日期：2019/5/22
关键词：操作系统；OS；保护模式；A20地址线激活；分页开启；二级页表的设置
PS：OSLAB实验课的整理。
本文主要内容是分析操作系统中一个简易的MBR。
建议先阅读：https://www.cnblogs.com/sinkinben/p/10888599.html
宏定义和数据定义
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%define CR0_PE (1 << 0) %define CR0_MP (1 << 1) %define CR0_EM (1 << 2) %define CR0_TS (1 << 3) %define CR0_WP (1 << 16) %define CR0_PG (1 << 31)
%define PTE_PRESENT (1 << 0) %define PTE_WRITE (1 << 1) %define OUTTER_PGTBL 0x1000 %define INNER_PGTBL 0x2000
msg:db "Hello world from sinkinben", 0 gdt:dw 0,0,0,0 ; dummy
dw 0xFFFF ; limit=4GB dw 0x0000 ; base address=0 dw 0x9A00 ; code read/exec dw 0x00CF ; granularity=4096,386
dw 0xFFFF ; limit=4GB dw 0x0000 ; base address=0 dw 0x9200 ; data read/write dw 0x00CF ; granularity=4096,386
align 8 gdt_desc: dw 23 ; gdt limit=sizeof(gdt) - 1 dw gdt
times 510-($-$$) db 0 dw 0xAA55 |
实模式：初始化
设置段寄存器。
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org 0x7c00 [bits 16] ; First, BIOS loads the bootsector into 0000:7C00. cli xor ax, ax mov ds, ax mov ss, ax mov sp, 0 |
实模式：A20地址线激活
参考：https://wenku.baidu.com/view/d6efe68fcc22bcd126ff0c00.html
在8086/8088中，地址线20条（A0-A19），可寻址空间220bytes=1MB（可使用内存最大值）。但是寄存器是16位的（CPU可以"看到"216=64KB的内存），所以才引入了段寄存器，引入之后，寻址格式变为[ES:DI]，计算方法是ES<<4+DI（这个值是20bit的）。
在这种情况下，CPU可以"看到"的内存的最大地址是:[0xFFFF: 0xFFFF] = 0x10FFEF = 1087 KB > 1024KB
本来是为了让CPU能看到完整的1MB内存，但是现在却多出了[1024, 1087]这个区间的地址，如果程序访问了这个区间的地址，CPU该如何处理？
答案是：当程序员给出超过1M（100000H-10FFEFH）的地址时，系统并不认为其访问越界而产生异常，而是自动从重新0开始计算。
即：存在映射：1024=>0, 1025=>1以此类推。
但是后来的80286，系统的地址总线发展为24根(A0-A23)，这样能够访问的内存可以达到224=16M。
这样使得80286芯片却存在一个问题：如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存，而不是重新从0开始。
这就导致一个问题：不能在80286上面运行8086/8088的程序。（不能向前兼容，当时80286性能再好也不会有人买）
为了解决这个问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线，即A20 Gate。
- 如果A20 Gate被打开，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；
- 如果A20 Gate被禁止，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式。
从80286开始出现保护模式，那么A20 Gate就一定需要激活。
如果A20 Gate被禁止（不论给出的地址中A20是什么，CPU将A20看作0处理）：
- 对于80286来说，其地址为24bit，其地址表示为EFFFFF；
- 对于80386极其随后的32-bit芯片来说，其地址表示为FFEFFFFF。
如果A20禁止，那么访问到的地址不是连续的。
A20地址线的激活是通过一个叫8042的芯片完成的，其编程方法和8259中断控制器类似，但是比8259简单得多。
主要步骤是：
- 禁止中断(cli)
- 等待输入缓冲(端口0x64)为空
- 把0xd1写入端口0x64(0xd1表示下面要准备写数据到输出端口P2，IBM-PC使用P2的位2即P21来控制A20地址线)
- 等待输入缓冲(端口0x64)为空
- 把0xdf写入端口0x60。0xdf = 11011111, P21所在bit为1。（0bit是P25）
汇编程序
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; Enable A20 wait_8042_1: in al, 0x64 test al, 0x2 jnz wait_8042_1 mov al, 0xd1 out 0x64, al
wait_8042_2: in al, 0x64 test al, 0x2 jnz wait_8042_2 mov al, 0xdf out 0x60, al |
实模式：保护模式开启
开启保护模式的主要工作有：
- 段寄存器初始化
- GDT的初始化
- CR0寄存器PE位的设置
参考https://www.cnblogs.com/sinkinben/p/10888599.html
开启保护模式代码
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; Switch to protect mode lgdt [gdt_desc] mov eax, cr0 or eax, CR0_PE mov cr0, eax jmp 0x08:start32
[bits 32] start32: ; In protect mode cli mov ax, 0x10 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov esp, 0x10000 |
保护模式：开启分页
