【我所認知的BIOS】—>The Big Real Mode

【我所認知的BIOS】—>The Big Real Mode

LightSeed     
2009-6-23
前面两篇，我们对实模式和保护模式做了比较详细地探讨，说了那么多其实都是为这篇文章服务的。因为在BIOS POST的过程中经常要用到1M以上的内存。但是BIOS本身的code却又都是在实模式中运行的。当然我们可以进入保护模式去访问内存，然后再切会实模式。如此反复我们是可以做到的，但是这样必定是比较麻烦的。有没有一种模式，我们在实模式下就可以直接访问到4G的内存呢？答案是肯定的。它的名字就叫做“Big Real Mode”。

1、Big Real Mode原理

在上一篇文章的far jmp说明段中，我详细说明了一下CPU取段寄存器的值（在保护模式下应该叫做取段选择子的值），然后会改变相应的hidden部分（高速缓冲）。倘若再有程序显示地修改某个段寄存器（段选择子），那么也随之会更新相应的hidden部分。反之，CPU只会从高速缓冲中去取段值（段基地址）。所以当我们在保护模式下加载了FS和GS两个段选择子后，只要不再显示修改FS和GS，那么返回实模式后用FS：esi的形式就访问到1M以上的内存了。其实原理还是用FS已经在保护模式下就加载好了的hidden部分（FS的段基地址）+esi=线性地址来访问的。

2、程序实例

;-------------这段代码从<80X86汇编语言程序设计教程>修改而来-------
;-------------只是一个比较简单的big real mode设置程序-------------
;-------------原理还是进入保护模式显示修改FS和GS返回实模式--------
;-------------切忌，本程序编译连接后生成的exe文件在纯DOS下--------
;-------------才能够执行LGDT这个命令，才能顺利进入保护模式--------
 
;-------------宏定义区域开始--------------------------------------
;16位偏移的段间直接转移指令的宏定义
JUMP macro selector,offsetv
   db 0eah                 ;操作码 jmp
   dw offsetv              ;16位偏移
   dw selector            ;段值(real mode下)或者选择子(protect mode下)
   endm
 
 
;字符显示宏指令的定义
ECHOCH macro ascii
   mov ah, 2          ;选功能号
   mov dl, ascii           ;填将要显示的ASCII码给DL
   int 21h                  ;调用DOS中断来显示ASCII码
   endm
;-------------宏定义区域结束-------------------------------------
 
;-------------结构体定义区域开始---------------------------------
 
;存储段描述符结构类型的定义     
DESCRIPTOR     struc
   Limitl      dw 0   ;段界限(0~15)
   Basel       dw 0   ;段基地址(0~15)
   Basem          db 0   ;段基地址(16~23)
   Attributes dw 0   ;段属性
   Baseh      db 0   ;段基地址(24~31)
DESCRIPTOR     ENDS
 
 
;伪描述符结果类型的定义
PDESC         struc
   Limit       dw 0   ;16界限
   Base       dd 0   ;基地址
PDESC         ENDS
;-------------结构体定义区域结束---------------------------------
 
 
;常量定义
   ATDW =         92H         ;存在的可读写数据段属性值
   ATCE   =         98H         ;存在的只执行代码段属性值
   AT4G  =   0CF92H        ;
 
 
 
.386P
 
 
;--------------实模式下数据段定义开始----------------------------
dseg  segment  use16
   align   16               ;16位段
   GDT    label   byte            ;全局描述符表GDT标志
   DUMMY         DESCRIPTOR <>     ;空描述符
   Seg4GSelector    DESCRIPTOR <0FFFFH,0h,0h,AT4G,0>;FS&GS的描述符
   Seg4G_sel    =   Seg4GSelector - GDT
   GDTLEN        =   $ - GDT        ;全局描述符表长度
   ;
   VGDTR         PDESC <GDTLEN-1,>    ;①伪描述符
   ;
   BUFFERLEN   =   256         ;缓冲区字节长度
   BUFFER        DB     BUFFERLEN DUP(0);缓冲区
 
dseg ends
;---------------实模式下数据段定义结束---------------------------
 
;---------------实模式下代码段定义开始---------------------------
cseg  segment  use16               ;16位段
   assume    cs:cseg,ds:dseg           ;声明代码段和数据段
start:
   mov    ax,dseg
   mov    ds,ax                ;初始化数据段
   ;准备要加载到GDTR的伪描述符
   mov    bx,16                ;乘数为16,是为了在实模式中计算地址
   mul    bx                ;计算并设置GDT基地址
   add    ax,offset GDT              ;此时AX中为GDT在实模式中的地址,界限在已定义时设置妥当
   adc     dx,0                  ;如果有进位那么ADC加上
   mov    word ptr VGDTR.Base,ax         ;填入GDT的实际地址的低word到伪描述符结构体中
   mov    word ptr VGDTR.Base+2,dx     ;填入GDT的实际地址的高word到伪描述符结构体中
  
