java开发操作系统内核：由实模式进入保护模式之32位寻址

从时模式到保护模式，是计算法技术跨时代的发展。大家想想笨拙的Dos界面，黑底白字的那种冷漠界面到win95各种色彩斑斓的窗口，两者之间的区别其实就是实模式和保护模式的天壤之别。

保护模式中，最重要的一个概念莫过于”保护”二字，有了“保护”功能后，CPU为软件提供了很多的功能，当然也有了更多的限制。要详细解析保护机制，没有几千字的“鸿篇巨制”是不可能的，但我想你和我一样不会有那样的耐心，由此话不多说，我们先将代码跑起来再说：

%include "pm.inc"

org   

jmp   LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
 ;                                  段基址          段界限                属性
LABEL_GDT:          Descriptor        ,            ,                     
LABEL_DESC_CODE32:  Descriptor        ,      SegCode32Len - ,       DA_C + DA_32
LABEL_DESC_VIDEO:   Descriptor     B8000h,         ffffh,            DA_DRW

GdtLen     equ    $ - LABEL_GDT
GdtPtr     dw     GdtLen - 
           dd     

SelectorCode32    equ   LABEL_DESC_CODE32 -  LABEL_GDT
SelectorVideo     equ   LABEL_DESC_VIDEO  -  LABEL_GDT

[SECTION  .s16]
[BITS  ]
LABEL_BEGIN:
     mov   ax, cs
     mov   ds, ax
     mov   es, ax
     mov   ss, ax
     mov   sp, h

     xor   eax, eax
     mov   ax,  cs
     shl   eax, 
     add   eax, LABEL_SEG_CODE32
     mov   word [LABEL_DESC_CODE32 + ], ax
     shr   eax, 
     mov   byte [LABEL_DESC_CODE32 + ], al
     mov   byte [LABEL_DESC_CODE32 + ], ah

     xor   eax, eax
     mov   ax, ds
     shl   eax, 
     add   eax,  LABEL_GDT
     mov   dword  [GdtPtr + ], eax

     lgdt  [GdtPtr]

     cli   ;关中断

     in    al,  h
     or    al,  b
     out   h, al

     mov   eax, cr0
     or    eax , 
     mov   cr0, eax

     jmp   dword  SelectorCode32: 

     [SECTION .s32]
     [BITS  ]
LABEL_SEG_CODE32:
    mov   ax, SelectorVideo
    mov   gs, ax
    mov   si, msg
    mov   ebx, 
    mov   ecx, 
showChar:
    mov   edi, (*)
    add   edi, ebx
    mov   eax, edi
    mul   ecx
    mov   edi, eax
    mov   ah, ch
    mov   al, [si]
    cmp   al, 
    je    end
    add   ebx,
    add   si, 
    mov   [gs:edi], ax
    jmp    showChar
end: 
    jmp   $
    msg:
    DB     "Protect Mode", 

SegCode32Len   equ  $ - LABEL_SEG_CODE32

           

我们再看看pm.inc的内容：

%macro Descriptor 
    dw    %2  &  0FFFFh
    dw    %1  &  0FFFFh
    db   (%1>>) & 0FFh
    dw   ((%2 >> ) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)
    db   (%1 >> ) & 0FFh
%endmacro


DA_32       EQU h   ;  位段
DA_C        EQU h ; 存在的只执行代码段属性值
DA_DRW      EQU h ; 存在的可读写数据段属性值
           

把上面的代码通过以下命令编译：

nasm -o kernel.bat kernel.asm

在目录下会生成一个内核文件，kernel.bat,运行java代码，程序会将生成的内核写入到虚拟软盘中，将虚拟软盘加载到虚拟机中，运行后会得到如下结果：

我们看看代码，从LABEL_SEG_CODE32:这一部分开始，代码就执行在保护模式下，这段代码的作用就是显示一串字符，gs是计算机的一个寄存器，它跟eax,ebx这些寄存器差不多，但作用更为单一，主要用来指向显存，当我们将信息写入gs指向的内存后，信息会显示到屏幕上。用于显示字符的显存，内存地址从0XB800h开始，从该地址开始，每两个字节用来在屏幕上显示一个字符，这两个字节中，第一个字节的信息用来表示字符的颜色，第二个字节用来存储要显示的字符的ASCII值，屏幕一行能显示80个字符，大家看到代码中有语句：

mov edi, (80*11)

