X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（39）-第14章 任务和特权级保护（5）
本帖最后由 兰陵月 于 2017-12-15 12:21 编辑;代码清单14-1
;文件名：c14_core.asm
;文件说明：保护模式微型核心程序
;创建日期：2011-11-6 18:37
;以下常量定义部分。内核的大部分内容都应当固定
core_code_seg_sel equ0x38 ;内核代码段选择子
core_data_seg_sel equ0x30 ;内核数据段选择子
sys_routine_seg_sel equ0x28 ;系统公共例程代码段的选择子
video_ram_seg_sel equ0x20 ;视频显示缓冲区的段选择子
core_stack_seg_sel equ0x18 ;内核堆栈段选择子
mem_0_4_gb_seg_sel equ0x08 ;整个0-4GB内存的段的选择子
;-------------------------------------------------------------------------------
;以下是系统核心的头部，用于加载核心程序
core_length dd core_end ;核心程序总长度#00
sys_routine_segdd section.sys_routine.start
;系统公用例程段位置#04
core_data_seg dd section.core_data.start
;核心数据段位置#08
core_code_seg dd section.core_code.start
;核心代码段位置#0c
core_entry dd start ;核心代码段入口点#10
dw core_code_seg_sel
;===============================================================================
;===============================================================================
SECTION sys_routine vstart=0 ;系统公共例程代码段
;-------------------------------------------------------------------------------
;字符串显示例程
put_string: ;显示0终止的字符串并移动光标
;输入：DS:EBX=串地址
push ecx
.getc:
mov cl,
or cl,cl
jz .exit
call put_char
inc ebx
jmp .getc
.exit:
pop ecx
retf ;段间返回
;-------------------------------------------------------------------------------
put_char: ;在当前光标处显示一个字符,并推进
;光标。仅用于段内调用
;输入：CL=字符ASCII码
pushad
;以下取当前光标位置
mov dx,0x3d4
mov al,0x0e
out dx,al
inc dx ;0x3d5
in al,dx ;高字
mov ah,al
dec dx ;0x3d4
mov al,0x0f
out dx,al
inc dx ;0x3d5
in al,dx ;低字
mov bx,ax ;BX=代表光标位置的16位数
cmp cl,0x0d ;回车符？
jnz .put_0a
mov ax,bx
mov bl,80
div bl
mul bl
mov bx,ax
jmp .set_cursor
.put_0a:
cmp cl,0x0a ;换行符？
jnz .put_other
add bx,80
jmp .roll_screen
.put_other: ;正常显示字符
push es
mov eax,video_ram_seg_sel ;0xb8000段的选择子
mov es,eax
shl bx,1
mov ,cl
pop es
;以下将光标位置推进一个字符
shr bx,1
inc bx
.roll_screen:
cmp bx,2000 ;光标超出屏幕？滚屏
jl .set_cursor
push ds
push es
mov eax,video_ram_seg_sel
mov ds,eax
mov es,eax
cld
mov esi,0xa0 ;小心！32位模式下movsb/w/d
mov edi,0x00 ;使用的是esi/edi/ecx
mov ecx,1920
rep movsd
mov bx,3840 ;清除屏幕最底一行
mov ecx,80 ;32位程序应该使用ECX
.cls:
mov word,0x0720
add bx,2
loop .cls
pop es
pop ds
mov bx,1920
.set_cursor:
mov dx,0x3d4
mov al,0x0e
out dx,al
inc dx ;0x3d5
mov al,bh
out dx,al
dec dx ;0x3d4
mov al,0x0f
out dx,al
inc dx ;0x3d5
mov al,bl
out dx,al
popad
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
read_hard_disk_0: ;从硬盘读取一个逻辑扇区
;EAX=逻辑扇区号
;DS:EBX=目标缓冲区地址
;返回：EBX=EBX+512
push eax
push ecx
push edx
push eax
mov dx,0x1f2
mov al,1
out dx,al ;读取的扇区数
inc dx ;0x1f3
pop eax
out dx,al ;LBA地址7~0
inc dx ;0x1f4
mov cl,8
shr eax,cl
out dx,al ;LBA地址15~8
