存储器的保护（三）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记20

存储器的保护（三）

上面的文字选自原书第12章的习题1.

这篇博文就讨论一下这道题。由于是初学，我不对自己做太高的要求，只要实现功能即可。

代码清单

;文件说明：第12章习题-1
;创建日期：2016-3-7

;--------- equ some colors

GREEN         equ 0x02
RED           equ 0x04
BLUE_LIGHT    equ 0x09
YELLOW        equ 0x0e

MEMORY_START  equ 0x100000
MEMORY_END    equ 0x800000
MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位

LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示2的6次方
BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

;设置堆栈段和栈指针
mov eax,cs
mov ss,eax
mov sp,0x7c00

mov ah,0x00; 清屏
mov al,0x03
int 0x10

;计算GDT所在的逻辑段地址
mov eax,[cs:pgdt+0x7c00+0x02]      ;GDT的32位线性基地址
xor edx,edx
mov ebx,16
div ebx                            ;分解成16位逻辑地址

mov ds,eax                         ;令DS指向该段以进行操作
mov ebx,edx                        ;段内起始偏移地址

;跳过0#描述符

;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0，段界限为0xfffff
mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB，存储器段描述符

;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节
mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节，代码段描述符

;创建栈段描述符
mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600

;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: pgdt+0x7c00],31      ;描述符表的界限

lgdt [cs: pgdt+0x7c00]

in al,0x92                         ;南桥芯片内的端口
or al,0000_0010B
out 0x92,al                        ;打开A20

cli                                ;中断机制尚未工作

mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax                        ;设置PE位

;以下进入保护模式... ...
jmp dword 0x0010:flush             ;16位的描述符选择子：32位偏移

[bits 32]
flush:

mov eax,0x0008                     ;加载数据段(0..4GB)选择子; ds,es,fs,gs指向了(0..4G)
mov ds,eax
mov es,eax
mov fs,eax
mov gs,eax

mov eax,0x0018                   ;加载栈段选择子
mov ss,eax
xor esp,esp                        ;ESP <- 0

; 绘制白色条
push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
push BAR_POSITION
push 0x7720 ; white block
call put_char

push 21*80+25
push BLUE_LIGHT
push MEMORY_SIZE
call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）

; 显示 '/'
push 1
push 21*80+23
push 0x092f ; 蓝色的'/'
call put_char

xor ecx,ecx          ;计数器清零，记录检测了多少个双字
mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址

;-----------------------------------------------------
exam:   ;显示正在检测的地址
push 21*80+6
push YELLOW
push ebx
call show_hex_dword

mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
jnz err

mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
jnz err

add ebx,4    ;地址增加4个字节
inc ecx

push 21*80+15
push BLUE_LIGHT
push ecx
call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）

push BAR_POSITION  ;绘制进度条
push ecx
push MEMORY_SIZE
call draw_progress_bar

cmp ebx,MEMORY_END
jnz exam

err:
hlt

;--------------------------------------
;功能：在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 属性和字符
;返回：无

put_char:
pushad
mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字

put:
mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
inc ebx
loop put

popad
ret 3*4

;-----------------------------------------
;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
;输入:
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 分子
;      push 分母
;返回：无

draw_progress_bar:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母

shr ebx,LENGTH_OF_BAR
xor edx,edx
div ebx
cmp eax,1
jb out

push eax
push esi
push 0x2020; 绿色背景，空格
call put_char

out:
popad
ret 3*4

;-----------------------------------
;功能：在指定位置显示16进制的数字
;输入:
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 属性
;      push 要显示的值
;返回：无

show_hex_dword:
pushad

mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y)
mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value

mov ebx,16
xor ecx,ecx

remainder:
xor edx,edx
div ebx

inc ecx
push edx
cmp eax,0
jnz remainder

mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
print:
pop ebx
mov al,[cs:string_hex+ebx]
mov [es:0xb8000+esi*2],ax
inc esi
loop print

popad
ret 3*4
;-------------------------------------------------------------------------------
pgdt     dw 0
dd 0x00007e00      ;GDT的物理地址

string_hex: db'0123456789ABCDEF'
;-------------------------------------------------------------------------------
times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

代码分析

设计思路

这个程序实现的主要功能是：检测1MB以上的内存空间，比如检测物理地址为1M~8M的单元。

检测方法是向每个双字单元写入0x55aa55aa，并读出来和0x55aa55aa做比较，如果相等，则再写入0xaa55aa55，并读出来和0xaa55aa55作比较，如果相等，那么这个双字单元是OK的，把物理地址加上4，继续检测。如果读出的和写入的不相等，那么检测出错，程序停止。

