X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（21）-第12章 存储器的保护（3）

兰陵月

【12.2.2 创建GDT并安装段描述符】

在进入保护模式前，必须要定义全局描述符表（GDT）。而全局描述符表（GDT）的跟踪、访问要靠处理器内部的一个48位的寄存器，它的名字叫做全局描述符表寄存器（GDTR），该寄存器的0~15位是全局描述符表的界限值（共16位），16~47位是全局描述符表的线性基地址（32位）。

准备工作1：设置好全局描述符表GDT的线性起始基地址。

根据上面的知识，我们知道了，要定义全局描述符表，必须要设置好线性基地址和表界限值。线性基地址我们在设计程序的时候已经确定好了，在源程序的第108行定义了一个双字“0x00007E00”作为全局描述符表的起始线性基地址。但是不要忘记，现在我们还在16位实模式下，32位的线性基地址我们是不能直接访问操作的，我们只能用“16位段地址：16位偏移地址”这种方式访问内存，所以现在必须把32位的线性基地址转化为实模式下的“16位段地址：16位偏移地址”这种逻辑地址，这样才能继续后面的“安装段描述符”、“确定GDT界限值”、“用LGDT加载全局描述符表的线性基地址和界限到GDTR寄存器”等操作。如下图图3，程序第12行~18行，分解GDT的32位起始线性基地址。

                          

图3中，把32位线性基地址值传送给寄存器EAX，将寄存器EDX清零，设置除数为16，做32位除法。得到的商在寄存器EAX中，作为段地址数据（仅低16位有效）传送给寄存器DS[符合上文中编译后不带前缀0x66的规则]，得到的余数在寄存器EDX中（仅低16位有效），作为偏移地址数据传送给寄存器EBX。

得到了GDT的起始线性基地址，我们就可以对GDT进行操作了，比如添加描述符。当然描述符的内容—即具体数值，我们必须要先准备好。

准备工作2：设计好进入保护模式时需要用到的各个段的描述符，并安装到GDT的相关位置。

第1个描述符（索引号“0”）必须是空描述符。上一章的内容中说过，处理器规定，GDT中的第1个描述符必须是空描述符，或者叫哑描述符或NULL描述符。当然空描述符也是一个描述符，所以它也一样要占用8个字节。如上图图4第21行、第22行，创建0#描述符。

第2个描述符（索引号“1”）是数据段描述符，我们要设计的是一个可以访问0~4GB空间内的任意一个单元的段。因此这个数据段的基本数据应该如下：线性基地址0x00000000；段界限0xFFFFF；32位可读可写向上扩展的段；段粒度4KB，特权级00。因此该数据段的描述符低32位为：0x0000FFFF，高32位为：0x00CF9200。该描述符应该安装到段地址DS、偏移地址[EBX+0x08]处的2个双字。如上图图4第25行、第26行。

第3个描述符（索引号“2”）是代码段描述符，我们现在所在的段运行到当前行时，还处于16位实模式，但是运行到第59行后，就已经真正进入了32位保护模式了，所以这个代码段描述符就是为我们正在编写的这个段准备的，因此，这个代码段的基本数据应该如下：线性基地址0x00007C00；段界限0x001FF；32位的向上扩展只执行的段；段粒度为字节，特权级00。因此该代码段的描述符低32位为：0x7C0001FF，高32位为：0x00409800。该描述符应该安装到段地址DS、偏移地址[EBX+0x10]处的两个双字。如上图图4第29行、第30行。

第4个描述符（索引号“3”）是代码段的别名描述符。在保护模式下，代码段是不可写入的。所谓不可写入，并非是说改变了内存的物理性质，使得内存写不进去，而是说，通过该段的描述符来访问这个区域时，处理器不允许向里面写入数据或者更改数据。但是很多时候，我们需要对代码段做一些修改，比如在调试程序时，需要加入断点指令int3；比如说我们正在编写的这个程序中，有一个功能要对本段内的一些数据进行排序（定义本程序第105行），同样需要对本段进行写入操作。不管怎么样，如果需要访问代码段内的数据，只能重新为该段安装一个新的描述符，并将其定义为可读可写的数据段。这样，当需要修改代码段内的数据时，可以通过这个新的描述符来进行。这个描述符就叫做别名描述符，别名可以有多个。本程序中的别名描述符的基本数据为：线性基地址0x00007C00；段界限0x001FF；32位的向上扩展可读可写的数据段；段粒度为字节，特权级00。因此该代码段的描述符低32位为：0x7C0001FF，高32位为：0x00409200。该描述符应该安装到段地址DS、偏移地址[EBX+0x18]处的两个双字。如上图图4第33行、第34行。