inc dx ;0x1f5
shr eax,cl
out dx,al ;LBA地址23~16
inc dx ;0x1f6
shr eax,cl
or al,0xe0 ;第一硬盘LBA地址27~24
out dx,al
inc dx ;0x1f7
mov al,0x20 ;读命令
out dx,al
.waits:
in al,dx
and al,0x88
cmp al,0x08
jnz .waits ;不忙，且硬盘已准备好数据传输
mov ecx,256 ;总共要读取的字数
mov dx,0x1f0
.readw:
in ax,dx
mov ,ax
add ebx,2
loop .readw
pop edx
pop ecx
pop eax
retf ;段间返回
;-------------------------------------------------------------------------------
;汇编语言程序是极难一次成功，而且调试非常困难。这个例程可以提供帮助
put_hex_dword: ;在当前光标处以十六进制形式显示
;一个双字并推进光标
;输入：EDX=要转换并显示的数字
;输出：无
pushad
push ds
mov ax,core_data_seg_sel ;切换到核心数据段
mov ds,ax
mov ebx,bin_hex ;指向核心数据段内的转换表
mov ecx,8
.xlt:
rol edx,4
mov eax,edx
and eax,0x0000000f
xlat
push ecx
mov cl,al
call put_char
pop ecx
loop .xlt
pop ds
popad
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
allocate_memory: ;分配内存
;输入：ECX=希望分配的字节数
;输出：ECX=起始线性地址
push ds
push eax
push ebx
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
mov eax,
add eax,ecx ;下一次分配时的起始地址
;这里应当有检测可用内存数量的指令
mov ecx, ;返回分配的起始地址
mov ebx,eax
and ebx,0xfffffffc
add ebx,4 ;强制对齐
test eax,0x00000003 ;下次分配的起始地址最好是4字节对齐
cmovnz eax,ebx ;如果没有对齐，则强制对齐
mov ,eax ;下次从该地址分配内存
;cmovcc指令可以避免控制转移
pop ebx
pop eax
pop ds
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
set_up_gdt_descriptor: ;在GDT内安装一个新的描述符
;输入：EDX:EAX=描述符
;输出：CX=描述符的选择子
push eax
push ebx
push edx
push ds
push es
mov ebx,core_data_seg_sel ;切换到核心数据段
mov ds,ebx
sgdt ;以便开始处理GDT
mov ebx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov es,ebx
movzx ebx,word ;GDT界限
inc bx ;GDT总字节数，也是下一个描述符偏移
add ebx, ;下一个描述符的线性地址
mov ,eax
mov ,edx
add word ,8 ;增加一个描述符的大小
lgdt ;对GDT的更改生效
mov ax, ;得到GDT界限值
xor dx,dx
mov bx,8
div bx ;除以8，去掉余数
mov cx,ax
shl cx,3 ;将索引号移到正确位置
pop es
pop ds
pop edx
pop ebx
pop eax
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
make_seg_descriptor: ;构造存储器和系统的段描述符
;输入：EAX=线性基地址
; EBX=段界限
; ECX=属性。各属性位都在原始
; 位置，无关的位清零
;返回：EDX:EAX=描述符
mov edx,eax
shl eax,16
or ax,bx ;描述符前32位(EAX)构造完毕
and edx,0xffff0000 ;清除基地址中无关的位
rol edx,8
bswap edx ;装配基址的31~24和23~16(80486+)
xor bx,bx
or edx,ebx ;装配段界限的高4位
or edx,ecx ;装配属性
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
make_gate_descriptor: ;构造门的描述符（调用门等）
;输入：EAX=门代码在段内偏移地址
; BX=门代码所在段的选择子
; CX=段类型及属性等（各属
; 性位都在原始位置）
;返回：EDX:EAX=完整的描述符
push ebx
push ecx
mov edx,eax
and edx,0xffff0000 ;得到偏移地址高16位
or dx,cx ;组装属性部分到EDX
and eax,0x0000ffff ;得到偏移地址低16位
shl ebx,16
or eax,ebx ;组装段选择子部分
pop ecx
pop ebx
retf
sys_routine_end:
;===============================================================================
SECTION core_data vstart=0 ;系统核心的数据段
;-------------------------------------------------------------------------------
