X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（30）-第13章 程序的动态加载和执行（8）
本帖最后由 兰陵月 于 2017-12-5 21:50 编辑13.3在内核中执行
从主引导扇区转移到内核后，程序会在内核程序的第532行开始执行。从第532行到第536行，主要是显示一个提示信息，其中使用了内核公用例程段的put_string过程，在该过程中又调用另一个过程put_char，这两个过程与第8章的两个过程名字一样，功能也是一样，但是实现过程稍有区别，这个区别当然是由于进入到保护模式下而导致的。第532行，将常数core_data_seg_sel的值传送给ecx寄存器。core_data_seg_sel在内核程序第8行有定义，它的值为0x30，注释为内核数据段的选择子。0x30的二进制表示方式为：0000000000110_0_00，从它的二进制方式我们可以看到内核数据段选择子的RPL位为“00”，表明其有最高特权级；它的TI位值为“0”，表明对应的段描述符在GDT中；索引值为110B，表明的对应的段描述符在GDT中为6#描述符。从图13-019中我们可以看到6#描述符是内核数据段描述符。第533行，把ECX寄存器中的段选择子值给段寄存器DS，处理器将在GDT中查找索引值为6的段描述符，在通过合法检查后，将该段描述符加载到DS的描述符高速缓存器中。检查的内容主要有：1、首先检查描述符是否超边界，本程序中索引值为6，而6×8+7等于55，因为55≤段界限63，因此本项检查通过；2、描述符类别字段检查，从主引导程序第115行我们可以知道数据段的属性值为0x00409200，其二进制表示形式为：0000 0000 0100 0000 1001 0010 0000 0000，可以看到该描述符的TYPE字段为0010，该值是一个有效值，因此本项检查通过；3、检查描述符的类别是否和段寄存器的用途匹配。本指令引用的段寄存器为DS，DS寄存器可以加载可读可写的数据段，可以加载可执行可读的代码段。本描述符TYPE字段为0010，表明这是一个可读可徐向上扩展的数据段。描述符类别和段寄存器相匹配，因此本项检查通过；4、检查描述符中的P位，如果P=0，表明虽然描述符已被定义，但该段实际并不存在于物理内存中。此时，处理器中止处理，引发异常中断11。一般来说，应当定义一个中断处理程序，把该描述符所对应的段从硬盘灯外部存储器调入内存，然后置P位。中断返回时，处理器将再次尝试刚才的操作。如果定义了调入内存的中断处理，则本检查最终会通过，如果没有中断11的处理程序，则本检查将不会通过；5、其他方面的检查。只有可以写入的数据段才能加载到SS的选择器，CS寄存器只允许加载代码段描述符。对于DS、ES、FS和GS的选择器，可以向其加载数值为0的选择子。第532行、第533行的意思是将内核的数据段与默认的段寄存器挂钩，因为内核程序需要使用自己的数据段。第535行、第536行，调用公共例程段内的一个过程来显示字符串。该call指令属于直接远转移，指令中给出了公共例程段的选择子和段内的偏移量。字符串是在第362行，用标号message_1声明，该处初始化了一段文字。显示例程put_string位于公共例程段内，在第37行定义。基本上，该过程的代码组成和工作原理都和从前一样，但也有不同之处。首先，这里的代码是32位模式的，字符串的地址由DS:EBX传入，过程返回用retf指令，而不是ret。这意味着，必须以远过程调用的方式使用它。在put_string过程的内部调用了另一个过程put_char。其中的movsd用于传送双字，不过是movsb还是movsw或者是movsd，在16位模式下，是把由DS:SI指向的源操作数传送到由ES:DI指向的目的地址。但是在32位模式下，源和目的则分别是DS:ESI和ES:EDI。第536行执行后，程序跳转至公共例程段标号put_string处，即第37行；第39行，因为过程内涉及到要操作ECX寄存器，所以将ECX中的内容压栈进行保护；第41行，将ebx指向的一个字符给cl；第42行，cl与自己进行或操作，最终结果还是自己，但是会影响标志寄存器的内容；第43行，判断标志寄存器的ZF是否为1，如果cl为零，则或操作后，ZF将变成1，如果cl不为零，则或操作后，ZF将变成0。如果ZF为1，则表明cl的值为零，表明字符串到结尾处，程序跳转至第48行，恢复ECX的值；第49行，程序远程返回。如果ZF为0，则表明cl的值不为零，是一个需要在屏幕上显示的字符串。调用put_char过程在屏幕上显示这个字符。