# 练习3

## 练习3: 分析bootloader进入保护模式的过程

[练习3文档](https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_2_1_3_ex3.html)

[相关阅读：保护模式和分段机制](https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_3_2_1_protection_mode.html)

* 为何开启A20，以及如何开启A20
* 如何初始化GDT表
* 如何使能和进入保护模式

### 相关文件

* [bootasm.S](/ucore-analysis/ucore/boot/bootasm_s_lab1.md)

## 为何开启A20，如何开启A20

### 背景知识

1. *A20*是什么？

   *A20*为处理器的第21根地址线。A即Address。*A0*是第一根地址线，以此类推，*A19*是第20根地址线，*A20*是第21根地址线。
2. 开启*A20*是什么？

   开启*A20*指的是开启*A20 Gate*。

   *A20 Gate*是80286处理器为了兼容8086处理器的程序而设置的，一个控制第21根地址线（*A20 Line*）的与门。
3. 为什么要有*A20 Gate*？

   8086处理器有20根地址线（*A0* \~ *A19*），可以寻址1MB内存。当物理地址达到`0xFFFFF` (`11111111111111111111B`)时，再加1，由于只能维持20位地址，进位会丢失导致地址变为`0x00000` (`00000000000000000000B`)。

   而80286处理器有24根地址线（*A0* \~ *A23*），可以寻址16M内存。当物理地址达到`0x0FFFFF` (`000011111111111111111111B`)，再加1，得到的地址为`0x100000` (`000100000000000000000000`)。若运行8086处理器的程序，会导致寻址出现错误。

   为了让80286处理器兼容8086处理器的程序，IBM在主板上添加了*A20 Gate*，当*A20 Gate*关闭（值为0）时，在与门的操作下，*A20 Line*的值始终为0，所以当`0x(0)FFFFF` \[`(0000)11111111111111111111B`]增加1时80286处理器可以得到跟8086处理器一样的结果`0x(0)00000` \[`(0000)00000000000000000000`]。
4. 如何开启*A20 Gate*？

   *A20 Gate*的控制阀门在8042键盘控制器（8042芯片）内，为*输出端口P2*的第二个bit（*P21引脚*）。

   为开启*A20 Gate*，只需向*P2端口*写入第二个bit为1的一个字节即可。

### 问题分析

1. 为何开启A20？

   为了使CPU可以正常访问高于16位的地址，为进入可寻址32位的保护模式做准备。
2. 如何开启A20？

   以下为开启A20的代码：

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    25-43

       # Enable A20:
       #  For backwards compatibility with the earliest PCs, physical
       #  address line 20 is tied low, so that addresses higher than
       #  1MB wrap around to zero by default. This code undoes this.
   seta20.1:
       inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
       testb $0x2, %al
       jnz seta20.1

       movb $0xd1, %al                                 # 0xd1 -> port 0x64
       outb %al, $0x64                                 # 0xd1 means: write data to 8042's P2 port

   seta20.2:
       inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
       testb $0x2, %al
       jnz seta20.2

       movb $0xdf, %al                                 # 0xdf -> port 0x60
       outb %al, $0x60                                 # 0xdf = 11011111, means set P2's A20 bit(the 1 bit) to 1
   ```

   8042芯片的I/O端口为0x60\~0x6f，实际上IBM PC/AT使用的只有0x60和0x64两个端口。

   8042芯片有四个8 bit长的寄存器：*Input Buffer*, *Output Buffer*, *Status Register*, *Control Register*。

   为向*输出端口P2*写入数据，需要先将要写入的数据传入8042芯片的*Output Buffer*，然后让8042芯片会将*Output Buffer*的内容写入*输出端口P2*。

   向*Output Buffer*写入数据的流程为：向0x64端口发送0xd1，表示写入，然后再将要写入的数据传入0x60端口。

   在向*Output Buffer*写入数据前，需要先读取*Status Register*的数据已获取芯片状态，得到的结果第二个bit表示0x60和0x64端口是否有数据，若无数据才可正常写入。

   以下为具体步骤：

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    29-32

   seta20.1:
       inb $0x64, %al
       testb $0x2, %al
       jnz seta20.1
   ```

   首先，从0x64端口读入数据存入al，将al的值和0x02(00000010B)进行与操作，若得到结果不为0，即0x60和0x64端口内有数据，则跳转回标记`seta20.1`并重复这一操作，直到端口内无数据，则进行下一步。

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    34-35

       movb $0xd1, %al
       outb %al, $0x64
   ```

   然后将`0xd1`经al写入0x64端口，表示将要向0x60端口传入要写进*输出端口P2*的数据。

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    37-43

   seta20.2:
       inb $0x64, %al
       testb $0x2, %al
       jnz seta20.2

       movb $0xdf, %al
       outb %al, $0x60
   ```

   这里与`seta20.1`部分类似，从0x64端口获取状态，直到0x60和0x64端口内没有数据，即可执行下一部分。

   然后经al向0x60端口写入数据以传入*Output Buffer*，然后8042芯片自动将*Output Buffer*中的数据写入*输出端口P2*。

   在这段代码中写入0x60端口的数据为`0xdf` (`11011111B`)，其第二个bit为1，即表示开启*A20 Gate*。另外7个bit表示其它参数，这里不再做了解。

