X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（18）-第11章 进入保护模式

兰陵月

第11章  进入保护模式

11.2  全局描述符表

在保护模式下，对内存的访问仍然使用段地址和偏移地址，但是，在每个段能够访问之前，必须先进行登记。当访问的偏移地址超出段的界限时，处理器就会阻止这种访问，并产生一个叫做内部异常的中断。

和一个段有关的信息需要8个字节（64位）来描述，所以称为段描述符（Segment Descript），每个段都需要一个描述符。为了存放这些描述符，需要在内存中开辟出一段空间。在这段空间里，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，这就构成一个描述符表。
最主要的描述符表是全局描述符表（Global Descript Table，GDT）,，所谓全局，意味着该表是为整个软硬件系统服务的。在进入保护模式前，必须要定义全局描述符表。

为了跟踪全局描述符表，处理器内部有一个48位的寄存器，称为全局描述符表寄存器（GDTR），如上图。该寄存器分为两部分，分别是32位的线性地址和16位的边界。32位的处理器具有32根地址线，可以访问的地址范围是0x00000000到0xFFFFFFFF，共232字节的内存，即4GB内存。所以，GDTR的32位线性基地址部分保存的是全局描述符表在内存中的起始线性地址，16位边界部分保存的是全局描述符表的边界（界限），其在数值上等于表的大小（总字节数）减一。

全局描述表的界限值就是表内最后一字节的偏移量。第1字节的偏移量是0，最后1字节的偏移量是表大小减一。如果界限值为0，表示表的大小是1字节。
因为GDT的界限是16位的，所以，该表最大字节是216字节，也就是65536字节（64KB）。又因为一个描述符占8字节，故最多可以定义8192个描述符。实际上，不一定非得这么多，到底有多少，视需要而定，但最多不能超过8192个。

理论上，全局描述表可以位于内存中的任何位置。但是，由于在进入保护模式之后，处理器立即要按新的内存访问模式工作，所以，必须在进入保护模式之前定义        GDT（即在实模式的时候定义GDT）。但是，由于实模式下只能访问1MB的内存，故GDT通常都定义在1MB以下的内存范围中。当然，允许在进入保护模式之后换个位置重新定义GDT。

11.3  存储器的段描述符

和以前一样，程序的开始我们必须初始化段寄存器，第7行~第9行用于初始化栈，使栈段的逻辑段地址和代码段地址相同，并使栈指针

寄存器SP指向0x7C00。这是个分界线，从这里，代码向上扩展，栈向下扩展。

下面就要开始定义[我们现在只是定义，而并没有开始使用，这个概念要分清，以免傻傻弄不清楚]主引导扇区代码所使用的数据段、代码段和栈段。在保护模式下，内存的访问机制完全不同，即，必须通过描述符来进行。所以，这些段必须重新在GDT中定义。[在没有进入到保护模式之前，我们正在编写的这个主引导程序同样在使用数据段、代码段和栈段，但这是实模式下的使用。既然要进入到保护模式，那我们就要为运行保护模式做好准备工作，在这里重新定义这些段，这样进入保护模式之后，处理器就能够通过描述符方式来访问这些段]

首先是确定GDT的起始线性地址[现在我们还没有学习分页机制，所以本程序没有引入分页机制的内容，没有开启页功能。因此，这里讲的GDT起始线性地址实际上就是内存中的真实物理地址]。如下图，我们在程序第96行，声明了标号gdt_base并初始化了一个双字0x00007E00，我们决定从这个地方开始创建全局描述符表（GDT）。

为什么要在这个地方创建？这是我们有意为之。首先看下图。

上图中，实模式下，主引导程序的加载位置是0x0000:0x7C00。因为现在的地址是32位的，所以它现在对应着物理地址0x00007C00。主引导扇区程序共512字节（0x200），所以，我们决定把GDT设在主引导程序之后，也就是物理地址0x00007E00处[0x00007C00+0x200=0x00007E00]。因为GDT最大可以为64KB，所以，理论上，它的尺寸可以扩展到物理地址0x00017DFF处[0x00007E00+0xFFFF=0x00017DFF]。

