自己动手写操作系统（三）_Oracle教程

　　在上两期中（自己动手写操作系统1，2），我向大家讲述了如何使用Linux提供的开发工具在软盘的启动扇区写一些代码，以及如何调用BIOS的问题。现在，这个操作系统已经越来越接近当年Linus Torvalds的那个具有“历史意义”的Linux内核了。因此，要马上把这个系统切换到保护模式之下。
　　
　　什么是保护模式
　　
　　自从1969年推出第一个微处理器以来，Intel处理器就在不断地更新换代，从8086、8088、80286，到80386、80486、奔腾、奔腾Ⅱ、奔腾4等，其体系结构也在不断变化。80386以后，提供了一些新的功能，弥补了8086的一些缺陷。这其中包括内存保护、多任务及使用640KB以上的内存等，并仍然保持和8086家族的兼容性。也就是说80386仍然具备了8086和80286的所有功能，但是在功能上有了很大的增强。早期的处理器是工作在实模式之下的，80286以后引入了保护模式，而在80386以后保护模式又进行了很大的改进。在80386中，保护模式为程序员提供了更好的保护，提供了更多的内存。事实上，保护模式的目的不是为了保护程序，而是要保护程序以外的所有程序（包括操作系统）。
　　
　　简言之，保护模式是处理器的一种最自然的模式。在这种模式下，处理器的所有指令及体系结构的所有特色都是可用的，并且能够达到最高的性能。
　　
　　保护模式和实模式
　　
　　从表面上看，保护模式和实模式并没有太大的区别，二者都使用了内存段、中断和设备驱动来处理硬件，但二者有很多不同之处。我们知道，在实模式中内存被划分成段，每个段的大小为64KB，而这样的段地址可以用16位来表示。内存段的处理是通过和段寄存器相关联的内部机制来处理的，这些段寄存器（CS、DS、SS和ES）的内容形成了物理地址的一部分。具体来说，最终的物理地址是由16位的段地址和16位的段内偏移地址组成的。用公式表示为：
　　
　　物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。
　　
　　在保护模式下，段是通过一系列被称之为“描述符表”的表所定义的。段寄存器存储的是指向这些表的指针。用于定义内存段的表有两种：全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)。GDT是一个段描述符数组，其中包含所有应用程序都可以使用的基本描述符。在实模式中，段长是固定的(为64KB)，而在保护模式中，段长是可变的，其最大可达4GB。LDT也是段描述符的一个数组。与GDT不同，LDT是一个段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。每一个操作系统都必须定义一个GDT，而每一个正在运行的任务都会有一个相应的LDT。每一个描述符的长度是8个字节，格式如图3所示。当段寄存器被加载的时候，段基地址就会从相应的表入口获得。描述符的内容会被存储在一个程序员不可见的影像寄存器(shadow register)之中，以便下一次同一个段可以使用该信息而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的偏移加上影像寄存器中的基址组成。实模式和保护模式的不同可以从图1和图2中很清楚地看出来。
　　　自己动手写操作系统（三）（图一）

