练习3

练习3: 分析bootloader进入保护模式的过程

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相关阅读：保护模式和分段机制

• 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

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；
• 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。

    //    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
• 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
• 《x86汇编语言：从实模式到保护模式》，电子工业出版社；