操作系统实验三：实模式与保护模式间自由跳转

此次实验，是在 操作系统实验二：从实模式跳转到保护模式 基础上的进一步实验。实验实现的内容很简单，一开始进入实模式，然后跳转到保护模式，然后再跳转回实模式，然后再跳转到保护模式，如此不断循环。



从实模式调转到保护模式步骤：

1.准备好GDT

2.使用lgdt指令加载gdtr

3.打开地址线A20

4.设置cr0的PE位为1

5.使用cli指令关闭中断

6.根据GDT选择子跳转到32位代码段，此时进入保护模式





从保护模式转到实模式调步骤：

1.跳转到16位代码段

2.加载适合的GDT选择子到有关段寄存器

3.设置cr0的PE位为0

4.跳转到16位代码段，此时进入实模式

5.关闭地址线A20

6.使用sti指令打开中断



实验流程简要说明：

（pm16.c部分）

1.清屏

2.跳到第9步

3.加载适合的描述符选择子到有关段寄存器

4.设置cr0的PE位为0

5.一个跳转，真正回到实模式

6.关闭 A20 地址线

7.开中断

8.调用延时函数

9.显示字符串This is real model!

10.设置下一次显示字符串的位置

11.加载 GDTR

12.关中断

13.打开地址线A20

14.置cr0的PE位为1

15.跳转到32位代码段，进入保护模式

（pm32.c部分）

16.调用延时函数

17.显示字符串I am now in protect model^_^

18.保存最后的光标位置

19.跳转到（pm16.c）第3步



实验代码如下：

code：run.c（请参考 操作系统实验二：从实模式跳转到保护模式 中的run.c代码）



code：pm.h

]//文件：pm.h
//功能：pm16.c与pm32.c的公共头文件
//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序
//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序  
//      之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果 
//作者：miao
//时间：2010-1-24
//定义GDT属性
#define  DA_32         0x4000 //32位段
#define  DA_DRW        0x92   //存在的可读写数据段属性值
#define  DA_CR         0x9A   //存在的可执行可读代码段属性值
//GDT 选择子，根据pm16.c中的GDT界限设置偏移量值
#define SelectorNormal 8*1 //返回实模式需要用到的选择子
#define SelectorSode32 8*2 //指向32位段处
#define SelectorVideo  8*3 //指向显存首地址
#define SelectorSode16 8*4 //指向16位代码段
#define SelectorData32 8*5 //指向32位段处
typedef	unsigned int   t_32;  //4字节
typedef	unsigned short t_16;  //2字节
typedef	unsigned char  t_8;   //1字节
typedef	int            t_bool;//4字节
typedef unsigned int   t_port;//4字节
//存储段描述符/系统段描述符
struct DESCRIPTOR         //共 8 个字节
{
  t_16  limit_low;        //Limit 2字节
  t_16  base_low;         //Base  2字节
  t_8   base_mid;         //Base  1字节
  t_8   attr1;            //P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4)  1字节
  t_8   limit_high_attr2; //G(1) D(1) 0(1) ***L(1) LimitHigh(4) 1字节
  t_8   base_high;        //Base  1字节
};
#define Descriptor(bas,len,attr) { (len) & 0xffff, /
               (bas) & 0xffff, /
               ((bas)>>16)&0xff, /
               (attr) & 0xff, /
               (((attr)>>8) &0xf0) + (((len)>>16) & 0x0f), /
               ((bas) >> 24) & 0xff } /

code：pm16.c

]//文件：pm16.c
//功能：设置GDT，在GDT中初始化32位代码段，然后切换到保护模式，跳转到32位代码段
//      当从32位代码段保护模式跳转回来后，切换到实模式，显示字符串，再切换到保护模式
//说明：16位部分引导程序放在镜像引导扇区的前半部分，0~255字节中，程序大小不能超过这个限制
//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序
//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序  
//      之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果
//      若在_BackToRealModel标签前添加或删除代码，会导致保护模式无法正确跳转回来，
//      此时需要反汇编pm16.c的代码，查找到_BackToRealModel所在地址，修改pm32.c中的跳转值
//作者：miao
//时间：2010-1-24

#define YCBIT 16     //告诉编译器，以16位格式编译程序
#define YCORG 0x7c00 //告诉编译器，在7c00处加载程序

#include "pm.h"

//GDT界限
DESCRIPTOR label_gdt[] = 
{
  //         段基址   段界限   属性
  Descriptor(0,       0,       0),
  Descriptor(0,       0xfffff, DA_DRW),         //Normal 描述符,返回实模式前要加载的
  Descriptor(0x7d00,  0xfffff, DA_CR | DA_32),  //32位代码段(pm32.c),可执行可读
  Descriptor(0xb8000, 0xffff,  DA_DRW),         //显存地址段,可读可写
  Descriptor(0x7c00,  0xfffff, DA_CR),          //16位代码段(pm16.c),可执行可读
  Descriptor(0x7d00,  0xfffff, DA_DRW | DA_32), //令32位代码段(pm32.c)的变量可以读写
};
#pragma pack(1)
struct GDT_PTR
{
  unsigned short size;
  void *addr;
};
#pragma pack()
GDT_PTR  GdtPtr = { sizeof(label_gdt), (char*)label_gdt}; //段界限,基地址