　　图1 实模式的寻址
　　　

　　图2 保护模式下的寻址
　　自己动手写操作系统（三）（图三）

　　图3 段描述俯的格式
　　
　　此外，还有一个中断描述符表(IDT)。这些中断描述符会告诉处理器到那里可以找到中断处理程序。和实模式一样，每一个中断都有一个入口，但是这些入口的格式却完全不同。因为在切换到保护模式的过程中没有使用到IDT，所以在此就不多做介绍了。
　　
　　进入保护模式
　　
　　80386有4个32位控制寄存器，名字分别为CR0、CR1、CR2和CR3。CR1是保留在未来处理器中使用的，在80386中没有定义。CR0包含系统的控制标志，用于控制处理器的操作模式和状态。CR2和CR3是用于控制分页机制的。在此，我们关注的是CR0寄存器的PE位控制，它负责实模式和保护模式之间的切换。当PE=1时，说明处理器运行于保护模式之下，其采用的段机制和前面所述的相应内容对应。假如PE=0，那么处理器就工作在实模式之下。
　　
　　切换到保护模式，实际就是把PE位置为1。为了把系统切换到保护模式，还要做一些其它的事情。程序必须要对系统的段寄存器和控制寄存器进行初始化。把PE位置1后，还要执行跳转指令。过程简述如下：
　　
　　1.创建GDT表;
　　
　　2.通过置PE位为1进入保护模式;
　　
　　3.执行跳转以清除在实模式下读取的任何指令。
　　
　　下面使用代码来实现这个切换过程。
　　
　　需要的东西
　　
　　◆ 一张空白软盘
　　
　　◆ NASM编译器
　　
　　下面是整个程序的源代码：
　　
　　org 0x07c00; 起始地址是0000:7c00
　　jmp short begin_boot　 ; 跳过其它的数据，跳转到引导程序的开始处
　　bootmesg db "Our OS boot sector loading ......"
　　pm_mesg　db "Switching to protected mode ...."
　　dw 512　; 每一扇区的字节数
　　db 1　; 每一簇的扇区数
　　dw 1　; 保留的扇区号
　　db 2 　　
　　dw 0x00e0 　　
　　dw 0x0b40 　　
　　db 0x0f0 　　
　　dw 9 　　
　　dw 18 　　
　　dw 2　; 读写扇区号
　　dw 0　; 隐藏扇区号
　　print_mesg :
　　mov ah,0x13　; 使用中断10h的功能13，在屏幕上写一个字符串
　　mov al,0x00　; 决定调用函数后光标所处的位置
　　mov bx,0x0007　　; 设置显示属性
　　mov cx,0x20　; 在此字符串长度为32
　　mov dx,0x0000　　; 光标的起始行和列
　　int 0x10　; 调用BIOS的中断10h
　　ret　; 返回调用程序
　　get_key :
　　mov ah,0x00 　
　　int 0x16　; Get_key使用中断16h的功能0，读取下一个字符
　　ret
　　clrscr :
　　mov ax,0x0600　; 使用中断10h的功能6，实现卷屏，假如al=0则清屏
　　mov cx,0x0000　; 清屏
　　mov dx,0x174f　; 卷屏至23，79
　　mov bh,0　; 使用颜色0来填充
　　int 0x10　; 调用10h中断
　　ret
　　begin_boot :
　　call clrscr　 ; 先清屏
　　mov bp,bootmesg　; 提供串地址
　　call print_mesg　; 输出信息
　　call get_key 　; 等待用户按下任一键
　　bits 16
　　call clrscr　; 清屏
　　mov ax,0xb800　; 使gs指向显示内存
　　mov gs,ax　; 在实模式下显示一个棕色的A
　　mov Word [gs:0],0x641　; 显示
　　call get_key　; 调用Get_key等待用户按下任一键
　　mov bp,pm_mesg　;　设置串指针
　　call print_mesg　; 调用print_mesg子程序
　　call get_key　; 等待按键
　　call clrscr　; 清屏
　　cli　; 关中断
　　lgdt[gdtr]　; 加载GDT
　　mov eax,cr0 　　
　　or al,0x01　; 设置保护模式位
　　mov cr0,eax　; 将更改后的字送至控制寄存器中
　　jmp codesel:go_pm
　　bits 32
　　go_pm :
　　mov ax,datasel　
　　mov ds,ax　; 初始化ds和es，使其指向数据段
　　mov es,ax
　　mov ax,videosel　; 初始化gs，使其指向显示内存
　　mov gs,ax
　　mov word [gs:0],0x741 ; 在保护模式下显示一个白色的字符A
　　spin : jmp spin　; 循环
　　bits 16
　　gdtr :
　　dw gdt_end-gdt-1　; gdt的长度
　　dd gdt　; gdt的物理地址
　　gdt
　　nullsel equ $-gdt　; $指向当前位置，所以nullsel = 0h
　　gdt0　; 空描述符
　　dd 0 　　　
　　dd 0　; 所有的段描述符都是64位的
　　codesel equ $-gdt　; 这是8h也就是gdt的第二个描述符
　　code_gdt 　　　
　　dw 0x0ffff　; 段描述符的界限是4Gb
　　dw 0x0000 　　　
　　db 0x00　　　　　　
　　db 0x09a 　
　　db 0x0cf 　
　　db 0x00 　
　　datasel equ $-gdt 　
　　data_gdt 　　　
　　dw 0x0ffff 　　　
　　dw 0x0000 　　　
　　db 0x00 　　　　　
　　db 0x092
　　db 0x0cf
　　db 0x00
　　videosel equ $-gdt 　　
　　dw 3999 　　　
　　dw 0x8000　; 基址是0xb8000
　　db 0x0b
　　db 0x92 　　　
　　db 0x00 　　　
　　db 0x00
　　gdt_end
　　times 510-($-$$)　db 0　
　　dw 0x0aa55
　　
　　把上面的代码存在一个名为abc.asm的文件之中，使用命令nasm abc.asm，将得出一个名为abc的文件。
然后插入软盘，输入命令：dd if=abc of=/dev/fd0。该命令将把文件abc写入到软盘的第一扇区之中。然后重新启动系统，就会看到如下的信息：
　　
　　*Our os booting................
　　* A (棕色)
　　* Switching to protected mode....
　　* A (白色)
　　
　　对代码的解释
　　
　　上面给出了所有的代码，下面我对上述代码做一些解释。
　　
　　◆ 使用的函数
　　
　　下面是代码中一些函数的说明：
　　
　　print_mesg 该子程序使用了BIOS中断10h的功能13h，即向屏幕写一字符串。属性控制是通过向一些寄存器中送入不同的值来实现的。中断10h是用于各种字符串操作，我们把子功能号13h送到ah中，用于指明要打印一个字符串。al寄存器中的0说明了光标返回的起始位置，0表示调用函数后光标返回到下一行的行首。假如al为1则表示光标位于最后一个字符处。
　　
　　显存被分成了几页，在同一时