显示完毕后，EBX自加1，指向下一个字符串，再次进行上面的比较。无论如何，最终程序都会来到第49行、第50行，然后返回第536行的下一句指令。回到第44行，当EBX指向一个需要在屏幕上显示的字符时，程序调用过程put_char，来到第56行。第56行，pushad，8个32位通用寄存器全进栈指令，压入堆栈的顺序是：EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI、EDI，然后堆栈指针寄存器ESP的值减32，所以ESP进栈的内容是PUSHAD执行之前的值。同样，第140行，POPAD指令，该指令从堆栈弹出内容以PUSHAD相反的顺序送到这些通用寄存器，从而恢复PUSHAD之前的寄存器内容。但堆栈指针寄存器SP的值不是由堆栈弹出，而是通过增加32来恢复。回到第59行，第59行~第70行用来获取光标的位置数据，为什么要得到光标的数据，因为显示完一个字符后，光标需要向前推进一个位置。同时也还可能会发生几种情况：一是字符串显示在屏幕上时，可能超过最右下角，这种情况再显示的话就需要滚屏；二是有时候读取的字符是0x0d，0x0a等换行和回车等控制性字符，这样需要移动光标的值。我们来复习一下前面学过的知识，在书的第142页，第8章硬盘和显卡的访问与控制第8.4.4小节内容。光标在屏幕上的位置保存在显卡内部的两个光标寄存器中，每个寄存器是8位的，合起来形成一个16位的数值，该寄存器是可读可写的。光标寄存器要通过索引寄存器间接访问。索引寄存器的端口号0x3d4，可以向它写入一个值，用来指定内部的某个寄存器。两个8位光标寄存器的索引值分别是0x0e和0x0f，分别用于提供光标位置的高8位和低8位。指定了寄存器之后，要对它进行读写，可以通过数据端口0x3d5来进行。回到第59行，将索引寄存器的端口号0x3d4传送给dx；第60行，将高8位的光标寄存器索引值0x0e传送给al；第61行，将0x0e写入端口号0x3d4，指定要操作的高8位光标寄存器；第62行，dx自加1，端口号变成0x3d5；第63行，从端口0x3d5读出一个字节；第64行，将读出的字节传送至ah中；第66行，dx自减1，变成0x3d4；第67行，将低8位的光标寄存器索引值0x0f传送给al；第68行，将0x0f写入端口号0x3d4，指定要操作的低8位光标寄存器；第69行，dx自加1，端口号变成0x3d5；第70行，从0x3d5端口读取一个字节到al。第70行执行完毕之后，寄存器AX中就是完整的光标位置数据。第71行，将光标位置数据给BX留存备份。第73行，将cl的值与0x0d（回车符，回车符的意思是回到本行行首）进行比较。我们知道cl的值由第41行得来，它是刚刚取到的字符。第74行，jnz .put_0a，如果cl是回车符，则执行第75行；第75行~第78行，将光标位置数据除以80，再用得到的商乘以80，这样就得到光标在本行行首的位置数据，得到该位置数据后，跳转到标号.set_cursor；再回到第74行，假如cl不是回车符，则跳转到第82、83行，将cl与0x0a（换行符）进行比较；第84行，假如cl是换行符，则将光标位置数据加上80，变到下一行，同时跳转到标号.roll_screen处，进行是否滚屏的处理。假如不是换行符（程序执行到这里的时候表明cl同时也不是回车符，表明是一个需要输出到屏幕上的字符），则跳转到标号.put_other处，进行字符的输出处理。第89行，因此要操作ES寄存器，因此先将ES的值压栈保存；第90行，将常数video_ram_seg_sel给EAX。Video_ram_seg_sel在第10行有定义，值为0x20，注释为视频显示缓冲区的段选择子。0x20用二进制形式可以表示为：0000000000100_0_00，可以看到该段选择子RPL=00，TI=0，索引值为100，即4。从图13-019可以看到，这是4#描述符（显示缓冲区描述符），段基址0x000B8000，段界限0x07FFF的数据段；第91行，将该选择子值传送至es寄存器；第92行，将光标位置数据逻辑左移1位，相当于乘以2，这就是光标位置在内存中的偏移地址；第93行，将cl中的字符写入该偏移地址；第94行，es操作完毕，弹出恢复。第97行，将bx的值逻辑右移1位，相当于除以2，这样又恢复了其光标位置身份，而不是偏移地址身份了；第98行，将bx的值自加1，即往前推进一个位置。第100行，无论是通过换行即从第86行跳转过来，还是通过显示字符串执行到此处，程序都会来到这里。