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段机制轻松体验一 [复制链接]

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发表于 2008-06-02 19:24 |显示全部楼层
段机制轻松体验一
2007-07-24  09:09
段机制轻松体验
内存寻址:
实模式下的内存寻址:
让我们首先来回顾实模式下的寻址方式
段首地址×16+偏移量 = 物理地址
为什么要×16?因为在8086CPU中,地址线是20位,但寄存器是16位的,最高寻址64KB,它无法寻址到1M内存。于是,Intel设计了这种寻
址方式,先缩小4位成16位放入到段寄存器,用到时候,再将其扩大到20位,这也造成了段的首地址必须是16的倍数的限制。

公式:xxxx:yyyy
保护模式下分段机制的内存寻址:
分段机制是利用一个称作段选择符的偏移量,从而到描述符表找到需要的段描述符,而这个段描述符中就存放着真正的段的物理首地址,再加上偏移量

一段话,出现了三个新名词:
段选择子
描述符表
段描述符
================================
我们现在可以这样来理解这段话:
有一个结构体类型,它有三个成员变量:
段物理首地址
段界限
段属性

内存中,维护一个该结构体类型的数组。
而分段机制就是利用一个索引,找到该数组对应的结构体,从而得到段的物理首地址,然后加上偏移量,得到真正的物理地址。
公式:xxxx:yyyyyyyy
其中,xxxx也就是索引,yyyyyyyy是偏移量(因为32位寄存器,所以8个16进制)xxxx存放在段寄存器中。
================================
现在,我们来到过来分析一下那三个新名词:
段描述符:一个结构体,它有三个成员变量:
段物理首地址
段界限
段属性

     描述符表:也就是一个数组,什么样的数组呢?是一个段描述符组成的数组。
段选择子:      也就是数组的索引,但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标,而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址(也就是全局描述表的首地址)偏移位置。
就这么简单,如图:

图中,通过Selector(段选择子)找到存储在Descriptor Table(描述符表)中某个Descriptor(段描述符),该段描述符中存放有该段的物理首地址,所以就可以找到内存中真正的物理段首地址Segment
Offset(偏移量):就是相对该段的偏移量
物理首地址 + 偏移量 就得到了物理地址    本图就是DATA
但这时,心细的朋友就发现了一个GDTR这个家伙还没有提到!
我们来看一下什么是GDTR
Global Descriptor Table Register(全局描述符表寄存器)
但是这个寄存器有什么用呢 ?
大家想一下,段描述符表现在是存放在内存中,那CPU是如何知道它在哪里呢?所以,Iterl公司设计了一个全局描述符表寄存器,专门用来存放段描述符表的首地址,以便找到内存中段描述符表。
这时,段描述符表地址被存到GDTR寄存器中了。
=================================
好了,分析就到这,我们来看一下正式的定义:
当x86 CPU 工作在保护模式时,可以使用全部32根地址线访问4GB的内存,因为80386的所有通用寄存器都是32位的,所以用任何一个通用寄存器来间接寻址,不比分段就可以访问4G空间中任意的内存地址。
但这并不意味着,此时段寄存器就不再有用了。实际上,段寄存器更加有用了,虽然再寻址上没有分段的限制了,但在保护模式下,一个地址空间是否可以被写入,
可以被多少优先级的代码写入,是不是允许执行等等涉及保护的问题就出来了。要解决这些问题,必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。段寄存器这时就派上
了用场。但是设计属性和保护模式下段的参数,要表示的信息太多了,要用64位长的数据才能表示。我们把着64位的属性数据叫做段描述符,上面说过,它包含
3个变量:
段物理首地址、段界限、段属性
80386的段寄存器是16位(注意:通用寄存器在保护模式下都是32位,但段寄存器没有被改变)的,无法放下保护模式下64位的段描述符。如何解决这个
问题呢?方法是把所有段的段描述符顺序存放在内存中的指定位置,组成一个段描述符表(Descriptor
Table);而段寄存器中的16位用来做索引信息,这时,段寄存器中的信息不再是段地址了,而是段选择子(Selector)。可以通过它在段描述符表
中“选择”一个项目已得到段的全部信息。
那么段描述符表存放在哪里呢?80386引入了两个新的寄存器来管理段描述符,就是GDTR和LDTR,(LDTR大家先忘记它,随着学习的深入,我们会在以后学习)。
这样,用以下几步来总体体验下保护模式下寻址的机制
1、段寄存器中存放段选择子Selector
2、GDTR中存放着段描述符表的首地址
3、通过选择子根据GDTR中的首地址,就能找到对应的段描述符
4、段描述符中有段的物理首地址,就得到段在内存中的首地址
5、加上偏移量,就找到在这个段中存放的数据的真正物理地址。
好的,那我们开始编码,看看如何实现先前描述的内容
=================================
首先,既然我们需要一个数组,全局描述符表,那我们就定义一块连续的结构体:
[SECTION .gdt]    ;为了代码可读性,我们将这个数组放到一个节中
;由一块连续的地址组成的,不就是一个数组吗?看下面代码,^_^

