABEL_DESC_TEST - LABEL_GDT
35

SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
36

; END of [SECTION .gdt]
37

[SECTION .data1] ; 数据段
39

ALIGN 32
40

[BITS 32]
41

LABEL_DATA:
42

SPValueInRealMode dw 0
43

; 字符串
44

PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
45

OffsetPMMessage equ PMMessage - $$
46

StrTest: db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
47

OffsetStrTest equ StrTest - $$
48

DataLen equ $ - LABEL_DATA
49

; END of [SECTION .data1]
50

; 全局堆栈段
53

[SECTION .gs]
54

ALIGN 32
55

[BITS 32]
56

LABEL_STACK:
57

times 512 db 0
58

TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1
60

; END of [SECTION .gs]
62

[SECTION .s16]
65

[BITS 16]
66

LABEL_BEGIN:
67

mov ax, cs
68

mov ds, ax
69

mov es, ax
70

mov ss, ax
71

mov sp, 0100h
72

mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
74

mov [SPValueInRealMode], sp
75

; 初始化 16 位代码段描述符
77

mov ax, cs
78

movzx eax, ax
79

shl eax, 4
80

add eax, LABEL_SEG_CODE16
81

mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
82

shr eax, 16
83

mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
84

mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah
85

; 初始化 32 位代码段描述符
87

xor eax, eax
88

mov ax, cs
89

shl eax, 4
90

add eax, LABEL_SEG_CODE32
91

mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
92

shr eax, 16
93

mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
94

mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah
95

; 初始化数据段描述符
97

xor eax, eax
98

mov ax, ds
99

shl eax, 4
100

add eax, LABEL_DATA
101

mov word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
102

shr eax, 16
103

mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
104

mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah
105

106

; 初始化堆栈段描述符
107

xor eax, eax
108

mov ax, ds
109

shl eax, 4
110

add eax, LABEL_STACK
111

mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
112

shr eax, 16
113

mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
114

mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah
115

116

; 为加载 GDTR 作准备
117

xor eax, eax
118

mov ax, ds
119

shl eax, 4
120

add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址
121

mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址
122

123

; 加载 GDTR
124

lgdt [GdtPtr]
125

126

; 关中断
127

cli
128

129

; 打开地址线A20
130

in al, 92h
131

or al, 00000010b
132

out 92h, al
133

134

; 准备切换到保护模式
135

mov eax, cr0
136

or eax, 1
137

mov cr0, eax
138

139

; 真正进入保护模式
140

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;在此由实模式切进保护模式;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
141

jmp dword SelectorCode32:0 ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0 处
142

