从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （二）从实模式到保护模式

　　上午有时间，继续上一篇文章，本篇的主要内容是如何启动保护模式，这样我们可以利用更大的内存来编程了。

一、我们创建一个顶层Makefile文件，方便之后我们的编译调试

OBJ := system.o loader.o
TOP_DIR := $(PWD)
OBJ_DIR := $(TOP_DIR)/obj
BIN_DIR := $(TOP_DIR)/bin
BIN := system.img
SUB_DIR := system loader
export OBJ_DIR BIN_DIR

all:CHECKDIR $(SUB_DIR)

CHECKDIR:
mkdir -p $(OBJ_DIR) $(BIN_DIR)

$(SUB_DIR) : ECHO
make -C $@

ECHO:
@echo $(SUB_DIR)
@echo begin compile

clean:
rm -rf $(OBJ_DIR)/*.o $(BIN_DIR)

　　简单说一下这个Makefile，前六行定义了六个变量，export会把变量传递到下一层makefile，当执行make命令的时候，默认执行第一个命令行，即all命令，all命令有两个依赖项，CHECKDIR 和 (SUBDIR)，所以会分别执行，而(SUB_DIR)中有多个项目，则每个项目名空格隔开，make -C的意思是执行下一层makefile，clean就很简单了，我们再看一下层makefile。

loader文件夹中makefile

run : loader.bin
dd if=$(BIN_DIR)/loader.bin of=$(BIN_DIR)/loader.img bs=512 count=1
dd if=$(BIN_DIR)/system.bin of=$(BIN_DIR)/system.img bs=1474048 count=1 conv=sync
dd if=$(BIN_DIR)/system.img of=$(BIN_DIR)/loader.img bs=512 seek=1
qemu-system-i386 -fda $(BIN_DIR)/loader
4000
.img -boot a

loader.bin : loader.o Makefile loader.lds
ld -M --oformat binary -m elf_i386 -o $(BIN_DIR)/loader.bin $(OBJ_DIR)/loader.o -T loader.lds

loader.o : loader.s Makefile
as --32 loader.s -o $(OBJ_DIR)/loader.o

system文件夹中的makefile

system.bin : system.o Makefile system.lds
ld -M -m elf_i386 -o $(BIN_DIR)/system $(OBJ_DIR)/system.o -T system.lds
objcopy -O binary $(BIN_DIR)/system $(BIN_DIR)/system.bin

system.o : system.s Makefile
as --32 system.s -o $(OBJ_DIR)/system.o

　　这两个Makefile的解释可以参考上一篇内容。

　　然后清理一下两个文件夹，都只留下makefile，lds，和汇编文件.s，回到主目录，执行make命令，成功啦，跟昨天的效果一样。

二、什么是保护模式

　　1、这是一个历史遗留问题，8086是当年intel的看家宝贝，但却只是一个16位单片机，所以它能寻找的内存地址仅限于0000_0000_0000_0000b～1111_1111 _1111_1111b之间，即64kb内存，64kb的内存也太小了，什么都做不了，于是intel脑洞大开，进行了这种操作，它增加了段寄存器，将内存访问引脚增加到20个，这样就可以访问1mb的空间啦，但是问题来了，随着以后技术的发展，CPU都发展到了32位，不需要段寄存器也可以访问4GB的内存，但是intel为了向下兼容，必须保留这个恶心的段寄存器，所以intel公司的大牛们绞尽脑汁，将段寄存器成功扩展为保护模式。而arm的cpu自从出生就是32位，所以就没有这么繁琐的寻址方式了。

　　2、现在大部分计算机启动时还是靠bios，而bios运行在16位模式下，它提供了大量的中断加快了计算机底层系统的开发，使得程序员不需要面向计算机硬件，连win7在开机时都不舍得丢弃int13，毕竟开发底层驱动还是耗时耗力。有人或许会问为什么现在32位64位电脑启动一定是16位，那是因为这32位64位这两种模式无法使用bios，我们姑且认为以后可能会是UEFI的天下，但究竟何时才会丢弃bios，我觉得遥遥无期吧，它太方便了。如今arm的bootloader如此的纷繁复杂，一个平台上一点问题都没有换个平台可能根本无法启动，而intel平台就不用担心这种问题，Intel向下兼容的作风和bios的引入使得程序非常容易在各个版本的平台上运行。

