自己动手写操作系统读书笔记——第三章：保护模式（上）

准备环境

在测试本书源码的时候，我选择的环境是Vmware+IDA，当然也可以使用单纯的gdb调试器，但是IDA集成了源码分析，汇编等功能，使用起来较为方便。至于选择这个环境的原因在于Vmware使用的人较多，而且联合IDA调试比较方便。
这里就记录一下Vmware的相关设置

debugStub.listen.guest32 = "TRUE"//联合调试
debugStub.hideBreakpoints= "TRUE"//用硬件断点代替软件断点
debugStub.listen.guest32.remote = "TRUE"//远程调试
#monitor.debugOnStartGuest32 = "TRUE"//在运行BIOS启动代码时下断点

关于CPU的一些说明

在阅读本书之前，我一直认为CPU内部的寄存器只有寥寥几个，如通用寄存器、EFLAGS、段、IP寄存器这几个分类，但是等到读完本书并且读到了《软件调试》后才发现，实际上CPU的寄存器还有许许多多，并且关于这些寄存器的用法都有着特别的规定，比如在段式管理中出现的GDTR寄存器。

保护模式

在IA-32架构下，CPU有三种工作模式：

• 实模式
• 保护模式
• 虚拟86模式

实模式是对8086CPU的兼容，而保护模式则是IA-32处理器工作的最主要模式，也是多道程序操作系统所工作的环境，而虚拟86模式则是实现了多个实模式的并发运行。
保护模式是一个庞大的内容，包括了GDT、LDT、分页、中断、特权级、TSS、I/O保护等等内容。
需要指出的，实现这些机制是需要硬件设施的，这也意味着对于这些机制，我们是不可能在软件调试器中看到每一步的实现的。

段式内存管理

在保护模式下，由于ip寄存器的大小达到了32bit，所以寻址能力达到了4GB之多，在全新的保护模式下，我们不再需要将内存地址划分为 段寄存器：偏移 这样模式，但是段寄存器并没有被取代，但是寄存器内部的内容不再是一个段基址了，而是一个包含了线性表的相对偏移的索引。这个线性表就是GDT。需要注意的是，这个索引是按字节为粒度的。

全局描述符表（GDT）

GDT是一个数组，每一个表项分别描述了线性内存中的一块区域，描述的内容包括段基址（线性地址）、段界限、属性这三个内容，我们把GDT中的表项称为描述符（Descriptor），在保护模式中只有一个GDT发挥作用。需要注意的是GDT代表的是经典的段式管理，所以每一个描述符描述的内存空间不一样相等，而且两个描述符中间可能存在空洞。
那么描述符中的属性有些什么呢？比较重要的有

• 描述符的类型：包括段描述符、门描述符
• 段在内存中是否存在
• 段的特权级
• 段的读写、粒度等属性

在CPU进行内存操作的时候，会根据描述符进行相应的检查，如果检查不通过会出现相应的异常。
当我刚刚了解到上面这个知识的时候，我一直在想一个问题，CPU是如何知道GDT的基地址的呢？是约定俗称的吗？实际上，这个问题的答案很简单，在CPU内部有一个专门的寄存器用于存放GDT的基地址，名称叫做GDTR。实际上，这种专门开辟一个寄存器来存放一个特定内容的做法在IA-32架构里面还很多。使用如下指令就可以将GDT表放入这个寄存器中，注意到，这里使用了一个lgdt操作码，对应的还有sgdt指令。

lgdt [GdtPtr]

需要注意的是，放入寄存器的并不是单纯的GDT的基地址，而是下面这样一个结构体

struct
{word	GdtLen;//以字节为单位dword	GdtBase;
}

所以一个GDT最多可以放$2^{13}$个描述符

局部描述符表（LDT）

LDT大体上和GDT差不多，加载其基地址的指令也差不多lldt something仅仅有一点点区别：

• LDT可以有许多个
• LDTR寄存器的内容有一点不一致，其内容是一个GDT描述符

描述符选择子

在上面我们提到了段寄存器中的内容，这里我们正式把他赋予一个名字，选择子。选择子的结构如下

选择子的低2位和特权级有关，第3位为TI位，这个位指定了我们的选择子选择的是GDT里面的描述符还是LDT里面的描述符。

进入保护模式

现在我们已经了解了保护模式下必须的段式模式中绝大部分东西（除了特权级），那么CPU是如何进行模式切换的呢？有以下几个步骤：

1. 准备GDT
2. 装载GDT
3. 打开A20地址线
4. 打开位于Cr0寄存器中的保护模式标志位（PE位）
5. 更新选择子

进入保护模式

现在我们已经了解了保护模式下必须的段式模式中绝大部分东西（除了特权级），那么CPU是如何进行模式切换的呢？有以下几个步骤：

1. 准备GDT
2. 装载GDT
3. 打开A20地址线
4. 打开位于Cr0寄存器中的保护模式标志位（PE位）
5. 更新选择子

A20地址线

由于要兼容A20的程序，在实模式下A20这个位的地址线总是为0的，所以为了开启保护模式，达到4GB的寻址能力，我们必须打开A20地址线。我们通过以下指令来开启A20地址线。

in al,92h
or al,00000010b
out 92h,a1

通过这个例子我们可以看到微机系统中CPU控制系统其他部分的通用方法：通过向约定的端口读/写操作字来控制外设和芯片。

Cr0寄存器

就如同前面所说的那样，CPU的通用寄存器、段寄存器、PSW等寄存器都只是冰山上的一角，除了这些之外CPU还有其他其他用途的寄存器，在这里我们第一次遇见了专用寄存器Cr0，这个寄存器的最低位置1标志着CPU工作在保护模式下。