### 参考文献

* [关于A20 Gate](https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_appendix_a20.html)；
* [A20 Line](https://wiki.osdev.org/A20_Line)；
* 《x86汇编语言：从实模式到保护模式》，电子工业出版社；

## 如何初始化GDT表

### 背景知识

1. 什么是GDT表

   Global Descriptor Table(全局描述符表)是IA32架构CPU的一种数据结构，它保存多个段描述符，其起始地址保存在全局描述符表寄存器(GDTR)中。GDTR长48位，其中高32位为基地址，低16位为段界限。

   其中，全局描述符表中第一个段描述符设定为空段描述符。GDTR中的段界限以字节为单位。对于含有N个描述符的描述符表的段界限通常可设为8\*N-1。

   GDT表由汇编指令`lgdt`加载，该指令将GDT表地址加载到GDTR中。
2. GDT表的作用

   在保护模式下，大多数内存管理和中断服务例程都是通过GDT表控制的。每个描述符(Descriptor)都存储着CPU可能需要的对象信息。
3. GDT表存储的内容
   * 空描述符（不会被加载）
   * 一个代码段描述符（在内核中，其类型应设为0x9A）
   * 一个数据段描述符（其类型应设为0x92）
   * 一个TSS(Task State Segment 任务段描述符)（uCore中没有使用）
   * ...

### 问题分析

1. 如何初始化GDT表

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    49

       lgdt gdtdesc
   ```

   `gdtdesc`即GDT表的地址（见下文），使用`lgdt`指令加载即可。
2. uCore中GDT表的格式

   ```
       #    File:    bootasm.S
       #    Line:    77-86

   # Bootstrap GDT
   .p2align 2                                          # force 4 byte alignment
   gdt:
       SEG_NULLASM                                     # null seg
       SEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff)           # code seg for bootloader and kernel
       SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff)                 # data seg for bootloader and kernel

   gdtdesc:
       .word 0x17                                      # sizeof(gdt) - 1
       .long gdt                                       # address gdt
   ```

   `gdt`为存储的两个段描述符（以及之前的一个空的段描述符），`gdtdesc`为GDT表的段界限及段描述符(`gdt`)的起始地址。两个段描述符分别为：代码段描述符，数据段描述符。

   以下为代码中创建段描述符的宏以及其参数。

   ```c
    //    File:    asm.h
    //    Line:    4-23

    /* Assembler macros to create x86 segments */

    /* Normal segment */
    #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
   ```

   由以上代码可知，代码描述符的类型(type)值为`(0x90 | (STA_X|STA_R))`即`(0x90 | 0x0A) = 0x9A`，数据段描述符的类型(type)值为`(0x90 | STA_W)`即`(0x90 | 0x02) = 0x92`，与文档描述一致。

### 参考文献

* [保护模式和分段机制](https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_3_2_1_protection_mode.html)
* [Global Descriptor Table](https://wiki.osdev.org/Global_Descriptor_Table)

## 如何使能和进入保护模式

### 背景知识

1. 什么是保护模式

   保护模式与实模式相对应，是在80286处理器之后现代Intel处理器主要的操作模式。在80386处理器或更高版本上，32位保护模式允许使用多个虚拟空间，每个虚拟空间最多具有4GB的可寻址内存，并能通过Rings限制可用的指令集使系统能够执行严格的内存和硬件I/O保护。

### 问题分析

1. 如何进入保护模式

   在进入保护模式前，需要进行一系列操作：

   1. 禁用所有中断（执行`cli`命令）
   2. 启用*A20 Line*
   3. 使用适用于代码、数据和堆栈的段描述符加载GDT表

   做完准备工作后，就可以切换到保护模式了。

   控制实模式与保护模式切换的开关位于CR0寄存器。CR0是处理器内部的控制寄存器(Control Register, CR)，它是32位的寄存器，包含了一系列用于控制处理器操作模式和运行状态的标志位，它的第1位是保护模式允许位，把该位置设为1后处理器就会进入保护模式。

   ```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    50-52

    movl %cr0, %eax
    orl $CR0_PE_ON, %eax
    movl %eax, %cr0
   ```

   由于CR0是32位寄存器，所以我们需要先将其值存入EAX寄存器。EAX寄存器是一个32位寄存器，常用的AX寄存器是EAX的低16位。

   在存入数据后，对EAX的值与常量`CR0_PE_ON`进行位或操作，常量`CR0_PE_ON`的值为`0x1`，进行位或操作后可使EAX内数值的第1位变为1，即 将CR0状态标志位的保护模式允许设为打开。

   然后将EAX寄存器内的值传入CR0，这时CR0内第1位的值变成了1，其它位的值也没有发生变化，这就标志着保护模式的正常启动。

### 参考文献

* [Protected Mode](https://wiki.osdev.org/Protected_Mode)
* 《x86汇编语言：从实模式到保护模式》，电子工业出版社；


---

# Agent Instructions: Querying This Documentation

If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question.

Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter:

```
GET https://oscourse-tsinghua.gitbook.io/ucore-analysis/labs/lab1/practice3.md?ask=<question>
```

The question should be specific, self-contained, and written in natural language.
The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation.

Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.