143

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
144

145

LABEL_REAL_ENTRY: ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
146

mov ax, cs
147

mov ds, ax
148

mov es, ax
149

mov ss, ax
150

151

mov sp, [SPValueInRealMode]
152

153

in al, 92h ; ┓
154

and al, 11111101b ; ┣ 关闭 A20 地址线
155

out 92h, al ; ┛
156

157

sti ; 开中断
158

159

mov ax, 4c00h ; ┓
160

int 21h ; ┛回到 DOS
161

; END of [SECTION .s16]
162

163

164

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
165

[BITS 32]
166

167

LABEL_SEG_CODE32:
168

mov ax, SelectorData
169

mov ds, ax ; 数据段选择子
170

mov ax, SelectorTest
171

mov es, ax ; 测试段选择子
172

mov ax, SelectorVideo
173

mov gs, ax ; 视频段选择子
174

175

mov ax, SelectorStack
176

mov ss, ax ; 堆栈段选择子
177

178

mov esp, TopOfStack
179

180

181

; 下面显示一个字符串
182

mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
183

xor esi, esi
184

xor edi, edi
185

mov esi, OffsetPMMessage ; 源数据偏移
186

mov edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
187

cld
188

.1:
189

lodsb
190

test al, al
191

jz .2
192

mov [gs:edi], ax
193

add edi, 2
194

jmp .1
195

.2: ; 显示完毕
196

197

call DispReturn
198

199

call TestRead
200

call TestWrite
201

call TestRead
202

203

; 到此停止
204

;**********注意在此由32位代码段跳至16位代码段**********************
205

jmp SelectorCode16:0
206

207

; ------------------------------------------------------------------------
208

TestRead:
209

xor esi, esi
210

mov ecx, 8
211

.loop
212

mov al, [es:esi]
213

call DispAL
214

inc esi
215

loop .loop
216

217

call DispReturn
218

219

ret
220

; TestRead 结束-----------------------------------------------------------
221

222

223

; ------------------------------------------------------------------------
224

TestWrite:
225

push esi
226

push edi
227

xor esi, esi
228

xor edi, edi
229

mov esi, OffsetStrTest ; 源数据偏移
230

cld
231

.1:
232

lodsb
233

test al, al
234

jz .2
235

mov [es:edi], al
236

inc edi
237

jmp .1
238

.2:
239

240

pop edi
241

pop esi
242

243

ret
244

; TestWrite 结束----------------------------------------------------------
245

246

247

; ------------------------------------------------------------------------
248

; 显示 AL 中的数字
249

; 默认地:
250

; 数字已经存在 AL 中
251

; edi 始终指向要显示的下一个字符的位置
252

; 被改变的寄存器:
253

; ax, edi
254

; ------------------------------------------------------------------------
255

DispAL:
256

push ecx
257

push edx
258

259

mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
260

mov dl, al
261

shr al, 4
262

mov ecx, 2
263

.begin:
264

and al, 01111b
265

cmp al, 9
266

ja .1
267

add al, '0'
268

jmp .2
269

.1:
270

sub al, 0Ah
271

add al, 'A'
272

.2:
273

mov [gs:edi], ax
274

add edi, 2
275

276

mov al, dl
277

loop .begin
278

add edi, 2
279

280

pop edx
281

pop ecx
282

283

ret
284

; DispAL 结束-------------------------------------------------------------
285

286

287

; ------------------------------------------------------------------------
288

DispReturn:
289

push eax
290

push ebx
291

mov eax, edi
292

mov bl, 160
293

div bl
294

and eax, 0FFh
295

inc eax
296

mov bl, 160
297

mul bl
298

mov edi, eax
299

pop ebx
300

pop eax
301

302

ret
303

; DispReturn 结束---------------------------------------------------------
304

305

SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
306

; END of [SECTION .s32]
307

308

309

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
310

[SECTION .s16code]
311

ALIGN 32
312

[BITS 16]
313

LABEL_SEG_CODE16:
314

; 跳回实模式:
315

;****************注意在此用normal选择子对段寄存器进行填充******************************
316

mov ax, SelectorNormal
317

mov ds, ax
318

mov es, ax
319

mov fs, ax
320

mov gs, ax
321

mov ss, ax
322

323

mov eax, cr0
324

and al, 11111110b
325

mov cr0, eax
326

327

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;在此由保护模式切进实模式;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
328

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
329

jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值
330

331

Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16
332

333

; END of [SECTION .s16code]
334

注意一．在由保护模式切换到实模式之前，用normal选择子对段寄存器进行填充。

原因：

在切换到实模式之前，把一个指向似乎没有用的数据段的描述符Normal的选择子装载到DS和ES。这是为什么呢?

实模
式下
段描
述符
高速
缓冲
寄存
器的
内容

段寄存器

段基地址

段界限(固定)

段属性(固定)

存在性

特权级

已存取

粒度

扩展方向

可读性

可写性

可执行

堆栈大小

一致特权

当前CS*16

0000FFFFH

当前SS*16

0000FFFFH

当前DS*16

0000FFFFH

当前ES*16

0000FFFFH

当前FS*16

0000FFFFH

当前GS*16

0000FFFFH

在分段管理机制中，每个段寄存器都配有段描述符高速缓冲寄存器，这些高速缓冲寄存器在实方式下仍发挥作用，只是内容上与保护模式下有所不同。如上表所示，其中“Y”表示“是”； “N”表示“否”；“B”表示字节；“U”表示向上扩展，“W”表示以字方式操作堆栈。段基地址仍是 32位，其值是相应段寄存器值(段值)乘以16，在把段值装载到段寄存器时刷新。由于其值是16位段值乘上16，所以在实模式下基地址实际上有效位只有20位。每个段的32位段界限都固定为0FFFFH，段属性的许多位也是固定的。所谓固定是指在实方式下不可设置这些属性值，只能继续沿用保护方式下所设置的值。因此，在准备结束保护模式回到实模式之前，要通过加载一个合适的描述符选择子（如实例代码中的Normal选择子）到有关段寄存器，以使得对应段描述符高速缓冲寄存器中含有合适的段界限和属性。

也就是说，在实模式下装载段寄存器并不会影响段告诉缓冲寄存器的值，比如段界限（其实在实模式也没有必要改变，应为段界限一直都是0ffffh），这也就是为甚麽所有讲保护模式的树在讲到有保护模式切换到实模式时都要加载一个normal选择子的原因了。

应为必须在保护模式下设置好段高速缓冲寄存器的值，因为一旦到了实模式下就不能在改变了。

经我试验，对于normal的描述符，其最重要是段界限一定要设置为0ffffh，如果不是这样，那莫在由保护模式跳转到实模式后会发生错误（对于上述代码如果把normal描述符的段界限改为别的的话，在跳转后会产生死循环的现象，具体是什么原因现在还不明确，哪位高人知道一定要告诉我啊~~）。其次就是属性的设置一定要设置为可读可写的，否则也会发生错误.

注意二：不能从32位代码段返回实模式,而只能从16位代码段返回。

原因：（书中说的）因为无法实现从32位代码段返回时CS高速缓冲寄存器中的属性符合实模式的要求(实模式不能改变段属性)

对于这个解释还是不太明确，如果哪位高人明白其中的来龙去脉的话，请一定在下面留个言，给我解释一下，不胜感激.

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