pgdt dw0 ;用于设置和修改GDT
dd0
ram_alloc dd0x00100000 ;下次分配内存时的起始地址
;符号地址检索表
salt:
salt_1 db'@PrintString'
times 256-($-salt_1) db 0
ddput_string
dwsys_routine_seg_sel
salt_2 db'@ReadDiskData'
times 256-($-salt_2) db 0
ddread_hard_disk_0
dwsys_routine_seg_sel
salt_3 db'@PrintDwordAsHexString'
times 256-($-salt_3) db 0
ddput_hex_dword
dwsys_routine_seg_sel
salt_4 db'@TerminateProgram'
times 256-($-salt_4) db 0
ddreturn_point
dwcore_code_seg_sel
salt_item_len equ $-salt_4
salt_items equ ($-salt)/salt_item_len
message_1 db'If you seen this message,that means we '
db'are now in protect mode,and the system '
db'core is loaded,and the video display '
db'routine works perfectly.',0x0d,0x0a,0
message_2 db'System wide CALL-GATE mounted.',0x0d,0x0a,0
message_3 db0x0d,0x0a,'Loading user program...',0
do_status db'Done.',0x0d,0x0a,0
message_6 db0x0d,0x0a,0x0d,0x0a,0x0d,0x0a
db'User program terminated,control returned.',0
bin_hex db '0123456789ABCDEF'
;put_hex_dword子过程用的查找表
core_buf times 2048 db 0 ;内核用的缓冲区
esp_pointer dd 0 ;内核用来临时保存自己的栈指针
cpu_brnd0 db 0x0d,0x0a,'',0
cpu_brandtimes 52 db 0
cpu_brnd1 db 0x0d,0x0a,0x0d,0x0a,0
;任务控制块链
tcb_chain dd0
core_data_end:
;===============================================================================
SECTION core_code vstart=0
;-------------------------------------------------------------------------------
fill_descriptor_in_ldt: ;在LDT内安装一个新的描述符
;输入：EDX:EAX=描述符
; EBX=TCB基地址
;输出：CX=描述符的选择子
push eax
push edx
push edi
push ds
mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov ds,ecx
mov edi, ;获得LDT基地址
xor ecx,ecx
mov cx, ;获得LDT界限
inc cx ;LDT的总字节数，即新描述符偏移地址
mov ,eax
mov ,edx ;安装描述符
add cx,8
dec cx ;得到新的LDT界限值
mov ,cx ;更新LDT界限值到TCB
mov ax,cx
xor dx,dx
mov cx,8
div cx
mov cx,ax
shl cx,3 ;左移3位，并且
or cx,0000_0000_0000_0100B ;使TI位=1，指向LDT，最后使RPL=00
pop ds
pop edi
pop edx
pop eax
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
load_relocate_program: ;加载并重定位用户程序
;输入: PUSH 逻辑扇区号
; PUSH 任务控制块基地址
;输出：无
pushad
push ds
push es
mov ebp,esp ;为访问通过堆栈传递的参数做准备
mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov es,ecx
mov esi, ;从堆栈中取得TCB的基地址
;以下申请创建LDT所需要的内存
mov ecx,160 ;允许安装20个LDT描述符
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
mov ,ecx ;登记LDT基地址到TCB中
mov word ,0xffff ;登记LDT初始的界限到TCB中
;以下开始加载用户程序
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax ;切换DS到内核数据段
mov eax, ;从堆栈中取出用户程序起始扇区号
mov ebx,core_buf ;读取程序头部数据
call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
;以下判断整个程序有多大
mov eax, ;程序尺寸
mov ebx,eax
and ebx,0xfffffe00 ;使之512字节对齐（能被512整除的数低
add ebx,512 ;9位都为0
test eax,0x000001ff ;程序的大小正好是512的倍数吗?