检测的时候，显示正在检测的内存地址

显示一个进度条

显示“已经检测的内存数 / 总共需要检测的内存数”

下面我们分析具体的实现。不打算逐行讲述所有代码，仅选择重点部分讲解。

定义一些常量

GREEN         equ 0x02 ; 黑底绿字
RED           equ 0x04 ; 黑底红字
BLUE_LIGHT    equ 0x09 ; 黑底蓝色字
YELLOW        equ 0x0e ; 黑底黄字

MEMORY_START  equ 0x100000
MEMORY_END    equ 0x800000
MEMORY_SIZE   equ (MEMORY_END-MEMORY_START)/4  ;以双字为单位

LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示2的6次方
BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

前四行定义了字符属性；

中间三行定义了要检测的内存起始地址，结束地址（检测不包含结束地址），还有检测的内存大小（以双字为单位）。之所以用equ定义是因为修改起来方便。

LENGTH_OF_BAR equ 6        ; 表示2的6次方

这句话表示进度条的总长度占64（2^6=64）个字符，当然可以根据需要修改。但应该是2的N次方（具体原因下文会说明）。

BAR_POSITION  equ 10*80+4  ;进度条的位置

这行定义了进度条的位置，如果是x行y列，对应的表示就是(x*80+y);因为一行有80个字符。

清屏

mov ah,0x00; 清屏
mov al,0x03
int 0x10

这三行代码是为了清屏。具体原理可以参见我的博文《BIOS功能调用之滚屏与清屏》

http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50806752

创建GDT

;跳过0#描述符

;创建1#描述符，这是一个数据段，对应0~4GB的线性地址空间
mov dword [ebx+0x08],0x0000ffff    ;基地址为0，段界限为0xfffff
mov dword [ebx+0x0c],0x00cf9200    ;粒度为4KB，存储器段描述符

;创建保护模式下初始代码段描述符,代码段可读
mov dword [ebx+0x10],0x7c0001ff    ;基地址为0x00007c00，512字节
mov dword [ebx+0x14],0x00409a00    ;粒度为1个字节，代码段描述符

;创建栈段描述符
mov dword [ebx+0x18],0x7c00fffe
mov dword [ebx+0x1c],0x00cf9600

以上代码用于创建GDT。由于想在引导程序中实现全部功能，所以编译后的文件不能超过512字节。为了节省笔墨，我跳过了0#描述符。

关于代码段，必须是可读的，因为过程“show_hex_dword”需要访问代码段中的一个表格：

string_hex: db'0123456789ABCDEF'

关于栈段描述符的定义，具体讲解参见 存储器的保护（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记18 http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50759826

绘制白色条

; 绘制白色条
push (1<<LENGTH_OF_BAR) ;number of blocks
push BAR_POSITION
push 0x7720 ; white block
call put_char

这里调用了过程 put_char

;--------------------------------------
;功能：在指定位置显示N个字符
;输入: push 显示的个数
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 属性和字符
;返回：无

put_char:
pushad
mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符

put:
mov [es:0xb8000+ebx*2],ax
inc ebx
loop put

popad
ret 3*4

以前我们都是用寄存器传递参数，这次我们用栈传递参数。在调用过程之前，先按照要求把参数压入栈中。当进入过程，执行完pushad这条指令后，栈的情况如下图：



这里用到了pushad和popad指令，如果你不懂的话，可以参考我的另一篇博文：

《PUSHA/PUSHAD POPA/POPAD 指令详解》

http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/50866801

所以以下四行就可以取得栈中的参数。

mov ebp,esp
mov ecx,[ebp+11*4]  ; 取得个数
mov ebx,[ebp+10*4]  ; 取得位置
mov ax,[ebp+9*4]    ;取得属性和字符

还有一点需要说明，

ret 3*4

这句话使用了带操作数的过程返回指令。这种用法在原书P278页讲解了。

如果希望在过程返回的同时，顺便弹出调用者压入的参数（使栈平衡），那么可以用带操作数的过程返回指令。指令格式是：

ret imm16
retf imm16

这两条指令都允许用16位的立即数作为参数，不同之处仅在于前者是近返回，后者是远返回。立即数一般总是偶数，原因是栈操作总是以字或者双字进行。立即数的值表示在过程返回时应当从栈中弹出多少字节的数据。

对于我们的

put_char

过程，因为调用的时候压入了3个参数（3*4=12字节），所以

ret

后面的参数是12.

push 0x7720

这句表示压入白底的空格符，显示出来就是白色的小方块了。

显示总共要检测的内存数量（以双字为单位）

push 21*80+25
push BLUE_LIGHT
push MEMORY_SIZE
call show_hex_dword ;显示总共要检测的数量（以双字为单位）