段基地址    段界限 段属性
GDT_BEGIN: Descriptor 0,       0,    0  
GDT_CODE32: Descriptor 0,    0,    DA_C

;上面,我定义了二个连续地址的结构体,大家先认为Descriptor就是一个结构体类型,我们会在以后详细讲述
;第一个结构体,全部是0,是为了遵循Interl规范,先记得就OK
;第二个定义了一个代码段,段基地址和段界限我们暂且还不知道,先初始化为0,但是因为是个代码段,代码段具备执行的属性,那么DA_C就代表是一个可执行代码段,DA_C是一个预先定义好的常量,我们会在详细讲解段描述符中讲解。
=================================
我们继续来实现,那么下面,我们就需要设计段选择子了,因为上面代码已经包含了段描述符和全局描述符表
还记得选择子是个什么东西吗 ?
段选择子:      也就是数组的索引,但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标,而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址(也就是全局描述表的首地址)偏移位置。
看我代码怎么实现,包含以上代码不再说明:
[SECTION .gdt]
GDT_BEGIN: Descriptor 0, 0, 0
GDT_CODE32: Descriptor 0, 0, DA_C

;下面是定义代码段选择子,它就是相对数组首地址的偏移量
SelectorCode32 equ    GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
;因为第一个段描述符,不被使用,所以就不比设置段选择子了。
=================================
偏移地址:
注意一点,我们在程序中使用的都是偏移地址,相对于段的偏移地址,用上面的例子来说,象 GDT_CODE32 GDT_BEGIN 这些结构体的首地址都是相对于数据段的偏移量。什么意思呢 ?
因为我们的程序到底加载到内存的哪个地方是不固定,不知道的,只需使用偏移地址操作就行了,如:
SelectorCode32 ,它本身就是一个偏移地址

但是SelectorCode32    equ GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
怎么解释呢 ?
GDT_CODE32是相对于数据段的偏移量,
GDT_BEGIN也是相对于数据段的偏移量,虽然它是数组的首地址,说的罗索一些,GDT_BEGIN是数组的首地址,但是它是相对于数据段的偏移量
那么两个偏移量相减就是GDT_CODE32 相对于GDT_BEGIN的偏移量

所以,我们要时时刻刻记得,在程序中,我们永远使用的是偏移量,因为我们不知道程序将要被加载内存那块地方。
好了,基础也学的差不多了,下面我们要自己动手写一段程序,实现实模式到保护模式之间的跳转
=====================================================================
;实现从实模式到保护模式之间的跳转
;参考:《自己动手写操作系统》
----------------------------------------------------------------------
%include "pm.inc"

org 0100h
jmp LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
GDT_BEGIN: Descriptor 0,    0,     0
GDT_CODE32: Descriptor 0,    LenOfCode32 - 1, DA_C + DA_32
GDT_VIDEO: Descriptor 0B8000H, 0FFFFH,     DA_DRW

