12第十二章模式转换——从实模式进入保护模式

第十二章模式转换——从实模式进入保护模式12.1 NASM编译实践12.1.1 实验20 ——NASM编译●情景描述使用NASM编译一段程序，并可以在裸机上运行。

●实现功能在开机后显示"Hello, OS world!"●流程1）初始化寄存器2）调用BIOS int 10h，显示字符串3）进入死循环●代码及注释%define _BOOT_DEBUG_%ifdef _BOOT_DEBUG_org 0100h%elseorg 07c00h%endif;告诉编译器加载到0100处生成，这样方便生成com文件。

;或者告诉编译器加载到7c00处生成，这样方便mov ax,cs;将当前段地址放入ax，可以不要mov ds,ax;将当前段地址放入数据寄存器，可以不要mov es,ax;将当前段地址放入extra寄存器，可以不要call DispStr;调用显示字符串程序jmp $;无限循环（跳转到当前地址）DispStr:mov ax,BootMessage ;BootMessage的首地址送axmov bp,ax; 段内地址送到bp，至此地址完成——CS:BP = 串地址mov cx,16; CX = 串长度mov ax,01301h; AH = 13，AL = 01hmov bx,000ch; BH = 0（页号为0），BL = 0ch（黑底红字高亮）mov dl,0 ; 0送dx寄存器的低字节int 10h; 10h号中断（视频中断，对应的中断向量为40-43H）ret ; 从显示子程序中返回到主程序BootMessage: db "Hello, OS world!"times 510-($-$$) db 0; 用“0”填充0面0磁道1扇区剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节；;$是当前行的段内偏移地址，$$是本小节代码的第一行代码，在本程序中就是“org 07c00h”的段内偏移地址。

dw 0xaa55;结束标志.使得0面0磁道1扇区510字节存55，511字节存aa，0扇区从0-511号单元，共512个字节。

（引导扇区的结束标志）显示界面运行程序界面如图12-1所示。

图12-1 运行程序界面12.1.2 实验补充资料一. 内存引导地址7C00Intel公司当初设计8086系统内存时对内存（1M）是这样规定的：内存包括暂驻程序区640K和系统内存区384K，在640K中把BIOS和驻留操作系统的数据和程序安排在低地址处，在保留一定的可扩展空间后，为配合BIOS和磁盘操作系统就把7C00规定为硬件及软件都支持的启动引导的内存地址，并写成引导规范。

在当时各个公司都有自己的一些未公开的标准，而IBM公开推行IBM计算机的内部详细的结构时，他采用的是Intel的芯片，所以他遵循了这个标准，又由于大批的公司知道了这个标准之后，都兼容这个标准，以后也继续兼容，就真正成为一个共同的标准了，现在的CPU都是向下兼容的，还在用7C00。

由于引导扇区被加载到了7c00h处，代码中BootMessage的首地址放入bp中时，只是将8位放入了bp，缺省了高8位，这高8位需要由org指定，否则无法将正确的字符串相对偏移地址放入bp中：BootMessage变量对应字符串在内存中首地址=0000（es段值）:{7c00（org指定）+BootMessage在程序段内偏移（8位2进制）}org会在编译期影响到内存寻址指令的编译（编译器会把所有程序用到的段内偏移地址自动加上org 后跟的数值），而其自身并不会被编译成机器码。

就是为程序中所有的引用地址(需要计算的相对地址)增加一个段内偏移值。

二. 10h中断说明10h中断表示，功能号为AH=13h时为写入字符串；AL=01h表示字符串包含属性；BH=页数；BL=显示属性；CX=字符串中的字符数量；DL，DH=从哪一列，行开始写；ES：BP 指向该字符串12.1.3 实验21 ——反编译通过反编译，可以将程序返回至源代码内容反编译方法：ndisasmw -o 0x7c00 >> 1.asm显示1.asm内容如下：00007C00 8CC8 mov ax,cs00007C02 8ED8 mov ds,ax00007C04 8EC0 mov es,ax00007C06 E80200 call 0x7c0b00007C09 EBFE jmp short 0x7c0900007C0B B81E01 mov ax,0x11e00007C0E 89C5 mov bp,ax00007C10 B91000 mov cx,0x1000007C13 B80113 mov ax,0x130100007C16 BB0C00 mov bx,0xc00007C19 B200 mov dl,0x000007C1B CD10 int 0x1000007C1D C3 ret以下为数据区00007C1E 48 H00007C1F 65 e00007C20 6C l00007C21 6C l00007C22 6F o00007C23 2C ,00007C24 20 空格00007C25 4F O00007C26 53 S00007C27 20 空格00007C28 77 w00007C29 6F 000007C2A 72 r00007C2B 6C l00007C2C 64 d00007C2D 21 !以下数据为000007C2E 00 无……00007DFC 00 无00007DFD 00 无00007DFE 55AA 55AA12.2 保护模式12.2.1 保护模式介绍保护模式（Protected Mode，或有时简写为pmode）是一种80286系列和之后的x86兼容CPU操作模式。