第5个描述符（索引号“4”）是栈段描述符。这个栈段也是进入保护模式后程序使用。因此，这个栈段的基本数据应该如下：线性基地址0x00007C00；段界限0xFFFFE；32位的向下扩展可读可执行的段；段粒度为4KB，特权级00。因此该代码段的描述符低32位为：0x7C00FFFE，高32位为：0x00CF9600。该描述符应该安装到段地址DS、偏移地址[EBX+0x20]处的两个双字。如上图图4第36行、第37行。

到目前为止，程序运行在保护模式下需要用到的描述符都已经安装完成。

准备工作3：加载全局描述符表的线性基地址和界限到GDTR寄存器。

全局描述符表GDT的线性基地址我们已经设置好。GDT的界限是多少呢？界限值等于表的大小（总字节数）减1。当前GDT有5个描述符，每个描述符为8个字节，因此总共有40个字节，所以表界限值为40-1=39。

GDT的线性基地址和界限都已经知道，我们就可以用LGDT指令将两个数据加载到GDTR里，即将GDTR初始化。LGDT指令操作一个48位（6字节）数，要求低16位（前16位）是GDT的界限值，高32位（后32位）是GDT的线性基地址。如下图图5中，第40行，将GDT的界限值39传送到段地址CS，偏移地址pgdt+0x7C00处。偏移地址pgdt+0x7C00+0x02处的线性基地址我们编写程序时已经给定，程序在开始运行到此处的过程中，其值并未发生改变。（此时还在实模式下，可以使用“段地址：偏移地址”的内存寻址方式）；第42行将段地址CS，偏移地址pgdt+0x7C00处的6个字节加载到GDTR里，将其初始化。

准备工作4：打开第21条地址线的开关A20。

8086只有20根地址线，但80386系统有32根地址线，实模式下，第21根地址线是没有打开的，因此能使用的地址线是低20根，这时候寻址范围也只有1M。但是运行保护模式后，必须要用到全部的32根地址线，因此第21根地址线必须要打开。80386系统输入输出控制器集中芯片ICH的处理器接口部分，有一个用于兼容老式设备的端口0x92，该端口的位1用于控制A20。因此上图图5中第44行~第46行，先从端口0x92读出原数据，接着，第45行将第2位（位1）置“1”，然后第46行，将改写后的数据写入0x92端口，这样就打开了A20。

准备工作5：将寄存器CR0第1位设置为“1”。

控制实模式与保护模式切换的开关原始在一个叫CR0的寄存器里。CR0寄存器的第1位（位0）是保护模式允许位（PE位），是开启保护模式大门的门把手，如果把该位置“1”，则处理器进入保护模式，按保护模式的规则开始运行。因此上图图5中第50行，将CR0寄存器中的原有内容传送到寄存器EAX。第51行，将它的第1位（位0）置“1”，其他各位保持不变。第52行，将修改后的内容重新写回到CR0寄存器，这直接导致处理器的运行变成保护模式。

注意：保护模式下的中断机制和实模式不同，因此，原有的中断向量表不再适用，而且，必须要知道的是，在保护模式下，BIOS中断都不能再用，因为它们是实模式下的代码。在重新设置保护模式下的中断环境之前，必须关中断，所以程序第48行，关闭中断响应。

准备工作6：用jmp dword清空流水线并串行化处理器，同时最终进入32位保护模式。

虽然CR0寄存器的PE位置“1”，但要真正进入保护模式，还有两个问题需要解决。一是实模式下段寄存器的描述符高速缓存器的内容仍然残留，但这些残留内容是无效的，迟早会在执行某些指令的时候出问题。因此，需要尽快刷新CS、SS、DS、ES、FS和GS的内容，包括它们的段选择器和描述符高速缓存器。二是进入保护模式前，很多指令已经进入流水线。因为处理器工作在实模式下，所以它们都是按16位操作数和16位地址长度进行译码的，即使是那些用bits 32编译的指令。进入保护模式后，受CS段描述符高速缓存器中实模式残留内容的影响，处理器进入16位保护模式工作。如果保护模式下的代码是16位的，影响可能不大，但如果是bits 32编译的，那么，由于对操作数和默认地址大小的解释不同，指令的执行结果可能会不正确，所以必须清空流水线。同时，那些通过乱序执行得到的中间结果也是无效的，必须清理掉，让处理器串行化执行，即重新按指令的自然顺序执行。

解决办法是使用远转移指令jmp或者远过程调用指令call。处理器最怕转移指令，遇到这种指令，一般会清空流水线，并串行化执行；另一方面，远转移会重新加载段选择器CS，并刷新描述符高速缓存器中的内容。

不管是16位远转移，还是32位远转移，因为已经处于保护模式下，处理器都将把第一个操作数视为段选择子，而不是实模式下的逻辑段地址。