GdtLen    equ    $ - GDT_BEGIN
GdtPtr    dw    GdtLen - 1
      dd    0

;定义段选择子
SelectorCode32 equ    GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
SelectorVideo equ    GDT_VIDEO - GDT_BEGIN

[SECTION .main]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
;初始化32位代码段选择子
;我们可以在实模式下通过段寄存器×16 + 偏移两 得到物理地址,
;那么,我们就可以将这个物理地址放到段描述符中,以供保护模式下使用,
;因为保护模式下只能通过段选择子 + 偏移量

xor eax, eax
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE32
mov word [GDT_CODE32 + 2],ax
shr eax, 16
mov byte [GDT_CODE32 + 4],al
mov byte [GDT_CODE32 + 7],ah

;得到段描述符表的物理地址,并将其放到GdtPtr中
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, GDT_BEGIN
mov dword [GdtPtr + 2],eax
;加载到gdtr,因为现在段描述符表在内存中,我们必须要让CPU知道段描述符    表在哪个位置
;通过使用lgdtr就可以将源加载到gdtr寄存器中
lgdt [GdtPtr]

;关中断
cli

;打开A20线
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al

;准备切换到保护模式,设置PE为1
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax

;现在已经处在保护模式分段机制下,所以寻址必须使用段选择子:偏移量来    寻址
;跳转到32位代码段中
;因为此时偏移量位32位,所以必须dword告诉编译器,不然,编译器将阶段    成16位
jmp dword SelectorCode32:0;跳转到32位代码段第一条指令开始执行


[SECTION .code32]
[BITS 32]
LABEL_CODE32:
mov ax, SelectorVideo
mov es, ax

xor edi, edi
mov edi, (80 * 10 + 10)

mov ah, 0ch
mov al, 'G'

mov [es:edi],ax
jmp $
LenOfCode32 equ $ - LABEL_CODE32
===================================
这段代码的大概意思是:
先在16位代码段,实模式下运行,在实模式下,通过段寄存器×16+偏移量得到32位代码的真正物理首地址,并将放入到段描述符表中,以供在保护模式下使
用,上面说过了,保护模式下寻址,是通过段选择子,段描述符表,段描述符一起工作寻址的。所以在实模式下所做的工作就是初始化段描述符表里的所有段描述
符。
我们来看一下段描述符表,它有3个段:
GDT_BEGIN
GDT_CODE32
GDT_VIDEO

GDT_BEGIN,遵循Intel公司规定,全部置0
GDT_CODE32,32位代码段描述符,供保护模式下使用
GDT_VIDEO,显存段首地址,我们知道,显存首地址是0B8000H.

回想一下,我们在实模式下往显示器上输出文字时,我们设置段寄存器为
0B800h,(注意后面比真正物理地址少一个0)。
而我们现在在保护模式下访问显存,那么0B8000h就可以直接放到段描述符中即可。因为段描述符中存放的是段的真正的物理地址。

下面我们来逐行分析该代码
org    0100h
这句话告诉加载器,将这段程序加载到偏移段首地址0100h处,即:偏移256字节处,为什么要加载到偏移256个字节处呢 ?这是因为,在DOS中,需要留下256个字节和DOS系统进行通信。
jmp    LABEL_BEGIN
执行这句话就跳转到LABEL_BEGIN处开始执行。
好,我们看一下LABEL_BEGIN在那块,也就是16位代码段
[SECTION .main]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
这样程序就从.main节的第一段代码开始执行。
我们看一下上面的代码,[BITS 16]告诉编译器,这是一个16位代码段,所使用的寄存器都是16位寄存器。
该代码段初始化所有段描述符表中的段物理首地址

首先在实模式下计算出32位代码段的物理首地址
对照    段值 × 16 + 偏移量    = 物理地址

1    mov ax,    cs
2    shl eax, 4    ;向左移动4位,不就是×16吗?呵呵
;到现在为止,eax就是代码段的物理首地址了,那么。。。看
3    add eax, LABEL_CODE32
;为eax (代码段首地址)加上 LABEL_CODE32偏移量,得到的不就是LABEL_CODE32的真正物理地址了吗 ?LABEL_CODE32在程序中,不就是32位代码段的首地址吗 ?

