分析 bootloader 进入保护模式的过程
(要求在报告中写出分析)
BIOS 将通过读取硬盘主引导扇区到内存，并转跳到对应内存中的位置执行 bootloader。请分析 bootloader 是如何完成从实模式进入保护模式的。提示：需要阅读小节“保护模式和分段机制”和 lab1/boot/bootasm.S 源码，了解如何从实模式切换到保护模式。
代码简析
因为8086的地址线是20bit，但是数据处理位宽是16bit，无法直接寻址实模式规定的1M地址空间，于是引入了一种地址转换机制，地址用(segment：offset)表示，segment和offset分别是16bit寄存器，物理地址用segment<<4+offset表示，所以不难计算最大的地址是0xffff0+0xffff=0x10ffef，约为1088KB，大于1MB，如果发生超过1MB的寻址，并不会认为寻址异常并且会在20bit处截断，例如 0x100000 会被认为是 0x0。这个现象叫做内存回绕(memory wrapping)。
但是在80286上出现了问题，因为80286提供了24bit地址线，且提供了保护模式，这样可以访问的内存达到了16M，这时如果访问 0x100000 ，系统将实际访问这块内存，而不是访问 0x0 这块内存。因此为了保证向下兼容性，也就是人为的控制地址的长度，IBM使用键盘控制器上的一根输出线管理第21根地址线，叫做 A20 Gate。当 A20 打开的时候，寻址可以超过1M，关闭的时候不能超过 1M。
下面讨论如何开启A20。
PC机刚出现的时候，也许是为了降低成本，工程师使用8042键盘控制器来控制A20，但是实际上A20与键盘管理没有任何关系，下面是8042的逻辑图：
开启部分在指导书中写的很详细，不再赘述，直接看bootasm中的汇编代码：
.code16 # Assemble for 16-bit modecli # Disable interruptscld # String operations increment# Set up the important data segment registers (DS, ES, SS).xorw %ax, %ax # Segment number zeromovw %ax, %ds # -> Data Segmentmovw %ax, %es # -> Extra Segmentmovw %ax, %ss # -> Stack Segment首先关中断，之后DF置为0，规定字符处理方向为从前向后，查阅i386关于初始的文档发现要把DS、ES和SS初始化为0，那么首先通过xor把%ax清零，之后分别赋给%ds、%es和%ss。
因为现在处在实模式，如果想使用保护模式就需要打开A20，所以：
seta20.1:inb $0x64, %al # Wait for not busy(8042 input buffer empty).testb $0x2, %aljnz seta20.1movb $0xd1, %al # 0xd1 -> port 0x64outb %al, $0x64 # 0xd1 means: write data to 8042's P2 portseta20.2:inb $0x64, %al # Wait for not busy(8042 input buffer empty).testb $0x2, %aljnz seta20.2movb $0xdf, %al # 0xdf -> port 0x60outb %al, $0x60 # 0xdf = 11011111, means set P2's A20 bit(the 1 bit) to 1先读64h端口到%al，然后检查bit1是否为1，如果是，说明inputbuffer中还有数据，此时ZF=1，跳转到seta20.1；否则inputbuffer为空，这时向 64h 发送 0xd1，表示要写 output port 的 P2 端口；之后类似的等待inputbuffer为空，将 0xdf 输出到 0x60 端口，作为写入的参数，根据图示，此时A20置为1(11011111)，A20打开。
通过lgdt gdtdesc加载我们已经创建好的GDT：
# Bootstrap GDT
.p2align 2 # force 4 byte alignment
gdt:SEG_NULLASM # null segSEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff) # code seg for bootloader and kernelSEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff) # data seg for bootloader and kernelgdtdesc:.word 0x17 # sizeof(gdt) - 1.long gdt # address gdt我们看到现在GDT中只有3个段描述符，所以sizeof(gdt)=24Byte，但是为什么要减一不是很懂，同时SEG_*的定义在asm.h中：
#define SEG_NULLASM \.word 0, 0; \.byte 0, 0, 0, 0#define SEG_ASM(type,base,lim) \.word (((lim) >> 12) & 0xffff), ((base) & 0xffff); \.byte (((base) >> 16) & 0xff), (0x90 | (type)), \(0xC0 | (((lim) >> 28) & 0xf)), (((base) >> 24) & 0xff)/* Application segment type bits */
#define STA_X 0x8 // Executable segment
#define STA_E 0x4 // Expand down (non-executable segments)
#define STA_C 0x4 // Conforming code segment (executable only)
#define STA_W 0x2 // Writeable (non-executable segments)
#define STA_R 0x2 // Readable (executable segments)
#define STA_A 0x1 // Accessed我们不妨看看代码段的段描述符：
发现base都是0，limit是0xfffff，G是1，说明访存粒度是4KB，所以此时逻辑地址等于物理地址。
加载完GDTR之后，
# Switch from real to protected mode, using a bootstrap GDT# and segment translation that makes virtual addresses# identical to physical addresses, so that the# effective memory map does not change during the switch.lgdt gdtdescmovl %cr0, %eaxorl $CR0_PE_ON, %eaxmovl %eax, %cr0# Jump to next instruction, but in 32-bit code segment.# Switches processor into 32-bit mode.ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg可以参考i386的manual文档，以及保护模式的初始化，我们只需要设置CR0寄存器的PE(protection enabled)位即可。注意：x86汇编的mov指令从左往右读，和mips指令mv有区别。
接下来使用ljmp把%cs替换为段选择子，index指向第一个段(data segment)，在protcseg中，设置ds、es、fs、gs和ss几个寄存器，只有初始化frame pointer和stack pointer，再调用bootmain进行kernel的加载。
至此，bootloader从实模式进入保护模式。主要的步骤：
- 初始化(关中断等)；
- 打开 A20 Gate；
- 设置 GDT 和 GDTR 后加载；
- cr0 的 PE 置为1；
- 初始化段寄存器、栈指针等，加载内核。
概念辨析
一些问题
在A20 Gate的激活过程中，指导书提到要禁止键盘输入指令：
但是代码中好像并没有实现禁止键盘输入的指令，没看到类似下面代码的实现。
movb $0xad, %al # 0xad -> port 0x64
outb %al, $0x64这里的原因暂时不清楚。
参考资料
激活A20地址详解Intel 80386 Programmer's Reference Manual