跟我一起写操作系统

        本章的题目是“保护模式”，主要目的是能够让CPU进入32位保护模式。前面提到，CPU在启动时是运行在实时模式下的，在实时模式下采用的是16位操作数和16位寻址模式，可用的最大内存为1M。这在今天看来是远远不够的，所以后来CPU被加入32位保护模式（关于16位的保护模式我们不关心，以后所提到的保护模式均为32位保护模式）。 在保护模式下，CPU对程序有着更好的内存保护和32位寻址模式。CPU的32位寻址模式表示它可以使用32根内存地址总线，也就是说它可以使用内存大小为：

        下面我们就来一起学习一下在保护模式下如何使用内存。前面章节提到过在实时模式下一个有效的内存地址采用段地址：偏移地址方式来表示。使用CPU使用段寄存器来存放段地址，比如：ds、es、ss、cs等。那么在保护模式下这些段寄存器则不再存放段地址了，而是存放一个叫做“选择子”的数值。其实“选择子”这个词并不准确，但我们不去细分析这个名词解释的问题，只是来看它的具体的作用。CPU在保护模式下是这样来寻址的：它将可用内存分为多个区域，每个区域有一个基地址，而这个区域里面的每一个地址都是相对于这个基地址的逻辑地址。

        比如：前面我们提到过显存缓冲区的内存地址区域为0x000b8000 – 0x000bffff，我们可以定义这个区域的基地址为0x000b8000，于是这个区域的里的地址都可以相对于这个其地址来表示：

        又如：我们还有一个地址为0x00838684，我们可以定义这个区域的基地址为0x00838684，于是这个地址之后的地址都可以相对于这个其地址来表示：

        在内存中我们需要有地方来存放这些区域的基地址，这个地方被称作GDT（全局描述字符表），这张表中存放了多个区域的GDT，每一个GDT中都会存放上面我们提到的基地址。来看一下GDT具体的内容是什么样子的：

        我们从这个GDT的0到64位来分别看一下它们所代表的意思：

• Limit(0-15)：这个地址区域线性长度的0-15位。

• Base Address(0-15)：基地址的0-15 位。

• Base Address(16-23)：基地址的16-23 位。

• A：存取信息，上一次存取是读(=0)还是写(=1)。

• Type

位41：对数据/堆栈段而言，可写(=1)；对代码段而言可读(=1)。

位42：对数据/堆栈段而言表示扩展方向，向下(=1)；对代码段而言confirming(=1)。

位43：是代码段(=1)还是数据/堆栈段(=0)。

位44：对代码/数据段必须是1。

• DPL：描述符权限级，使用0级内核权限和3级用户权限。

• P：段是否存在。

• Limit(16-19)：这个地址区域线性长度的16-19位。

• U：用户定义。

• X：未使用。

• D：指令和数据是32位(=1)还是16位(=0)。

• G：长度单位是4KB还是1字节。

• Base Address(24-31)基地址的23-31 位。

        理论上讲GDT可以被放在内存的任何位置，那么当通过段寄存器来引用一个段描述符时，CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，所以CPU的设计者门提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址，我们将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此寄存器。CPU就根据此积存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。

        我们要使用一个地址还是采用es:di或ds:si这种方式来寻址，与实时模式的区别是段寄存器中存放的是GDT列表中的索引，而地址寄存器中存放的则是这个GDT里相对于基地址的偏移地址。比如我们的GDT中有3个地址区域，分别基地址分别为0x00000000、0x000b8000和0x00838684。我们就可以通过GDT的选择子来访问这3个地址区域了。先看一下选择子的格式：

        对于T/I和RPL是属于CPU保护模式权限的功能，我们先不去管它，内核程序的T/I和RPL我们就设定为0即可。Index是1、2、3、4等（0为保留值）。那么对于选择子来说，它的值就是0x8、0x10、0x18、0x20等。于是，想要访问这3个地址区域，就可以使用下面的方法：

• 访问物理地址0x00000000：es为0x8、edi为0x0。

• 访问物理地址0x00000040：es为0x8、edi为0x40。

• 访问物理地址0x000b8000：es为0x10、edi为0x0。

• 访问物理地址0x000b8084：es为0x10、edi为0x84。

• 访问物理地址0x00838684：es为0x18、edi为0x0。

• 访问物理地址0x008386ad：es为0x18、edi为0x29。