上面说过,代码中,使用的变量,或者标签 都是相对程序物理首地址的偏移量。
OK,现在我们已经知道了32位代码段的物理首地址,那么将eax放入到段描述符中就行了
我们先假设Descriptor就是一个结构体类型,(实际它是一个宏定义的数据结构,为了不影响整体思路,我们放到以后讲)
看一下这个Descriptor段描述符的内存模型:

; 高地址………………………………………………………………………低地址
; |     7     |     6     |     5     |     4     |     3     |     2     |     1     |     0      |
共 8 字节
; |--------========--------========--------========--------========|
; ┏━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━┓
; ┃31..24┃     段属性       ┃       段基址(23..0)      ┃ 段界限(15..0)┃
; ┃        ┃                ┃        |                 ┃                ┃
; ┃ 基址2┃               ┃基址1b│     基址1a       ┃      段界限1 ┃
; ┣━━━╋━━━┳━━━╋━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━┫
; ┃     %6 ┃    %5    ┃    %4    ┃    %3    ┃       %2         ┃         %1       ┃
; ┗━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┛

由于历史原因,段描述符的内存排列不是按照 段基地址 段界限 段属性 这样的来排列的,所以我们现在要想一种办法,把eax里所存放的物理首地址拆开,分别放到2,3,4,7字节处
那么很显然,我们可以将eax寄存器中的ax先放到2,3字节处
mov    word [GDT_CODE32 + 2],ax
因为在偏移2个字节处,所以,首地址 + 2,才能定位到下标为2的字节开头处
而,word 告诉编译器,我要一次访问2个字节的内存

好,简单的搞定了,那么再看,我们现在要将eax高16字节分别放到下标为4,7字节处。
虽然eax的ax代表低16位,但是Intel并没有给高位一个名字定义,(不会是high ax,呵呵),所以,我们没有办法去访问高位。但是我们可以将高16位放到低16位中,因为这时,低16位我们已经不关心它的值了。
好,看代码
shr    eax,    16
这句代码就将eax向右移动16位,低位被抛弃,高位变成了低位。呵呵。。。

现在好办了,低16位又可以分为al,和 ah,那么现在我们就将al放到4位置,ah放到7位置吧
mov    byte [GDT_CODE32 + 4], AL
mov    byte [GDT_CODE32 + 7], AH
不用我再解释这段代码了,自己去分析为什么吧。。。。

好了,32位代码段描述符设置好了,其界限设置看代码吧,为什么要那样设置,很简单的,界限 = 长度 - 1,段属性:
DA_C: 98h      可执行
DA_32: 4000h 32位代码段
是个常量,换算成二进制位,对照段描述符属性位置去看吧,参考任意一本保护模式书。

段描述符设置好了,但是,先段描述符表,还在内存中,我们必须想办法放到寄存器中,这时,就用到了gdtr(Golbal Descriptor Table Register),使用一条指令
lgdtr [GdtPtr]

就可以将GdtPtr加载到gdtr中
而gdtr的内存模型是:
高字节                                   低字节

但GdtPtr是什么呢 ?
就是我们定义的和这个寄存器内存模型一摸一样的结构体:
GdtLen    equ    $ - LABEL_BEGIN
GdtPtr    dw    GdtLen - 1     ;界限
dd    0       ;真正物理地址
那现在我们就要计算GdtPtr第二个字节 也就是真正物理地址了
xor eax, eax
mov ax,    ds
shl eax, 4
add eax, GDT_BEGIN
mov dword [GdtPtr + 2],eax
自己分析吧,和计算32位段首地址基本一样的,
搞定后,使用lgdt [GdtPtr]就将此加载到寄存器GDTR中了

