第四章-保护模式

Ⅰ.实模式和保护模式区别辨析

1.实模式和保护模式是针对CPU访存而言的，具体区别如下：

1. 实模式没有特权级，操作系统和用户程序特权级未加以区分；
2. 实模式中程序地址是真实的物理地址，用户可以随意指定程序运行位置[段基地址<<0x1+偏移地址得到20位访存地址]；
3. 内存空间对用户全部开放，允许用户随意修改内存空间；
4. 实模式只适用于单道处理系统，不满足应用需求；
5. 实模式访存超过64M后，段基地址需要频繁切换；
6. 实模式地址总线只有20根，最大内存也只有1M，不满足使用需求；

2.保护模式与实模式相比，具有以下优点：

1. 加上了特权级划分，用户程序分配最低特权级3，内核分配最高特权级0，用户程序只可以通过系统调用访问内核，保护了内核的稳定性；
2. 建立了段描述符表CPU通过段选择子匹配段描述符表获取物理地址访存，实现逻辑地址和物理地址的映射关系；
3. 寄存器扩展使得寻址空间变宽了，从实模式的16位，到过渡保护模式的24位，再到保护模式的32位内存空间寻址；

Ⅱ.保护模式进阶方案

1.保护模式的寄存器寻址

实模式支持基址寻址、变址寻址、基址变址寻址，但每个寄存器对应固定的的功能，基址寄存器只能是bx，bp，变址寄存器只能是si，di，且bx的段基地址寄存器只能是ds，对应数据段读取；bp的段基地址寄存器只能是sp，对应栈读取。并且操作的立即数只能是16位，超出16位编译器就会报错。

保护模式支持从任意一个通用寄存器取值作为基址和变址，除esp之外。同时支持变址地址乘上比例因子（1，2，4，8）。

2.保护模式之运行模式反转

32位保护模式下的CPU兼容16位实模式程序，主要区别在于内存段的访问方式、寻址方式、物理的寄存器编码不一样，因此需要在编译时通过伪指令bits 16/32指定CPU运行模式，确保程序中寄存器编码、地址等信息的正确编译，让CPU正确执行程序。

（1）32位保护模式的CPU，如何实现实模式下的内存访问呢？

32位保护模式的CPU切换到实模式下时，段基址左移 4 位后的结果就被放入段描述符缓冲寄存器中，以后每次引用一个段时，就直接走段描述符缓冲寄存器，直到该段寄存器被重新赋值。

（2）为什么编译器不可以根据程序开启保护模式代码，自动确定程序运行模式？

保护模式的开启过程如下：

• 开启A20总线
• cr0寄存器的pe值置1
• 设置GDT表。

由于这三个步骤以及每个步骤下面的小阶段不指定顺序，且可以不连续执行，处于交叉执行的状态，因此编译器很难甄别出程序是否含有开启保护模式的过程。

（3）其他

在保护模式每次压入 16 位数据时栈指针 esp 就减 2，每次压入 32 位数据时栈指针 esp 就减 4 。

Ⅲ.全局描述符表GDT

GDT表存放在内存中，相当于是一个数组，每个元素是8Byte的段描述符，存储的是保护模式下数据的访存地址信息，如段基地址、段界限等。操作系统根据指令的段选择子检索GDT表，得到访存地址。

1.段选择子

CPU从访问GDT表请求中取出段选择子，根据段选择子的特权级、访问GDT/LDT类别、段描述符表索引值，来检索GDT/LDT表。

RPL，即请求特权级，存在 0、 1 、 2、 3 四种特权级。

段选择子的第 2 位是 TI位，即 Table Indicator，用来指示选择子是在 GDT 中，还是 LDT 中索引描述符。 TI为 0 表示在 GDT 中索引描述符， TI 为 1 表示在 LDT 中索引描述符。

段选择子的高 13 位，即第 3～ 15 位是描述符的索引值，用此值在 GDT 中索引描述符。

2.段描述符

GDT表中的段描述符存有段基地址、段界限（段限长）、类别、特权级等信息，通过段选择子访问，返回段基地址。

3.GDT表的访问

通过访问专门的GDTR寄存器访问GDT表，支持通过lgdt指令设置GDTR寄存器，访问GDTR寄存器可以得到GDT的内存地址和大小。

通过lgdt命令访问

lgdt 48 位内存数据  

实模式下建立GDT表后，系统进入保护模式，但进入保护模式之后，需要重新建立GDT表。在保护模式下重新换个 GDT 的原因是实模式下只能访问低端 IMB 空间，所以 GDT 只能位于 IMB 之内。根据操作系统的实际情况，有可能需要把 GDT 放在其他的内存位置，所以在进入保护模式后，访问的内存空间突破了 IMB，可以将 GDT 放在合适的位置后再重新加载进来。 【保护模式将内核文件放入内存的0号地址】

与GDT类似，LDT同样也是存放于内存中，LDT是每个任务的私有自己的段描述符表 。通过LDTR寄存器访问LDT，通过lldt指令设置LDT表

lldt 16 位寄存器/16 位内存

对于GDT而言，未经初始化的GDT段选择子的索引值为0，为了保证未初始化的段选择子能被识别，因此GDT的0号索引值为空，并触发一个中断。但是LDT一旦建立，说明程序完整，因此LDT表的0号索引值不为空，对应的真实的段基地址。

Ⅳ.打开A20地址线

A20地址线对应的是第21根地址总线，实模式下只有20根，所以打开A20地址线意味着开启保护模式。

实模式下，由于逻辑地址就是物理地址，因此当逻辑地址超过了物理地址的范围时，通过地址回绕的方式保证正常寻址，CPU 采取的做法是将超过1MB的部分自动回绕到 0 地址，继续从 0 地址开始映射。 相当于把地址对 1 MB求模。 超过 1MB 但多余出来的内存被称为高端内存区 HMA 。 而保护模式下就直接访问超过1MB的地址，根据如下原则：

• 如果 A20Gate 被打开，当访问到 0x100000～0x10FFEF 之间的地址时， CPU 将真正访问这块物理内存。
• 如果 A20Gate 被禁止，当访问 0x100000～0x10FFEF 之间的地址时， CPU 将采用 8086/8088 的地址回绕。

A20地址线打开方式 ：将0x92的第1位置1即可（从0开始编号）

in al,0x92

or al,0000_0010B

out ox92,al

Ⅴ.CR0寄存器PE值置1

控制寄存器是 CPU 的窗口，既可以用来展示 CPU的内部状态，也可用于控制 CPU 的运行机制。这次我们要用到的是 CR0寄存器。更准确地说，我们要用到 CR0寄存器的第 0 位，即 PE 位， Protetion Enable，此位用于启用保护模式，是保护模式的开关，具体设置代码如下：

mov eax,cr0
or eax,0x00000001
out cr0,eax

平坦模型就是整个内存都在一个段里，不用再像实模式那样用切换段基址的方式访问整个地址空间。

Ⅵ.重新配置保护模式下GDT表

实模式的内存空间只有1MB，因此实模式建立的GDT表只在内存的低1MB空间内，当系统进入保护模式后，内核系统文件将被放置到内存的0号地址内，为了预留足够的空间，因此需要重新配置和放置GDT表。