（实模式+保护模式）模式切换的过程步骤（代码+文字解析）

【0】写在前面

文末的个人总结是干货，前面代码仅供参考的，且source code from orange’s implemention of a os.

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

%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明

 org    0100h
 jmp    LABEL_BEGIN

；全局描述符表定义
[SECTION .gdt]

; GDT
;                            段基址,        段界限 , 属性
    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; 非一致代码段, 32
    LABEL_DESC_CODE16: Descriptor    0,         0ffffh, DA_C      ; 非一致代码段, 16
    LABEL_DESC_DATA:   Descriptor    0,      DataLen-1, DA_DRW    ; Data
    LABEL_DESC_STACK:  Descriptor    0,     TopOfStack, DA_DRWA+DA_32; Stack, 32 位
    LABEL_DESC_TEST:   Descriptor 0500000h,     0ffffh, DA_DRW
    LABEL_DESC_VIDEO:  Descriptor  0B8000h,     0ffffh, DA_DRW    ; 显存首地址
; GDT 结束

GdtLen   equ    $ - LABEL_GDT  ; GDT长度
GdtPtr   dw GdtLen - 1  ; GDT界限
  dd    0    ; GDT基地址

;GDT 选择子定义

SelectorNormal   equ    LABEL_DESC_NORMAL   - LABEL_GDT
SelectorCode32   equ    LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT
SelectorCode16   equ    LABEL_DESC_CODE16   - LABEL_GDT
SelectorData     equ    LABEL_DESC_DATA  - LABEL_GDT
SelectorStack    equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
SelectorTest     equ    LABEL_DESC_TEST  - LABEL_GDT
SelectorVideo    equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT

; END of [SECTION .gdt]

;数据段定义
[SECTION .data1] ; 数据段

ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode   dw  0
; 字符串
PMMessage:   db "In Protect Mode now. ^-^", 0   ; 在保护模式中显示 ;Mine【后面的零作为字符串的结束标志，Line189、232的test会用到】
    OffsetPMMessage  equ    PMMessage - $$  ; Mine【$$ == LABEL_DATA 的基地址，相对于 LABEL_DATA 的偏移地址】
    StrTest:     db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0   ;Mine【后面的零作为字符串的结束标志】
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    

; END of [SECTION .gs]

；16位代码段， CPU运行在实模式下，为什么只有在16位代码段下才能修改GDT中的值；
[SECTION .s16] ; Mine【为从实模式跳转到保护模式所做的准备工作】

[BITS   16]
LABEL_BEGIN:
 mov    ax, cs
 mov    ds, ax
 mov    es, ax
 mov    ss, ax
 mov    sp, 0100h

; 下一行指令的解说：
; 待会要跳回到实模式，这里是保存跳转前的相关 value
; mov [label_backto_real + 3], ax, 这是在代码已经加载到了内存之后再执行的，为什么加上3，一位jmp指令占用3个字节， 而jmp后面跟着跳转地址；
; 他的作用是在段基地址存储单元中去重新设置新值 去 覆盖原先的段基地址，作者真心很是聪明啊。

 mov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
 mov    [SPValueInRealMode], sp      ; Mine【保存sp，然后返回实模式后，再将sp取出来】

；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
 mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
 shr    eax, 16
 mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
 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

；初始化数据段描述符

 xor    eax, eax
 mov    ax, ds
 shl    eax, 4
 add    eax, LABEL_DATA        ; Mine【数据段的基址便是 LABEL_DATA 的物理地址 
                                          ; 所以 OffsetStrTest 既是字符串相对于 LABEL_DATA 的偏移地址，也是其在数据段的偏移 】
 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

; 为加载 GDTR 作准备，填充GDT基地址的数据结构

 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]

; 关中断

 cli

; 打开地址线A20

 in al, 92h
 or al, 00000010b
 out    92h, al

; 准备切换到保护模式， PE位置1

 mov    eax, cr0
 or eax, 1
 mov    cr0, eax

; 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

; 从保护模式跳回到实模式就到了这里（注意：从保护模式跳转到实模式，即本标识符下，本标识符是存在于 初始化描述符的16位代码段的末尾的）

LABEL_REAL_ENTRY: 
 mov    ax, cs
 mov    ds, ax
 mov    es, ax
 mov    ss, ax

 mov    sp, [SPValueInRealMode]

; 关闭 A20 地址线

 in al, 92h  ; 
 and    al, 11111101b 
 out    92h, al  ; /

 sti     ; 开中断

 mov    ax, 4c00h   ; `.
 int    21h  ; /  回到 DOS

; END of [SECTION .s16]

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; 32 位代码段. 由实模式跳入
[SECTION .s32]

[BITS   32]

LABEL_SEG_CODE32:
 mov    ax, SelectorData
 mov    ds, ax   ; 数据段选择子
 mov    ax, SelectorTest
 mov    es, ax   ; 测试段选择子
 mov    ax, SelectorVideo
 mov    gs, ax   ; 视频段选择子

 mov    ax, SelectorStack        ; Mine【改变了ss和esp， 则在32位代码段中所有的堆栈操作将会在新增的堆栈段中进行】
 mov    ss, ax   ; 堆栈段选择子

 mov    esp, TopOfStack

; 下面显示一个字符串（此处代码有省略）

 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 10 行, 第 0 列。
 cld
.1:
 lodsb    ; Mine【lodsb、lodsw：把DS:SI指向的存储单元中的数据装入AL或AX，然后根据DF标志增减SI】
 test   al, al  ; Mine【1. test ax，100b  将 ax的 值  和 100b进行“与”操作 ，但不改变ax本身
     ; 2. 若与操作的结果为零则ZF置位】
 jz .2
 mov    [gs:edi], ax
 add    edi, 2
 jmp    .1
.2: ; 显示完毕

 call   DispReturn ; Mine【call == push ip ; jmp near ptr 标号】

 call   TestRead    ; Mine【先读出数据】
 call   TestWrite   ; Mine【再写入数据】
 call   TestRead    ; Mine【再次读出数据】