这表明我们要从第11行开始显示字符，接下来又有语句：

add edi, ebx

其中，ebx的值是11，这表明我们要从第11行的第10列开始显示字符串，接下来的语句是：

mov eax, edi

mul ecx

ecx的值是2，这个2就是我们前面说过的显示一个字符需要两个字节，上面几句汇编语句的作用是：

eax = ((80*11) + 10) * 2

这样eax就指向了第11行第11列所在的显存位置，接下来语句：

mov ah, 0ch

它的作用是在用来显示字符的两字节中，对第一个字节放入数值0ch,也就是设置字符的颜色，接下来的语句：

mov al, [si]

将寄存器si指向的字符的ascii值写入到第二个字节，这样，字符就显示到屏幕上了。大家注意寄存器si的用法：[si]. si相当于C语言中的一个指针，指向内存某个地址，[si]就是读取si指向的内存地址的信息，等同于 c语言中的*(si)

以上都是小细节，真正的要点是，我们要理解什么叫保护模式。我们先看保护模式的两个显著特点：

1.寻址空间从时模式的1M增强到4G

2.不同的代码拥有不同的优先级，优先级高的能够执行特殊指令，优先级低的，某些重要指令就无法执行。

于是进入保护模式，我们需要解决两个问题，一是如何获取超过1M以上的内存地址，第二是如何设置不同代码所具有的优先级。我们先看看寻找能力的变化，在实模式下，cpu是16位的，寄存器16位，数据总线16位，地址总线20位，于是寻找的范围必然受限于20位的地址总线，所以寻找范围无法超过1M(2^20).要想实现4GB的寻址，我们必须使用32位来表示地址，intel是这么解决这个问题的，他们用连续的8个字节组成的结构体来解决一系列问题：

byte0

byte1

…..

byte7

其中，字节2，3，4以及字节7，这四个字节合在一起总共有32位，这就形成了一个32位的地址。同时把字节0，字节1，以及将字节6的拆成两部分，各4个bits,前4个bits跟字节0，字节1合在一起，形成一个20个bit的数据，用来表示要访问的内存长度。这样，我们就解决了内存寻址的问题。

大家或许猜到，pm.inc里面的宏定义就是我们说的7字节数据结构，

%macro Descriptor 3

表示要初始化该数据结构，需要传入3个参数，%1表示引用第一个参数，%2表示引用第二个参数。初始化该结构时，输入的一个参数是内存的地址，大家看语句：

dw %1 & 0FFFFh

db (%1>>16) & 0FFh

这两句就是把内存地址的头三个字节放入到byte2,byte3,byte4,最后一句：

db (%1 >> 24) & 0FFh

就是讲地址的第4个字节放入到byte7. 初始化数据结构的第二个参数表示的是要访问的内存的长度，大家看语句：

dw %2 & 0FFFFh

就是把内存长度的头两个字节写入byte0,byte1,语句：

dw ((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)

中的((%2 >> 8) & 0F00h)就是把内存长度的第16-19bit写入到byte6的前4个bit.由此要访问的内存和内存的长度就都设置好了，由于保护模式是一个非常复杂的逻辑，为了掌握它，我们一次只吃透一点，这样才好掌握，本章，我们只要了解如何进行32位的寻找就足够了,其他的知识我们后面会一点一滴的分析。

大家看开头的几条语句：

xor   eax, eax
     mov   ax,  cs
     shl   eax, 
     add   eax, LABEL_SEG_CODE32
     mov   word [LABEL_DESC_CODE32 + ], ax
     shr   eax, 
     mov   byte [LABEL_DESC_CODE32 + ], al
     mov   byte [LABEL_DESC_CODE32 + ], ah
           

LABEL_SEG_CODE32是一段代码的起始地址，上面的语句就是将这个起始地址写入到byte2,byte3,byt4,和byte7.大家是否会疑惑，为什么不在初始化时将这个地址直接传进去呢，例如：

LABEL_DESC_CODE32: Descriptor LABEL_SEG_CODE32, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32

这是因为，结构体初始化时只能传入常量，LABEL_SEG_CODE32所代表的数值需要编译器在将代码编译完后才能计算出来，所以LABEL_SEG_CODE32一开始的值还不能确定，因此不能直接用于初始化结构体。

以上的代码大家可以通过命令获取：

git clone https://github.com/wycl16514/OS-Kernel-from-real-to-protected-mode.git

大家看完这一章后，可能有一点感性认识，但更有可能是落入到一种云里雾里，不知所措的状态，这不要紧，在后面，我还会有很多篇幅来解释保护模式，大家的迷惑会在后面的阅读中一点一点的给驱散掉，面对一个复杂棘手的问题，将其分解，各个击破是最好的策略，只要我们有耐心，一步一个脚印，我们就会经历一个山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村的体验。