初步学习Protected Mode(4)

回忆jmp和call时堆栈的影响：

对于jmp来说，短跳转对应段内，长跳转对应段间。对堆栈没有影响

call指令会影响堆栈，长调用和短调用对堆栈的影响是不同的。对于短调用来说，call指令执行时下一条指令的eip压栈。到ret指令执行时，这个eip会被从堆栈中弹出。

如果是长调用，如图：

高地址  

参数1

              参数2

eip

cs

低地址

通过调用门进行有特权级变换的转移

这里有一个问题：堆栈A中压入参数和返回地址，等到需要使用它们的时候堆栈已经变成B了。为了解决这个问题，这个需要TSS Task-State Stack

这是一个数据结构，里面有多个字段。当发生堆栈切换时，内层的ss和esp就是从这里取得的。

比如我们当前所在的是ring3，当转移到ring1时，堆栈将被自动切换到由ss1和esp1指定的位置。由于只是在外层到内层切换时新堆栈才会从TSS中取得，所以TSS中没有位于最外层的ring3堆栈信息。

整个转移的过程如下：

1、根据目标代码段的DPL从TSS中选择应该切换至哪个ss和esp

2、从TSS中读取新的ss和esp。在这过程中如果发现ss、esp或者TSS界限错误都会导致无效TSS异常。

3、对ss描述符进行检验，如果发生错误，同样产生#TS异常。

4、暂时性的保存当前ss和esp的值

5、加载新的ss和esp

6、将刚刚保存起来的ss和esp的值压入新栈

7、从调用者堆栈中将参数复制到被调用者堆栈中，复制参数的数目由调用门中ParamCount一项决定。如果Param Count=0，不会复制参数

8、将当前cs和eip压栈

9、加载调用门中指定的新的cs和eip，开始执行被调用者过程

ret指令不仅可以实现短返回和长返回，而且可以实现带有特权级变换的长返回。由被调用者到调用者的返回过程中，处理器的工作包含以下步骤：

1、检查保存的cs中RPL以判断返回时是否要变换特权级。

2、加载被调用者堆栈上的cs和eip，进行代码段描述符和选择子类型和特权级检验

3、如果ret指令含有参数，则增加esp的值以跳过参数，然后esp将指向被保存过的调用者ss和esp。ret的参数必须对应调用门中的Param Count的值

4、加载ss和esp，切换到调用者堆栈，被调用者的ss和esp被丢弃。此时进行ss描述符、esp以及ss段描述符的检验

5、如果ret指令含有参数，增加esp的值以跳过参数（此时已经在调用者堆栈中）

6、检查ds es fs gs的值，如果其中哪一个寄存器指向的段的DPL小于CPL，那么一个空描述符会被加载到寄存器。

综上，使用调用门的过程实际上分为两个部分，一部分是从低特权级到高特权级，通过调用门和call指令实现。一部分则是从高特权级到低特权及，通过ret指令来实现。

（一致代码段可以直接用call从低特权到高特权级，如果不是，则需要使用调用门）

这里是一份详尽的说明代码

; ==========================================
; pmtest5.asm
; 编译方法：nasm pmtest5.asm -o pmtest5.com
; ==========================================

%include "pm.inc" ; 常量, 宏, 以及一些说明

org 0100h
jmp LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
; GDT
; 段基址, 段界限 , 属性
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW ; Normal 描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32 ; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ; 非一致代码段, 16
LABEL_DESC_CODE_DEST: Descriptor 0, SegCodeDestLen - 1, DA_C + DA_32 ; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_CODE_RING3: Descriptor 0, SegCodeRing3Len - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL3 ; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen - 1, DA_DRW ; Data
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位
LABEL_DESC_STACK3: Descriptor 0, TopOfStack3, DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3; Stack, 32 位
LABEL_DESC_LDT: Descriptor 0, LDTLen - 1, DA_LDT ; LDT
LABEL_DESC_TSS: Descriptor 0, TSSLen - 1, DA_386TSS ; TSS
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW + DA_DPL3 ; 显存首地址

; 门 目标选择子, 偏移, DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest, 0, 0, DA_386CGate + DA_DPL3
; GDT 结束

GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT长度
GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限
dd 0 ; GDT基地址

; GDT 选择子
SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
SelectorCodeDest equ LABEL_DESC_CODE_DEST - LABEL_GDT
SelectorCodeRing3 equ LABEL_DESC_CODE_RING3 - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
SelectorStack3 equ LABEL_DESC_STACK3 - LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorLDT equ LABEL_DESC_LDT - LABEL_GDT
SelectorTSS equ LABEL_DESC_TSS - LABEL_GDT
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT

SelectorCallGateTest equ LABEL_CALL_GATE_TEST - LABEL_GDT + SA_RPL3
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1] ; 数据段
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode dw 0
; 字符串
PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage equ PMMessage - $$
StrTest: db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest equ StrTest - $$
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]