; 到此停止，跳入16位代码段

 jmp    SelectorCode16:0     ; Mine【Line31，Line80 已经初始化LABEL_DESC_CODE16，保存着LABEL_SEG_CODE16的基地址 】

SegCode32Len    equ $ - LABEL_SEG_CODE32

; END of [SECTION .s32]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式(LABEL_REAL_ENTRY)
[SECTION .s16code]

ALIGN   32
[BITS   16]
LABEL_SEG_CODE16:

; 跳回实模式:

 mov    ax, SelectorNormal      ; Mine【 选择子 SelectorNormal 是对描述符 LABEL_DESC_NORMAL 的索引 】
 mov    ds, ax
 mov    es, ax
 mov    fs, ax
 mov    gs, ax
 mov    ss, ax

 mov    eax, cr0
 and    al, 11111110b     ; Mine【cr0的最后一位PE位置为0，进入实模式】
 mov    cr0, eax

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

Code16Len   equ $ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]

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总结： （从实模式》》保护模式》》实模式）模式切换的过程步骤：（干货）

（Attention：我们依照程序执行过程的跳转步骤来对内存内容进行解析）

（1） org 0100， 告诉编译器程序运行时，要加载到偏移地址0100处；jmp LABEL_BEGIN 跳入到16位代码段（实模式）进行各个数据段，代码段，堆栈段的初始化，最后跳入到保护模式；

（2）GDT初始化（定义段描述符 + 定义GDTR的数据结构 + 定义GDT选择子）：

• 2.1）定义全局描述符表GDT表项，即定义需要的段描述符，数据段和代码段描述符数据结构如下：
  

• 2.2）定义GDTR全局描述符的数据结构并赋值，GDTR的数据结构如下：
  

• 2.3）定义GDT选择子：有多少个描述符表项，就有多少个选择子，选择子用于记录描述符相对于GDT基地址的偏移地址，因为GDT的基地址和界限是保存在全局描述符寄存器GDTR中的，我们可以通过GDTR找到GDT基地址，然后通过选择子找到对应的偏移地址，从而找到对应的段描述符的基地址+界限（偏移量）+属性，而描述符基地址的值又记录了各个代码段或数据段的基地址，这样我们就可以通过选择子来索引到具体的代码段和数据段；

（3）数据段 + 堆栈段的定义

（4）16位代码段（实模式下）的定义：

• 4.1）设置代码运行环境，即给相关寄存器赋值；
• 4.2）初始化16位代码段描述符 + 32位代码段描述符 + 堆栈段描述符 +数据段描述符；
• 4.3）初始化全局描述符表寄存器GDTR的内容，因为其基地址还没有初始化， 然后通过lgdt [GdtPtr]，将内存中GDTR的内容加载到GDTR中，重点在于保存 GDT的基地址；
• 4.4）关中断， 即设置CPU不响应任何其他的外部中断，因为CPU现在的时间片只属于当前加载的程序；
• 4.5）打开地址线A20； 至于为什么要打开，呵呵，参见：http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48005813
• 4.6）将CR0的 PE 位置1；PE位==1，表明CPU运行在保护模式下；（这是准备切换到保护模式阶段），CR0的数据结构如下：
  
• 4.7）跳转到保护模式： jmp dword SelectorCode32:0 ，这里的代码指提供了选择子，（2.3）末部分，已经说明了为什么通过选择子就可以索引到 32位代码段 LABEL_SEG_CODE32；（这就是从实模式跳入保护模式）

（5）32位代码段（由实模式跳入，即保护模式）的定义

• 5.1）将对应选择子赋值到 对应寄存器， 即设置 任务代码的 运行环境，不得不提的是 本段代码还改变了ss和esp， 则在32位代码段中所有的堆栈操作将会在新增的堆栈段中进行；
• 5.2）做任务，我们这里是打印一串字符串；
• 5.3）任务做完后，跳转到16位代码段，因为从保护模式跳回实模式，只能从16位代码段中跳回；（这个，到底是因为什么，我也说不清楚）

（6）调回到实模式的16位代码段（我们干脆叫它为过渡的16位代码段， 与模块（4）做个区别）

• 6.1）加载一个描述符选择子，说是要实现从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，（具体的，我这里也没有懂）
• 6.2）将CR0的 PE 位置0；PE位==0，表明CPU运行在实模式下；（这是准备切换到实模式阶段），参见4.6所附图片；
• 6.3）真正跳转到实模式：LABEL_GO_BACK_TO_REAL: jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 这里的0 纯粹是个幌子，我理解的是，它就是个占位符而已，因为在16位代码段初始化的时候，已经将它的值设定为 跳转前的 cs（段基址）值了，即 mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax；

【7】跳回到16位代码段（实模式）的定义

• 7.1）该段代码定义在（5）代码区域的末尾，因为，它们都是实模式下的运行环境；
• 7.2）初始化寄存器的值，设置运行环境；
• 7.3）重新设置 堆栈指针sp 的值，这个值早在16位代码段初始化的时候，已经将它的值 暂存在变量里了，这里只是将它恢复到原来的值而已，即 mov [SPValueInRealMode], sp；
• 7.4）关闭A20地址线， 为什么要关闭，参见：http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48005813
• 7.5）开中断；
• 7.6）产生中断信号，回到DOS；

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