cmovnz eax,ebx ;不是。使用凑整的结果
mov ecx,eax ;实际需要申请的内存数量
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
mov ,ecx ;登记程序加载基地址到TCB中
mov ebx,ecx ;ebx -> 申请到的内存首地址
xor edx,edx
mov ecx,512
div ecx
mov ecx,eax ;总扇区数
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;切换DS到0-4GB的段
mov ds,eax
mov eax, ;起始扇区号
.b1:
call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
inc eax
loop .b1 ;循环读，直到读完整个用户程序
mov edi, ;获得程序加载基地址
;建立程序头部段描述符
mov eax,edi ;程序头部起始线性地址
mov ebx, ;段长度
dec ebx ;段界限
mov ecx,0x0040f200 ;字节粒度的数据段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
;安装头部段描述符到LDT中
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ,cx ;登记程序头部段选择子到TCB
mov ,cx ;和头部内
;建立程序代码段描述符
mov eax,edi
add eax, ;代码起始线性地址
mov ebx, ;段长度
dec ebx ;段界限
mov ecx,0x0040f800 ;字节粒度的代码段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ,cx ;登记代码段选择子到头部
;建立程序数据段描述符
mov eax,edi
add eax, ;数据段起始线性地址
mov ebx, ;段长度
dec ebx ;段界限
mov ecx,0x0040f200 ;字节粒度的数据段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ,cx ;登记数据段选择子到头部
;建立程序堆栈段描述符
mov ecx, ;4KB的倍率
mov ebx,0x000fffff
sub ebx,ecx ;得到段界限
mov eax,4096
mul ecx
mov ecx,eax ;准备为堆栈分配内存
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
add eax,ecx ;得到堆栈的高端物理地址
mov ecx,0x00c0f600 ;字节粒度的堆栈段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ,cx ;登记堆栈段选择子到头部
;重定位SALT
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;这里和前一章不同，头部段描述符
mov es,eax ;已安装，但还没有生效，故只能通
;过4GB段访问用户程序头部
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
cld
mov ecx, ;U-SALT条目数(通过访问4GB段取得)
add edi,0x28 ;U-SALT在4GB段内的偏移
.b2:
push ecx
push edi
mov ecx,salt_items
mov esi,salt
.b3:
push edi
push esi
push ecx
mov ecx,64 ;检索表中，每条目的比较次数
repe cmpsd ;每次比较4字节
jnz .b4
mov eax, ;若匹配，则esi恰好指向其后的地址
mov ,eax ;将字符串改写成偏移地址
mov ax,
or ax,0000000000000011B ;以用户程序自己的特权级使用调用门
;故RPL=3
mov ,ax ;回填调用门选择子
.b4:
pop ecx
pop esi
add esi,salt_item_len
pop edi ;从头比较
loop .b3
pop edi
add edi,256
pop ecx
loop .b2
mov esi, ;从堆栈中取得TCB的基地址
;创建0特权级堆栈
mov ecx,4096
mov eax,ecx ;为生成堆栈高端地址做准备
mov ,ecx
shr dword ,12 ;登记0特权级堆栈尺寸到TCB
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
add eax,ecx ;堆栈必须使用高端地址为基地址
mov ,eax ;登记0特权级堆栈基地址到TCB
mov ebx,0xffffe ;段长度（界限）
mov ecx,0x00c09600 ;4KB粒度，读写，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
;or cx,0000_0000_0000_0000 ;设置选择子的特权级为0
mov ,cx ;登记0特权级堆栈选择子到TCB
mov dword ,0 ;登记0特权级堆栈初始ESP到TCB
;创建1特权级堆栈
mov ecx,4096
mov eax,ecx ;为生成堆栈高端地址做准备
mov ,ecx
shr ,12 ;登记1特权级堆栈尺寸到TCB
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
add eax,ecx ;堆栈必须使用高端地址为基地址
mov ,eax ;登记1特权级堆栈基地址到TCB
mov ebx,0xffffe ;段长度（界限）
mov ecx,0x00c0b600 ;4KB粒度，读写，特权级1
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0001 ;设置选择子的特权级为1
mov ,cx ;登记1特权级堆栈选择子到TCB
mov dword ,0 ;登记1特权级堆栈初始ESP到TCB
;创建2特权级堆栈
mov ecx,4096
mov eax,ecx ;为生成堆栈高端地址做准备
mov ,ecx
shr ,12 ;登记2特权级堆栈尺寸到TCB
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
add eax,ecx ;堆栈必须使用高端地址为基地址
mov ,ecx ;登记2特权级堆栈基地址到TCB
mov ebx,0xffffe ;段长度（界限）
mov ecx,0x00c0d600 ;4KB粒度，读写，特权级2
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0010 ;设置选择子的特权级为2
mov ,cx ;登记2特权级堆栈选择子到TCB
mov dword ,0 ;登记2特权级堆栈初始ESP到TCB
;在GDT中登记LDT描述符
mov eax, ;LDT的起始线性地址
movzx ebx,word ;LDT段界限
mov ecx,0x00408200 ;LDT描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov ,cx ;登记LDT选择子到TCB中
;创建用户程序的TSS