; 全局堆栈段
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1
; END of [SECTION .gs]

; 堆栈段ring3
[SECTION .s3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK3:
times 512 db 0
TopOfStack3 equ $ - LABEL_STACK3 - 1
; END of [SECTION .s3]

; TSS ---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .tss]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_TSS:
DD 0 ; Back
DD TopOfStack ; 0 级堆栈
DD SelectorStack ;
DD 0 ; 1 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; 2 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; CR3
DD 0 ; EIP
DD 0 ; EFLAGS
DD 0 ; EAX
DD 0 ; ECX
DD 0 ; EDX
DD 0 ; EBX
DD 0 ; ESP
DD 0 ; EBP
DD 0 ; ESI
DD 0 ; EDI
DD 0 ; ES
DD 0 ; CS
DD 0 ; SS
DD 0 ; DS
DD 0 ; FS
DD 0 ; GS
DD 0 ; LDT
DW 0 ; 调试陷阱标志
DW $ - LABEL_TSS + 2 ; I/O位图基址
DB 0ffh ; I/O位图结束标志
TSSLen equ $ - LABEL_TSS
; TSS ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0100h

mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
mov [SPValueInRealMode], sp

; 初始化 16 位代码段描述符
mov ax, cs
movzx eax, ax
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE16
mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah

; 初始化 32 位代码段描述符
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE32
mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah

; 初始化测试调用门的代码段描述符
xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_SEG_CODE_DEST
mov word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah

; 初始化数据段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_DATA
mov word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah

; 初始化堆栈段描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK
mov word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah

; 初始化堆栈段描述符(ring3)
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK3
mov word [LABEL_DESC_STACK3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah

; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_LDT
mov word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

; 初始化 LDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_A
mov word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah

; 初始化Ring3描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_RING3
mov word [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah

; 初始化 TSS 描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_TSS
mov word [LABEL_DESC_TSS + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 7], ah

; 为加载 GDTR 作准备
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址
mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址

; 加载 GDTR
lgdt [GdtPtr]

; 关中断
cli

; 打开地址线A20
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al

; 准备切换到保护模式
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax

; 真正进入保护模式
jmp dword SelectorCode32:0 ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0 处

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

LABEL_REAL_ENTRY: ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax

mov sp, [SPValueInRealMode]

in al, 92h ; ┓
and al, 11111101b ; ┣ 关闭 A20 地址线
out 92h, al ; ┛

sti ; 开中断

mov ax, 4c00h ; ┓
int 21h ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS 32]

LABEL_SEG_CODE32:
mov ax, SelectorData
mov ds, ax ; 数据段选择子
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子

mov ax, SelectorStack
mov ss, ax ; 堆栈段选择子

mov esp, TopOfStack

; 下面显示一个字符串
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
xor esi, esi
xor edi, edi
mov esi, OffsetPMMessage ; 源数据偏移
mov edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
cld
.1:
lodsb
test al, al
jz .2
mov [gs:edi], ax
add edi, 2
jmp .1
.2: ; 显示完毕

call DispReturn

; Load TSS
mov ax, SelectorTSS
ltr ax ; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈，而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中，所以要设置任务状态段寄存器 TR。

push SelectorStack3
push TopOfStack3
push SelectorCodeRing3
push 0
retf ; Ring0 -> Ring3，历史性转移！将打印数字 '3'。

; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:
push eax
push ebx
mov eax, edi
mov bl, 160
div bl
and eax, 0FFh
inc eax
mov bl, 160
mul bl
mov edi, eax
pop ebx
pop eax

ret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------

SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

[SECTION .sdest]; 调用门目标段
[BITS 32]

LABEL_SEG_CODE_DEST:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)

mov edi, (80 * 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'C'
mov [gs:edi], ax

; Load LDT
mov ax, SelectorLDT
lldt ax

jmp SelectorLDTCodeA:0 ; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。

;retf

SegCodeDestLen equ $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
; 跳回实模式:
mov ax, SelectorNormal
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax

mov eax, cr0
and al, 11111110b
mov cr0, eax

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值

Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]

; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN 32
LABEL_LDT:
; 段基址 段界限 , 属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位

LDTLen equ $ - LABEL_LDT

; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA equ LABEL_LDT_DESC_CODEA - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_A:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)

mov edi, (80 * 13 + 0) * 2 ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, 'L'
mov [gs:edi], ax

; 准备经由16位代码段跳回实模式
jmp SelectorCode16:0
CodeALen equ $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

; CodeRing3
[SECTION .ring3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_RING3:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)

mov edi, (80 * 14 + 0) * 2 ; 屏幕第 14 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, '3'
mov [gs:edi], ax

call SelectorCallGateTest:0 ; 测试调用门（有特权级变换），将打印字母 'C'。
jmp $
SegCodeRing3Len equ $ - LABEL_CODE_RING3
; END of [SECTION .ring3]