相应地，因为栈指针寄存器SP被初始化为0x7C00，和CS一样，栈段寄存器SS被初始化为0x0000，而且栈是向下扩展的[即压栈的时候，是从高地址往低地址方向]，所以，从0x00007C00往下的区域是实际上可用的栈区域。只不过，该区域包含了很多BIOS数据，包括实模式下的中断向量表，所以一定要小心。这是没有办法的事情，在实模式下，处理器不会为此负责，只能靠我们自己。

一旦确定GDT在内存中的起始位置，下一步的工作就是确定要访问的段，并在GDT中为这些段创建各自的描述符。每个描述符在GDT中占8字节，也就是2个双字，或者说是64位。下图中下面是低32位，上面是高32位。

1、段基址

该字段有32位，由于历史原因被分为3部分存放在段描述符表中。分别是段基地址15~00、段基地址23~16、段基地址31~24。

段基址可以是0~4GB范围内的任意地址，不过，还是建议应当选取那些16字节对齐的地址。尽管对于Intel处理器来说，允许不对齐的地址，但是，对齐能够使程序在访问代码和数据时的性能最大化。这一点，对于那些学过计算机原理，特别是了解内存芯片组织的人来说，是最清楚不过的。

2、段界限字段

段界限字段，用来表示一个段的大小，结合段基址就可以知道段的起始地址和结束地址。“段基址：偏移量”中当偏移量超过段界限时CPU会触发相应的异常。段界限只有20位，可以表示段的大小，用来限制段的扩展范围。段界限分为两部分存放，分别是段界限15~00、段界限19~16。

对于向上扩展的段，如代码段和数据段来说，偏移量是从0开始递增，段界限决定了偏移量的最大值；对于向下扩展的段，如栈段来说，段界限决定了偏移量的最小值。

3、G字段

G位是粒度（Granularity）位，用于解释段界限的含义。段界限字段与G字段配合使用：
（1）、G=0时，段限长的20位为实际段限长，最大限长为220=1MB，段界限可表示1B~1MB的大小。
（2）、G=1时，则实际段限长为20位段限长乘以212=4KB，最大限长达到4GB，段界限可表示4KB~4GB的大小。

4、S字段

S位用于指定描述符的类型（Descriptor Type），S字段占一个位。当S为0，表系统段。对CPU而言凡是硬件需要用到的都属于系统段。当S为1，表数据段（栈段也是特殊的数据段）。软件用到的东西都放在数据段中。注意操作系统也算软件。

5、DPL字段

表示描述符的特权级（Descriptor Privilege Level，DPL）,这两位用于指定段的特权级。

这里表示访问该段时CPU所需最低特权级。描述符特权级（Descriptor Privilege Level），分0、1、2、3这4种特权级，特权级，0为最高特权级，3为最低。如果这里的数值是2，那么，只有特权级0、1、2的程序才能访问该段，而特权级为3的程序范文该段时，处理器会予以阻止。

6、P字段（Segment Present）

表示段是否存在于内存中，P为1表示存在。一般来说，描述符所指示的段都位于内存中。但是，当内存空间紧张时，有可能只是建立了描述符，对应的内存空间并不存在，这时，就应当把描述符的P位清零，表示段并不存在。另外，同样是在内存空间非常紧张的情况下，会把很少用到的段换出到硬盘中，腾出空间给当前急需内存的程序使用（当前正在执行的），这是，同样要把段描述符的P位清零。当再次轮到它执行时，再装入内存，然后将P位置1。

P位是由处理器负责检查的。每当通过描述符访问内存中的段时，如果P位是“0”，处理器就会产生一个异常中断。通常，该中断处理过程是由操作系统提供的，该处理过程的任务是负责将该段从硬盘换回内存，并将P位置1。在多用户、多任务的系统中，这是一种常用的虚拟内存调度策略。当内存很小，运行的程序很多时，如果计算机的运行速度变慢，并伴随着繁忙的硬盘操作时，说明这种情况正在发生。如果开启了分页模式，那么分页模式本身就支持内存置换。就不需要这个P字段了。