但读取到了回车符时程序并不会来到这里，因为如果读到了回车符后，光标位置不会增加，只会变小（比如光标原来本行除行首外的位置）或者不变（比如光标本来就在行首），既然光标位置不会增加，那当然就不需要考虑到滚屏的情况了，这也就是第80行并不会跳转到这里，而是直接跳转到设置光标程序处的原因。回到第101行，现在BX（存放光标位置数据）变大了，因此我们要考虑是否滚屏，第101行，将bx与2000做比较，为什么与2000做比较，因为屏幕最右下角的光标位置数据为1999；第102行，jl .set_cursor，如果bx值小于2000，代表还不需要滚屏，程序直接跳转到标号.set_cursor处，直接移动光标。如果bx大于等于2000，则需要进行滚屏操作。因为要到段寄存器ds和es，所以第104行、105行，将这两个寄存器压栈保护，滚屏实际上就是将第2行到第25行的内容复制到第1行到第24行，然后再讲第25行用空格填充。用了movsd指令，这里不再细说。滚屏操作后，光标肯定到第25行行首位置，此时光标位置数据为1920，所以将该位置数据给BX。不管是回车、换行，还是显示可打印字符，光标位置数据都会发生变化，最终都要将变化后的光标位置数据写回光标寄存器，在屏幕上设置光标。第127行~第132行，将光标位置高8位写入；第134行~第138行，将光标位置低8位写入；第140行，恢复各寄存器的值；第141行，程序返回，用ret返回，这是段内返回，返回到put_string中。提示信息显示结束之后，程序运行到第539行。第539行到第565行的主要工作是显示处理器品牌信息。处理器的功能是很强劲的，同时，在处理器内部也隐藏着太多的秘密，除了处理器的型号，还有大量的特征信息，比如高速缓存的数量、是否具备温度和电源管理功能、逻辑处理器的数量、高级可编程中断控制器的类型、线性（物理）地址的宽度、是否具有多媒体扩展和单指令多数据指令等特性。但是由于处理器的更新换代，软件也跟着更新换代，但是原来的老处理器仍然在使用，这个时候使用新指令的软件就不能运行在旧版的处理器上了。因此，在决定程序是否能运行前，我们必须探测和挖掘处理器内部的秘密。cpuid指令（CPU Identification）用于返回处理器的标识和特性信息。EAX用于指定要返回什么样的信息，也就是功能。有时候，还要用到ECX寄存器。cpuid指令执行后，处理器将返回的信息放在EAX、EBX、ECX或者EDX中。原则上，在使用cpuid指令前，先要检测处理器是否支持该指令；接着再用cpuid指令检测是否支持所需要的功能。下图图13-020为扩展到32位长度的标志寄存器EFLAGS，它的ID标志位（位21）可以被设置和清除，则不支持CPUID指令，反之，该处理器支持该指令。这个标志最开始出现在80486上，而80486处理器已经很久远了，现在已经没人使用这样的计算机了，所以，一般情况下，不需要检测处理器是否支持cpuid指令。
为了探测处理器最大能够支持的功能号，应该先用0号功能来执行cpuid指令：mov eax,0cupid。处理器执行后，将在EAX中返回最大可以支持的功能号。同时，还在EBX、ECX和EDX中返回处理器供应商的信息。对于Intel处理器来说，返回的信息如下：EBX←0x756E6547（对应字符串“Genu”，G在BL中，其他类推）EDX←0x49656E69（对应字符串“ineI”，i在DL中，其他类推）ECX←0x6C65746E（对应字符串“ntel”，n在CL中，其他类推）组合起来就是“GenuineIntel”。要返回处理器的品牌信息，需要使用0x80000002~0x80000004号功能，分三次进行。该功能仅被奔腾4之后的处理器支持，正确的做法是先用0号功能执行cpuid指令，以判断自己的处理器是否支持。本程序未这样做，省略（但这是不应该的）。第539行~第558行，分三次获得处理器的品牌信息，并依次存入标号cpu_brand处的52字节长度的缓冲区中，程序中直接使用了每隔4字节的偏移，很好理解。Cpuid返回的处理器信息是ASCII码，因此不需要再进行转换，直接就可以在屏幕上显示输出。第560、561行，输出标号cpu_brnd0处的字符,即一个回车一个换行，再输出两个空格。第562、563行，输出标号cpu_brand处的字符信息，我们刚才通过三次cpuid指令得到的处理器的品牌信息ASCII码就存放标号cpu_brand处的缓冲区里。第564、565行，输出标号cpu_brnd1处的字符，即两个换行符两个回车符。到这里为止，处理器的品牌信息就输出完成了。
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