#define MsgLngth 24   //串长度
char  Msg[MsgLngth] = "This is real model!    ";

char   row = 0;   //行数
char   line = 0;  //列数
asm void Delay(); //延时函数

asm void main()
{
  mov   ax, cs
  mov   ds, ax
  mov   es, ax
  //清屏
  mov   ah, 06h       //屏幕初始化或上卷
  mov   aL, 00h       //AH = 6,  AL = 0h
  mov   bx, 1110h     //蓝色底色
  mov   cx, 0         //左上角: (0, 0)
  mov   dl, 4fh       //最后一列
  mov   dh, 1fh       //最后一行(右下角)
  int   10h           //显示中断
  jmp   _Start16      //跳过下面从保护模式切换到实模式的代码
//保护模式代码执行完后直接跳转到此处
_BackToRealModel:
  mov   ax, SelectorNormal  //加载适合的描述符选择子到有关段寄存器
  mov   ds, ax
  mov   es, ax
  mov   fs, ax
  mov   gs, ax
  mov   ss, ax
  //准备切换到实模式，清除cr0的PE位
  mov   eax, cr0
  and   al, 11111110b
  mov   cr0, eax
  jmp   0:_RealEntry  //这一跳，段地址被设置成正确的值，真正回到实模式
_RealEntry:
  mov   ax, cs
  mov   ds, ax
  mov   es, ax
  mov   ss, ax
  mov   sp, YCORG
  //关闭 A20 地址线
  in    al, 92h
  and   al, 11111101b
  out   92h, al
  sti                 //开中断
  call Delay          //调用延时函数
_Start16:
  mov   ax, &Msg
  mov   bp, ax        //es:bp=串地址
  mov   ah, 13h       //AH:13显示字符串
  mov   al, 1h        //AH = 13,  AL = 01h
  mov   bx, 0014h     //页号为0(BH = 0) 蓝底红字(BL = 14h)
  mov   cx, MsgLngth  //CX = 串长度
  mov   dl, line      //起始列
  mov   dh, row       //起始行
  int   10h           //显示中断
  add   line, MsgLngth  //下一次显示字符串是当前列的后MsgLngth - 3列
  cmp   line, 0x50 - MsgLngth  //判断列数是否过大
  jng   _LineNotEnd
  mov   line, 0       //列数过大，列数归零
  add   row, 1        //行数加一
  
  cmp   row, 24
  jge    _DeadLoop    //行数超过24行，跳转到一个死循环
_LineNotEnd:
  lgdt  GdtPtr        //加载 GDTR
  cli                 //关中断
  //打开地址线A20
  in    al, 92h
  or    al, 00000010b
  out   92h, al
  //准备切换到保护模式，置cr0的PE位为1
  mov   eax, cr0
  or    eax, 1
  mov   cr0, eax
  //真正进入保护模式
  jmp   dword SelectorSode32:0x0
//死循环
_DeadLoop:
  jmp _DeadLoop
}
//延时函数
asm void Delay()
{
  mov   ax, 0x0
_Loop1:
  inc   ax
  mov   cx, 0xFFFF
_Loop2:
  loop _Loop2
  cmp   ax, 0xFF
  jne   _Loop1
  ret
}

code:pm32.c

]//文件：pm16.c
//功能：保护模式下32位代码段，功能为显示一个字符串，然后跳转到16位代码段(pm16)切换到实模式
//说明：32位部分引导程序放在镜像引导扇区的后半部分，256~509字节中，程序大小不能超过这个限制
//运行：run.exe自动会编译pm16.c与pm32.c然后生成img并调用Bochs运行此程序
//提示：请先用yc09编译run.c文件，生成run.exe程序  
//      之后修改pm16.c与pm32.c中代码，可直接运行run.exe查看效果 
//作者：miao
//时间：2010-1-24

#define YCBIT 32  //告诉编译器，以32位格式编译程序
#define YCORG 0x0 //必须定义一个值

#include "pm.h"
char  Msg1[] = "I am now in protect model^_^";
int   printPlace = ((80 * 1 + 0) * 2); //目的数据偏移。屏幕第1行, 第0列。

//延时函数
asm void Delay()
{
  mov   ecx, 0xFFFFFF
_Loop2:
  loop _Loop2
  ret
}

//32 位代码段. 由实模式跳入（可执行可读）
asm void main()
{
  mov   eax, SelectorVideo
  mov   gs, ax      //视频段选择子(目的)
  mov   eax, SelectorData32 //令32位代码段的变量（printPlace）可以读写
  mov   ds, ax

  call Delay        //调用延时函数

  //下面显示一个字符串(显示已经到达保护模式信息)
  mov   ah, 14h     //蓝底红字(AL = 14h)
  mov   esi, &Msg1  //源数据偏移
  mov   edi, printPlace //根据保存的光标位置，继续显示字符

//循环逐个将字符串输出
_DispStr:
  mov   al, cs:[esi]//因为可读，才能用cs指向当前段的Msg1字符串
  inc   esi
  cmp   al, '/0'    //判断是否字符串结束
  jz    _stop
  mov   gs:[edi], ax
  add   edi, 2
  jmp   _DispStr
_stop: //显示完毕

  add   edi, 2
  mov  printPlace, edi //保存最后的光标位置

  //通过反汇编，知道pm16.c的_BackToRealModel在内存的0x7c18处
  jmp   dword SelectorSode16:0x7c18 - 0x7c00
}

想要实验以上代码的朋友请注意：

1.到杨晓兵大大的博客上下载安装yc09，安装只需一分钟左右。

2.将操作系统实验二：从实模式跳转到保护模式 中的run.c代码，以及此次试验中的pm.h、pm16.c、pm32.c代码拷贝到某个实验用的文件夹内。

3.在YC09/example文件夹内找到bochs.exe、BIOS-bochs-latest、VGABIOS-elpin-2.40、x11-pc-us.map四个文件拷贝到试验用的文件夹内。

4.使用yc09编译运行run.c