三、保护模式的启动流程

　　1、从实模式到保护模式有很规范的启动流程

1. 设置GDTR
2. 打开A20 GATE
3. 初始化中断
4. 设置CR0控制寄存器

　　你可能完全不知道我在说什么，没关系，一个一个来看。

　　２、什么是GDTR、GDT

　　顾名思义，Global Descriptor Table Regester，全局描述符表寄存器，虽然这个东西网上资料还是不少的，我感觉都比较难懂，我尽量讲的通俗一些，我们可以把这一套系统类比成一本书。GDTR这个寄存器保存着这本书目录的位置，比如说这本书还有前言巴拉巴拉一大堆，但是GDTR告诉了我们这本书的目录在第10页，目录有２１页

　　GDTR是一个４８位寄存器。



　　其中０－１５位是表限，就是这个表的大小，就是我这本书目录有多少，单位是字节

　　１６－４７位是基址，就是这个表在哪，就是我这本书的目录在哪里，指向了我目录的首地址

　　我们知道目录的位置了，接下来分析一下目录是怎么编排的，这个目录就叫做GDT，全局描述符表，GDT包含着一章又一章的标题，每一个标题我们称之为全局描述符GD，每一个全局描述符GD由６４bit，８字节构成，连续向下排布，就好像书的目录中每一个标题的字数是相同的，看一下GD是怎么设计的，每一章的标题是怎么设计的：



基址：指向的内存首地值

段限：这一个段的大小，单位可以是byte,可以是４KB

Ｇ标志位：段的长度单位，Ｇ＝０单位位１字节，Ｇ＝１，单位位４KB

D/B标志位：为０表示１６位段，为１表示３２位段

０标志位：为６４位ＣＰＵ预留，这里把它置０

ＡＶＬ：留给程序员使用

Ｐ标志位：为０此段无效，不能使用

ＤＰＬ：特权等级，００为最高等级

Ｓ标志位：为１表示代码段或数据段，为０表示系统段（具体可以百度百科）

ＴＹＰＥ：参数如下

　　对于数据段来说， 这 4 位分别是 X、 E、 W、 A 位；而对于代码段来说，这 4 位则分别是 X、 C、 R、 A 位。如下表所示

　　


　　X 表示是否可以执行（ eXecutable）。数据段总是不可执行的， X＝0；代码段总是可以执行的，因此， X＝1。

　　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，通常是堆栈段。

　　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。

　　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 的代码段，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。

　　也许有人会问，既然代码段是不可读的，那处理器怎么从里面取指令执行呢？事实上，这里的R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。

　　 数据段和代码段的 A 位是已访问位，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”。

　　现在我们知道了目录和目录中的标题怎么规定的了，接下来看一下怎么查目录，用到了段选择子寄存器。CS, SS, DS, ES 是不是很熟悉，在３２位环境下，他们不是段寄存器了，他们被称为段选择子寄存器，他们各自有自己的对应关系，赘述一下吧

　　1. CS寄存器：与ip连用，构成cs:ip结构，ljmp和jmp的关系要搞清楚，后章有讲

　　 2. SS寄存器：与sp连用，构成ss:sp结构

　　 3. DS寄存器：除了sp使用ss默认段，其他全部使用默认ds段

　　 4. ES寄存器：辅助使用

　　下面介绍一下段选择子寄存器的分布：



　　索引值指向了第几个GD，也就是说目录中的第几个标题，ＴＩ＝０表示位全局，ＲＰＬ＝００权限最高，等以后用到详细说。

　　所以我们要用某一块内存的时候，先通过ＧＤＴＲ寻找到目录，然后通过段选择子寄存器看看我们要去找第几个标题，找到相应的标题，就可以读取这一部分内存了。

　　3、打开A20 GATE

　　这同样是个历史遗留问题，很多稀奇古怪的东西都是由于系统升级时，为了保持向下兼容而产生的，A20 Gate就是其中之一。

　　在8086/8088中，只有20根地址总线，所以可以访问的地址是2^20=1M，但由于8086/8088是16位地址模式，能够表示的地址范围是0-64K，所以为了在8086/8088下能够访问1M内存，Intel采取了分段的模式：16位段基地址:16位偏移。其绝对地址计算方法为：16位基地址左移4位+16位偏移=20位地址。