mov ecx,104 ;tss的基本尺寸
mov ,cx
dec word ;登记TSS界限值到TCB
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
mov ,ecx ;登记TSS基地址到TCB
;登记基本的TSS表格内容
mov word ,0 ;反向链=0
mov edx, ;登记0特权级堆栈初始ESP
mov ,edx ;到TSS中
mov dx, ;登记0特权级堆栈段选择子
mov ,dx ;到TSS中
mov edx, ;登记1特权级堆栈初始ESP
mov ,edx ;到TSS中
mov dx, ;登记1特权级堆栈段选择子
mov ,dx ;到TSS中
mov edx, ;登记2特权级堆栈初始ESP
mov ,edx ;到TSS中
mov dx, ;登记2特权级堆栈段选择子
mov ,dx ;到TSS中
mov dx, ;登记任务的LDT选择子
mov ,dx ;到TSS中
mov dx, ;登记任务的I/O位图偏移
mov ,dx ;到TSS中
mov word ,0 ;T=0
;在GDT中登记TSS描述符
mov eax, ;TSS的起始线性地址
movzx ebx,word ;段长度（界限）
mov ecx,0x00408900 ;TSS描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov ,cx ;登记TSS选择子到TCB
pop es ;恢复到调用此过程前的es段
pop ds ;恢复到调用此过程前的ds段
popad
ret 8 ;丢弃调用本过程前压入的参数
;-------------------------------------------------------------------------------
append_to_tcb_link: ;在TCB链上追加任务控制块
;输入：ECX=TCB线性基地址
push eax
push edx
push ds
push es
mov eax,core_data_seg_sel ;令DS指向内核数据段
mov ds,eax
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;令ES指向0..4GB段
mov es,eax
mov dword ,0 ;当前TCB指针域清零，以指示这是最
;后一个TCB
mov eax, ;TCB表头指针
or eax,eax ;链表为空？
jz .notcb
.searc:
mov edx,eax
mov eax,
or eax,eax
jnz .searc
mov ,ecx
jmp .retpc
.notcb:
mov ,ecx ;若为空表，直接令表头指针指向TCB
.retpc:
pop es
pop ds
pop edx
pop eax
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
start:
mov ecx,core_data_seg_sel ;使ds指向核心数据段
mov ds,ecx
mov ebx,message_1
call sys_routine_seg_sel:put_string
;显示处理器品牌信息
mov eax,0x80000002
cpuid
mov ,eax
mov ,ebx
mov ,ecx
mov ,edx
mov eax,0x80000003
cpuid
mov ,eax
mov ,ebx
mov ,ecx
mov ,edx
mov eax,0x80000004
cpuid
mov ,eax
mov ,ebx
mov ,ecx
mov ,edx
mov ebx,cpu_brnd0 ;显示处理器品牌信息
call sys_routine_seg_sel:put_string
mov ebx,cpu_brand
call sys_routine_seg_sel:put_string
mov ebx,cpu_brnd1
call sys_routine_seg_sel:put_string
;以下开始安装为整个系统服务的调用门。特权级之间的控制转移必须使用门
mov edi,salt ;C-SALT表的起始位置
mov ecx,salt_items ;C-SALT表的条目数量
.b3:
push ecx
mov eax, ;该条目入口点的32位偏移地址
mov bx, ;该条目入口点的段选择子
mov cx,1_11_0_1100_000_00000B ;特权级3的调用门(3以上的特权级才
;允许访问)，0个参数(因为用寄存器
;传递参数，而没有用栈)
call sys_routine_seg_sel:make_gate_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov ,cx ;将返回的门描述符选择子回填
add edi,salt_item_len ;指向下一个C-SALT条目
pop ecx
loop .b3
;对门进行测试
mov ebx,message_2
call far ;通过门显示信息(偏移量将被忽略)
mov ebx,message_3
call sys_routine_seg_sel:put_string ;在内核中调用例程不需要通过门
;创建任务控制块。这不是处理器的要求，而是我们自己为了方便而设立的
mov ecx,0x46
call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
call append_to_tcb_link ;将任务控制块追加到TCB链表
push dword 50 ;用户程序位于逻辑50扇区
push ecx ;压入任务控制块起始线性地址
call load_relocate_program
mov ebx,do_status
call sys_routine_seg_sel:put_string
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel
mov ds,eax
ltr ;加载任务状态段
lldt ;加载LDT
mov eax,
mov ds,eax ;切换到用户程序头部段
;以下假装是从调用门返回。摹仿处理器压入返回参数
push dword ;调用前的堆栈段选择子
push dword 0 ;调用前的esp
push dword ;调用前的代码段选择子
push dword ;调用前的eip
retf
return_point: ;用户程序返回点
mov eax,core_data_seg_sel ;因为c14.asm是以JMP的方式使用调
mov ds,eax ;用门@TerminateProgram，回到这
;里时，特权级为3，会导致异常。
mov ebx,message_6
call sys_routine_seg_sel:put_string
hlt
core_code_end:
;-------------------------------------------------------------------------------
SECTION core_trail
;-------------------------------------------------------------------------------
core_end:
页:
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