   ;加载GDTR
   DB     66H                  ; execute a 32 bit LGDT
   LGDT  VGDTR                   ;命令不熟悉的话去查查
 
   cli                    ;关中断
   call     EnableA20              ;打开地址线A20
   ;切换到保护模式
   mov    eax,cr0
   or  eax,1
   mov    cr0,eax
   ;清指令预取队列，并真正进入保护方式
   jmp    VIRTUAL                ;整个过程没有改变CS的值，那么存在于hidden部分的值也没有被改变
                           ;CPU取指令时不管在实模式还是保护模式下都取到的是实模式下的指令
                           ;这个jmp在这里只是起个形式而已，实质上没有做任何动作
 
VIRTUAL:
 
   ;--------设置可以访问4G的段选择子-------
   mov    ax,Seg4G_sel              ;准备要加载的段选择子(for 4G)
   mov   fs,ax                 ;显示修改fs，使得fs在保护模式下重新加载
   mov   gs,ax
   ;--------设置完成，只要不修改fs和gs的值，那么返回real mode后，仍然可以用fs和gs来访问1M以上4G以下的内存
   ;切回到实方式
   mov    eax,cr0
   and    eax,0fffffffeh
   mov    cr0,eax
   ;清指令预取队列，进入实方式
   jmp    REAL                 ;整个过程没有改变CS的值，那么存在于hidden部分的值也没有被改变
                           ;CPU取指令时不管在实模式还是保护模式下都取到的是实模式下的指令
                           ;这个jmp在这里只是起个形式而已，实质上没有做任何动作
 
 
REAL:                            ;现在又回到实方式
   sti                    ;开中断
   mov    esi,208each            ;源数据pointer
   mov    di,offset BUFFER
   cld                    ;显示缓冲区内容
   mov    bp,BUFFERLEN/16        ;bp作为显示的行数的计数器
 
Nextline:
   mov cx,16                   ;每行只显示16*2个字符
     NextCH:
   mov    al,fs:[esi]
   inc esi
   mov    ds:[di],al
   inc di                ;存到buffer中去
   push   ax                ;保存ax
   shr al,4                  ;准备显示高4bit中的值
   call     ToASCII                 ;把al中的值转换成ASCII
   ECHOCH   al                ;显示之
   pop    ax                ;回复ax
   call     ToASCII
   ECHOCH   al
   ECHOCH   ' '                ;在字符于字符之间显示空格
   loop    NextCH                  ;处理下一个字符
   ECHOCH   0dh
   ECHOCH   0ah                  ;显示这两个ASCII回车+换行
   dec     bp               ;显示完了否?
   jnz Nextline            ;bp = 0显示完了
 
   mov    ax,4c00h           ;结束
   int 21h
;---------------实模式下代码段定义结束--------------------------
 
;---------------子程式定义开始----------------------------------
 
;***************************************************************
;子程序名 ：HtoASC
;功    能 ：十六进制数转换成    ASCII
;入口参数 ：al=8位二进制数
;出口参数 ：无
;说    明 ：无
;***************************************************************
toASCII  proc
   and    al,0fh                ;屏蔽al的高4 bits
   cmp    al,9                  ;compare 9
   jbe     toASCII1           ;小于9，直接+30H
   add    al,37h               ;否则，al+37H
   ret
toASCII1:
   add    al,30h
   ret
     
toASCII       endp
 
;***************************************************************
;打开a20地址线
;***************************************************************
EnableA20       proc
                push    ax
                in   al,92h
                or   al,00000010b
                out 92h,al
                pop ax
                ret
 EnableA20      endp
;***************************************************************
;关闭a20地址线
;***************************************************************
DisableA20      proc
                push    ax
                in   al,92h
                and al,11111101b
                out 92h,al
                pop ax
                ret
DisableA20      endp
;---------------子程式定义结束----------------------------------
 
cseg ends
;---------------实模式下代码段定义结束--------------------------
 
   end start                ;指明程序入口
 
对于这个程序，我要说三点。
①这个程序其实我是把上一章的那个实例修改了一下，就成了可以用FS和GS两个段寄存器（其实准确地说应该叫做段选择子）来访问高于1M的内存了。但是我做了很多的简化。比如说我没有在进入实模式前加载CS，只单单加载了GDT（因为GDT是保护模式下必须要用的）。然而，不改变CS是因为我们在保护模式下也还想继续执行实模式下的那三句指令
“ mov    ax,Seg4G_sel
mov   fs,ax
    mov   gs,ax”
所以我只用了一个段跳跃（只是形式上看上去像是一个实际进入实模式的过程。其实连jmp这句都是可以省略的。留在这里只是为了让大家容易理解而已。）
②大家肯定都会发现，当我返回实模式的时候没有关A20。这是因为我要在实模式下通过FS和GS去访问1M以上的空间，所以我必须要让A20一直都处于打开状态。
③于是我们也可以很清楚地看到，看到big real mode其实是介于实模式和保护模式之间的一种模式。如图1
 



图1 实模式，big real mode，保护模式的比较
 
至此关于实模式和保护模式的切换，以及big real mode的探讨就暂时告一段落了。如果有兴趣的话，还可以把上面的程序精简。（笔者：比如说去掉其中的量个短jmp，因为他们在程序没有任何的存在的意义，笔者把他们注掉后编译连接仍然是可以访问到4G内存的。）好像csdn论坛里面就有人摆擂台用最短的语句来实现big real mode。不过如果有人和我一章懒的话，其实直接用上一章实例加上一个描述符，再在保护模式下加上两句话就可是实现big real mode了。