依然用栈来传递参数，调用了过程

show_hex_dword

；

;-----------------------------------
;功能：在指定位置显示16进制的数字
;输入:
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 属性
;      push 要显示的值
;返回：无

show_hex_dword:
pushad

mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4]  ;取得@1:(x,y)
mov eax,[ebp+9*4]   ;取得@3:value

mov ebx,16
xor ecx,ecx

remainder:
xor edx,edx
div ebx

inc ecx
push edx
cmp eax,0
jnz remainder

mov ah,[ebp+10*4]   ;取得属性
print:
pop ebx
mov al,[cs:string_hex+ebx]
mov [es:0xb8000+esi*2],ax
inc esi
loop print

popad
ret 3*4

这段代码的功能就是在指定的位置（压入第一个参数，比如3行4列就写

push 3*80+4

）,显示指定属性（压入第二个参数，仅低字节有效，比如绿色

0x02

）的16进制数字（压入第三个参数，比如想在屏幕上显示16进制的8b9c,那么就

push 0x8b9c

）.

这段代码的设计思路就是把要显示的数不断除以16（因为是以16进制显示），并且把余数压栈，直到商等于0.之后再从栈依次弹出余数，把余数作为索引值查表，将对应的字符写到屏幕上。查表的关键语句是：

mov al,[cs:string_hex+ebx]

表格定义在源文件的倒数第三行

string_hex: db'0123456789ABCDEF'

因为查表需要对代码段进行访问，所以在创建代码段描述符的时候，一定要让代码段可读。

开始内存检测

xor ecx,ecx          ;计数器清零，记录检测了多少个双字
mov ebx,MEMORY_START ;检测的起始地址

在检测之前，计数器清零，检测的起始地址传送到EBX寄存器。

exam:   ;显示正在检测的地址
push 21*80+6
push YELLOW
push ebx
call show_hex_dword

mov dword [es:ebx],0x55aa55aa
cmp dword [es:ebx],0x55aa55aa
jnz err

mov dword [es:ebx],0xaa55aa55
cmp dword [es:ebx],0xaa55aa55
jnz err

add ebx,4    ;地址增加4个字节
inc ecx

push 21*80+15
push BLUE_LIGHT
push ecx
call show_hex_dword ;显示已经检测的数量（以双字为单位）

push BAR_POSITION  ;绘制进度条
push ecx
push MEMORY_SIZE
call draw_progress_bar

cmp ebx,MEMORY_END
jnz exam

err:
hlt

上面的代码就是内存检测的主体部分了。

首先显示正在检测的地址（要检测的地址在ebx中）。然后向这个地址写入花码，并读出比较，如果不相等，就跳转到

err:
hlt

如果相等，则ebx加上4，ecx加上1，并且显示ecx的值，绘制进度条，然后继续检测。

绘制进度条

;-----------------------------------------
;功能：根据比例在指定位置绘制进度条
;输入:
;      push (x*80+y)，  表示x行y列
;      push 分子
;      push 分母
;返回：无

draw_progress_bar:
pushad
mov ebp,esp
mov esi,[ebp+11*4]  ; 取得位置
mov eax,[ebp+10*4]  ; 取得分子
mov ebx,[ebp+9*4]    ;取得分母

shr ebx,LENGTH_OF_BAR
xor edx,edx
div ebx
cmp eax,1
jb out

push eax
push esi
push 0x2020; 绿色背景，空格
call put_char

out:
popad
ret 3*4

上面的这个过程是在指定的位置绘制进绿色的进度条，要求压入三个参数。第一个是位置，第二个是分子，第三个是分母。

比如说要检测160个双字，当前已经检测了10个了，那么第二个参数就是10，第三个参数就是160。如果之前的白色条的长度是64，那么就绘制64*（10/160）=4个绿色方块。看上去的效果就是绿色条的长度是总长度的十六分之一。

在每次检测4个字节后，我们就调用这个过程，这样程序运行后就有一个动画效果了。

这个过程实现的关键是计算出要绘制多少个绿色空格。

假设白色空格数可以表示成2的m次方。

计算公式推导如下图：



根据公式，我们把ebx右移LENGTH_OF_BAR（=6）位，作为除数，被除数就在eax中，然后edx清零，再然后

edx:eax / ebx(移位运算后的值) = eax ...edx

余数舍去，假如计算出来画1.5个方块，那么就绘制1个。

需要注意的是，计算后eax的值可能为0，如果为0就一定要跳出，一个绿色方块也不绘制。

如果eax大于等于1，那么调用过程

put_char

绘制绿色方块。

好了，整个代码的分析就到这里了，我们赶紧看看结果吧。



检测结束后：



【end】