　　但这种方式引起了新的问题，通过上述分段模式，能够表示的最大内存为：FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh=1M+64K-16Bytes（1M多余出来的部分被称做高端内存区HMA）。但8086/8088只有20位地址线，如果访问100000h~10FFEFh之间的内存，则必须有第21根地址线。所以当程序员给出超过1M（100000H-10FFEFH）的地址时，系统并不认为其访问越界而产生异常，而是自动从重新0开始计算，也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的，这种技术被称为wrap-around。

　　到了80286，系统的地址总线发展为24根，这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。Intel在设计80286时提出的目标是，在实模式下，系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样，也就是说，在实模式下，80286以及后续系列，应该和8086/8088完全兼容。但最终，80286芯片却存在一个BUG：如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存，而不是像过去一样重新从0开始。

　　为了解决上述问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线（从0开始数是第20根），被称为A20 Gate：如果A20Gate被打开，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；如果A20Gate被禁止，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式。绝大多数IBM PC兼容机默认的A20Gate是被禁止的。由于在当时没有更好的方法来解决这个问题，所以IBM使用了键盘控制器来操作A20 Gate，但这只是一种黑客行为，毕竟A20Gate和键盘操作没有任何关系。在许多新型PC上存在着一种通过芯片来直接控制A20 Gate的BIOS功能。从性能上，这种方法比通过键盘控制器来控制A20Gate要稍微高一点。所以本次代码就直接使用ＯＵＴ到某个地址来控制Ａ２０的开关。

　　

　　４、ＣＲ０的介绍

　　CR0的位0是启用保护（Protection Enable）标志。当设置该位时即开启了保护模式；当复位时即进入实地址模式。这个标志仅开启段级保护，而并没有启用分页机制。若要启用分页机制，那么PE和PG标志都要置位

四、具体汇编如何实现

　　基础部分就到此为止了，开始写代码，注释写在代码里了

这是我写的最简单的实模式到保护模式的代码，包括没有初始化中断，直接关掉了中断，为了表现出大体思路，当然是可以运行的，可以用ＧＤＢ观察到保护模式的成功启动，等有时间我再补一篇ＧＤＢ的使用，调试内核非常的方便。

　　这一段程序不能单独使用，由上节内容加载到内存中才能运行，这段程序被放在了0x8200位置处。

.code16
.global _start
.section .text
########################################start 32
############set GDT
movw    gdt_base,   %ax
############0# empty GDT
movl    $0x00,     0(%eax)
movl    $0x00,     4(%eax)
############1# code GDT
movl    $01ff, 8(%eax)
movl    $0x00409800,   12(%eax)
############2# data GDT
movl    $0x8000ffff,   16(%eax)
movl    $0x0040920b,   20(%eax)
############3# stack GDT
movl    $0x00007a00,   24(%eax)
movl    $0x00409600,   28(%eax)
##############configuration
movw    $31,       gdt_size
lgdt    gdt_size
#turn on A20
in  $0x92,     %al
or  $0x02,     %al
out %al,        $0x92
#close interrupt
cli
#configure CR0
movl    %cr0,       %eax
or  $1,        %eax
mov %eax,       %cr0
#protect mode start
ljmp    $0x0008,	$(start_protect-_start) #16bits descriptor, 32bits disp

start_protect:
.align  32
.code32
jmp start_protect

gdt_size:   .word   0
gdt_base:   .long   0x8400 #position of gdt

手打不易，转载请附加链接：http://blog.csdn.net/cheng7606535/article/details/76083210