然后关中断
cli    实模式下的中断和保护模式下的中断处理不一样,那就关吧,规矩
开启A20线
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al
如果不开启A20线,就无办法访问1M之上的内存,没办法,开启吧,规矩,想知道历史了,去查吧

然后设置CR0的PE位
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
这个简单说一下,以后再详细
CR0也是一个寄存器,其中有个PE位,如果为0,就说明为实模式,
如果置1,说明为保护模式。现在我们要进入保护模式下工作,那么就要设置PE为1。

好了,看一下这个main节中的最后一个代码
jmp    dword SelectorCode32 : 0
哈哈,现在已经再保护模式下了,当然要使用段选择子 + 偏移量来寻址啊,这样不就是寻址到了32位代码段中去了吗,偏移量为0不就说明从第一个代码开始执行。
不是吗 ?呵呵,那dword了?
因为现在的代码段是16位,编译器只能将它编译位16位,但处于保护模式下,它的偏移量应该是32位,所以,要显示告诉编译器,我这里使用的是32位,把我这块给编译成32位的!!!
如果不加dword,
jmp    SelectorCode32:0
这句话不会出什么问题,16位的0是0,32位的0还是0,但如果这样呢?:
jmp    SelectorCode32:0x12345678
跳转到偏移0x12345678中,这时就错了
如果不将dword,编译器就将该地址截断成16位,取低位,变成了0x5678
你说对吗 ?哈哈
所以我们必须这样做:
jmp    dword SelectorCodde32:0x12345678

OKEY,我们继续追击,执行完上面那个跳转后,
代码就跳到了32位代码段的中,开始执行第一条指令
mov ax, SelectorVideo
再看
mov es,ax
呵呵,实模式下,放的是16位的段值,而现在呢,不就是要将段选择子放到段寄存器里吗 ?然后通过段选择子(偏移量)找到描述符表中对应的段描述符的吗 !!!!
继续看下面代码
xor edi, edi
mov edi, (80 * 10 + 10)

mov ah, 0ch
mov al, 'G'
跟实模式下差不多,设置目标10行10列
设置现实字符:G
mov [es:edi],ax
也和实模式下一样,
只不过实模式是这样来寻址 :
es×16 + edi
而保护模式下呢
es是一个偏移,根据这个偏移找到段描述符表中的对应显存段,然后这个显存段里存放的就是0B8000h,然后在加上偏移 不就的了吗!!!
哈哈 。。。。程序分析完毕,细节之处,自己体会去

总结:
1. 注意程序中使用的全部是偏移地址。注意两种偏移地址

A 对于程序的起始地址来说,所有变量和标签都是相对于整个程序的偏移量
B 对于段中定义的代码,有两种偏移:
相对于程序起始地址的偏移
相对于段标签的偏移。

2.不管是实模式下的物理地址,还是保护模式下的物理地址,反正他们都是物理地址,呵呵,实模式下求的物理地址,也能在保护模式下使用,只是他们不同的是,如何寻址的方式不一样。
3.一个程序中可以包含多个不同位的段,32位或者16位,他们之间也可以互相跳转,只是32位段用的是32位寄存器,16位代码段用的是16位寄存器,如果要在16位段下使用32位寄存器,必须象高级语言中强制类型转换一样,显示的定义 dword
参考:
《自动动手写操作系统》
《Undocument Windows 2000 Secrets》
《Linux 内核完全剖析》
文章源地址:   
http://hi.baidu.com/guoxiabin/blog/item/4f378258c04fed83810a18cc.html
   
               
               
               

本文来自ChinaUnix博客,如果查看原文请点:http://blog.chinaunix.net/u2/62361/showart_724110.html
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