保护模式有一些新的特色，设计用来增强多工和系统稳定度，像是内存保护，分页系统，以及硬件支援的虚拟内存。

大部分的现今x86操作系统都在保护模式下运行，包含Linux、FreeBSD、以及微软Windows 2.0 和之后版本。

PM是处理器的native模式，在这种模式下，处理器支持所有的指令和所有的体系结构特性提供最高的性能和兼容性。

对于所有的应用程序和操作系统来说，建议都使用这种模式。

另外一种286和其之后CPU的操作模式是真实模式（Real Mode），一种向前兼容且关闭这些特色的模式。

设计用来让新的芯片可以执行旧的软件。

依照设计的规格，所有的x86 CPU都是在真实模式下开机来确保传统操作系统的向前兼容性。

在任何保护模式的特色可用前，他们必须要由某些程序手动地切换到保护模式。

在现今的电脑，这种切换通常是由操作系统在开机时候必须完成的第一件工作的其中内容之一。

为了保证PM的兼容性，处理器允许在受保护的，多任务的环境下执行RM程序。

这个特性被称做虚拟8086模式（Virtual -8086 Mode），尽管它并不是一个真正的处理器模式。

Virtual-8086模式实际上是一个PM的属性，任何任务都可以使用它。

它也可能当CPU在保护模式下运行时，使用虚拟86模式来执行设计给真实模式的程序码。

RM提供了Intel 8086处理器的编程环境，另外有一些扩展（比如切换到PM或SMM 的能力）。

当主机被Power-up或Reset后，处理器处于RM下。

对于Intel 80386以及其后的芯片，只有使用PM才能发挥作用。

因此需要解决从RM切换到PM的问题。

12.2.2 GDT（Global Descriptor Table）在保护模式下，一个重要的数据结构就是GDT。

在实模式下，我们对一个内存地址的访问是通过（Segment:Offset）的方式来进行的。

其中Segment是一个段的基地址，而一个段的最大长度是64 KB（2^16），这是16位系统所能表示的最大长度。

而Offset则是相对于该段基地址的偏移量。

因此Base Address+Offset 就是一个内存绝对地址。

由此，我们可以看出，一个段具备两个因素：Base Address和Limit （段的最大长度），而对一个内存地址的访问，则是需要指出：使用哪个段？以及相对于这个段Base Address的Offset（这个Offset应该小于此段的Limit）。

当然对于16-bit系统，Limit 不要指定，默认为最大长度64KB，而16-bit的Offset也永远不可能大于此Limit。

我们在实际编程的时候，使用16-bit段寄存器CS（Code Segment），DS（Data Segment），SS（Stack Segment）来指定Segment，CPU将段寄存器中的数值向左偏移4-bit，放到20-bit的地址线上就成为20-bit的Base Address。

（因此内存为2^20，不会超过1M）到了保护模式，内存的管理模式分为两种，段模式和页模式，其中页模式也是基于段模式的。

也就是说，保护模式的内存管理模式事实上是：纯段模式和段页式。

进一步说，段模式必不可少。

对于段模式来讲，访问一个内存地址仍然使用Segment:Offset的方式，其中由于保护模式运行在32位系统上，那么Segment的两个因素：Base Address和Limit也都应该是32位的。

IA-32允许将一个段的Base Address设为32-bit所能表示的任何值（Limit则可以被设为32-bit所能表示的，以2^12为倍数的任何数字。

而不象Real Mode下，一个段的Base Address只能是16的倍数（因为其低4-bit是通过左移运算得来的，只能为0，从而达到使用16-bit段寄存器表示20-bit Base Address的目的），而一个段的Limit只能为固定值64 KB。

）另外，Protected Mode又为段模式提供了保护机制，也就说一个段的描述符需要规定对自身的访问权限（Access）。

所以在Protected Mode下，对一个段的描述则包括3方面因素：[Base Address, Limit, Access]，它们加在一起被放在一个64-bit长的数据结构中，被称为段描述符。

这样如果直接通过一个64-bit段描述符来引用一个段的时候，就必须使用一个64-bit长的段寄存器装入这个段描述符。

但Intel为了保持向后兼容，将段寄存器仍然规定为16-bit（尽管每个段寄存器事实上有一个64-bit长的不可见部分，但对于程序员来说，段寄存器就是16-bit的），那么很明显，无法通过16-bit长度的段寄存器来直接引用64-bit的段描述符。

解决的方法就是把这些长度为64-bit的段描述符放入一个数组中，而将段寄存器中的值作为下标索引来间接引用（事实上，是将段寄存器中的高13 -bit的内容作为索引）。