开启分页的主要工作：
- 二级页表初始化（包括PDE和PTE）
- 保存页表基地址（CR3）
- 设置CR0的PG位
PTE表项的格式
其中，31-12bit是该PTE项对应的物理页框号。
其实PDE表项的格式与之类似，32-12bit是PDE项对应的PTE表的基地址。
代码
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; Initialize inner page table(页表) mov eax, PTE_WRITE|PTE_PRESENT ;PTE项的实际内容 mov edi, INNER_PGTBL ;PTE表在内存中的起始地址 mov ecx, 1024 cld init_pte: stosd ;eax => [edi] add eax, 4096 ;每个页面4KB大小，4096=1 0000 0000 0000 loop init_pte ;loop 1024 times, 即1024个PTE项
; Initialize outter page table ; 页目录项全部0，即PDE[i] = 0 xor eax, eax mov edi, OUTTER_PGTBL mov ecx, 1024 cld rep stosd ; 设置2个PDE mov dword [OUTTER_PGTBL+0*4], INNER_PGTBL|PTE_WRITE|PTE_PRESENT ;PDE[0] -> PTE[0] mov dword [OUTTER_PGTBL+1*4], INNER_PGTBL|PTE_WRITE|PTE_PRESENT ;PDE[1] -> PTE[0] ; Load CR3 mov eax, OUTTER_PGTBL ;页目录基地址 mov cr3, eax ; Enable paging and write-protect mov eax, cr0 and eax, ~(CR0_EM|CR0_TS) ;把EM和TS位清零 or eax, CR0_PG|CR0_WP|CR0_MP ;把PG、WP、MP位置1 mov cr0, eax |
保护模式：输出字符串
完整代码
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%define CR0_PE (1 << 0) %define CR0_MP (1 << 1) %define CR0_EM (1 << 2) %define CR0_TS (1 << 3) %define CR0_WP (1 << 16) %define CR0_PG (1 << 31)
%define PTE_PRESENT (1 << 0) %define PTE_WRITE (1 << 1) %define OUTTER_PGTBL 0x1000 %define INNER_PGTBL 0x2000
org 0x7c00 [bits 16] ; First, BIOS loads the bootsector into 0000:7C00. cli xor ax, ax mov ds, ax mov ss, ax mov sp, 0
; Enable A20 wait_8042_1: in al, 0x64 test al, 0x2 jnz wait_8042_1 mov al, 0xd1 out 0x64, al
wait_8042_2: in al, 0x64 test al, 0x2 jnz wait_8042_2 mov al, 0xdf out 0x60, al
; Switch to protect mode lgdt [gdt_desc] mov eax, cr0 or eax, CR0_PE mov cr0, eax jmp 0x08:start32
[bits 32] start32: ; In protect mode cli mov ax, 0x10 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov esp, 0x10000
; Initialize inner page table mov eax, PTE_WRITE|PTE_PRESENT mov edi, INNER_PGTBL mov ecx, 1024 cld init_pte: stosd add eax, 4096 loop init_pte
; Initialize outter page table xor eax, eax mov edi, OUTTER_PGTBL mov ecx, 1024 cld rep stosd mov dword [OUTTER_PGTBL+0*4], INNER_PGTBL|PTE_WRITE|PTE_PRESENT mov dword [OUTTER_PGTBL+1*4], INNER_PGTBL|PTE_WRITE|PTE_PRESENT
; Load CR3 mov eax, OUTTER_PGTBL mov cr3, eax
; Enable paging and write-protect mov eax, cr0 and eax, ~(CR0_EM|CR0_TS) or eax, CR0_PG|CR0_WP|CR0_MP mov cr0, eax
mov esi, msg mov edi, 0xB8000 label: mov al, [esi] mov ah, 0x0c mov [edi], ax add edi, 2 inc esi cmp al, 0 jne label jmp $ align 8 msg:db "Hello world from sinkinben", 0 gdt:dw 0,0,0,0 ; dummy
dw 0xFFFF ; limit=4GB dw 0x0000 ; base address=0 dw 0x9A00 ; code read/exec dw 0x00CF ; granularity=4096,386
dw 0xFFFF ; limit=4GB dw 0x0000 ; base address=0 dw 0x9200 ; data read/write dw 0x00CF ; granularity=4096,386
align 8 gdt_desc: dw 23 ; gdt limit=sizeof(gdt) - 1 dw gdt
times 510-($-$$) db 0 dw 0xAA55 |
如何运行？
QEMU硬盘启动：
nasm -f bin -o paging-string.bin paging-string.asm
dd if=paging-string.bin of=paging-string.img count=1 bs=512 conv=notrunc
qemu-system-i386 paging-string.img