7、D/B位

D/B位是“默认的操作数大小”（Default Operation Size）或者“默认的栈指针大小”（Default Stack Pointer Size），又或者“上部边界”（Upper Bound）标志。

设立该标志位，主要是为了能够在32位处理器上兼容运行16位保护模式的程序。尽管这种程序现在已经非常罕见了，但它毕竟存在过，兼容，这是Intel公司能够兴旺发达的重要因素。

该标志位对不同的段有不同的效果。对于代码段，此位称作“D”位，用于指示指令中默认的偏移地址和操作数尺寸。D=0表示指令中的偏移地址或者操作数是16位的；D=1，指示32位的偏移地址和操作数。举个例子来说，如果代码段描述符的D位是0，那么，当处理器在这个段上执行时，将使用16位的指令指针寄存器IP来取指令，否则使用32位的EIP。

对栈段来说，该位被叫做“B”位，用于在进行隐式的栈操作时，是使用SP寄存器还是使用ESP寄存器。隐式的栈操作指令包括push、pop和call等。如果该位是“0”，在访问那个段时，使用SP寄存器，否则就是使用ESP寄存器。同时，B位的值也决定了栈的上部边界。如果B=0，那么栈段的上部边界（也就是SP寄存器的最大值）为0xFFFF；如果B=1，那么栈段的上部边界（也就是ESP寄存器的最大值）为0xFFFFFFFF。对于本书来说，它应当为1。

8、TYPE 字段

TYPE字段共4位，用于指示描述符的子类型。或者说类别。

（1）type<8时：数据段

上图中“E”前面那个位为“X”位，对于数据段，它总是不可执行的，所以X总是等于“0”。

对于数据段来说，“E”位指示段的扩展方向。E=0是向上扩展的，也就是向高地址方向扩展的，是普通的数据段；E=1        是向下扩展的，也就是向低地址方向扩展的，通常是栈段。W位指示段的读写属性，或者说段是否可写，W=0的段是不允许写入的，否则会引发处理器异常中断；W=1的段是可以正常写入的。

（2）type>=8时：代码段

上图中“C”前面那个位为“X”位，对于代码段，它是可执行的，所以X总是等于“1”。

对于代码段来说，C位指示段是否为特权级依从的（Conforming）。C=0表示非依从的代码段，这样的代码段可以从与它特权级相同的代码段调用，或者通过门调用；C=1表示允许从低特权级的程序转移到该段执行。R位指示代码段是否允许读出。代码段总是可以执行的，但是，为了防止程序被破坏，它是不能写入的。至于是否有读出的可能，由R位指定。R=0表示不能读出，如果企图去读一个R=0的代码，会引发处理器异常中断；如果R=1，则代码段是可以读出的，即可以把这个段的内容当成ROM一样使用。这里的R位属性并非用来限制处理器，而是用来限制程序和指令的行为。一个典型的例子是使用段超越前缀“CS:”来访问代码段中的内容。

数据段和代码段的“A”位是已访问位（Accessed），用于指示它所指向的段最近是否被访问过。在描述符创建的时候，应该清零。之后，每当该段被访问时，处理器自动将该位置1。对该位的清零是由软件（操作系统）负责的，通过定期监视该位的状态，就可以统计出该段的使用频率。当内存空间紧张时，可以把不经常使用的段退避到硬盘上，从而实现虚拟内存管理。

9、L位

L位是64位代码段标志（64-bit Code Segment），保留此位给64位处理器使用。目前，我们将此位置“0”即可。

10、AVL位

AVL是软件可以使用的位（Available），通常由操作系统来用，处理器并不使用它。如果你把它理解成“好吧，该安排的都安排了，最后多出这么一位，不知道干什么用好，就给软件用吧”。大概就是这个意思。