tianxiangyuan 2004年03月25日
转贴,非本人观点:自己动手写OS(操作系统)(三)
作者:伊梅 本文选自:开放系统世界——赛迪网 2002年12月04日

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。

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。如果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。
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