保护模式

像前面说的，全局描述符表包含了所有内存段的描述符。每个段描述符长度是 64位 ，结构如下图描述：

31          24        19      16              7            0
------------------------------------------------------------
|             | |B| |A|       | |   | |0|E|W|A|            |
| BASE 31:24  |G|/|L|V| LIMIT |P|DPL|S|  TYPE | BASE 23:16 | 4
|             | |D| |L| 19:16 | |   | |1|C|R|A|            |
------------------------------------------------------------
|                             |                            |
|        BASE 15:0            |       LIMIT 15:0           | 0
|                             |                            |
------------------------------------------------------------

粗粗一看，上面的结构非常吓人，不过实际上这个结构是非常容易理解的

比如在上图中的 LIMIT 15:0 表示这个数据结构的0到15位保存的是内存段的大小的0到15位

相似的 LIMITE 19:16 表示上述数据结构的16到19位保存的是内存段大小的16到19位

从这个分析中，可以看出每个内存段的大小是通过20位进行描述的

下面将对这个数据结构进行仔细分析：

1. Limit [ 20位 ] 被保存在上述内存结构的 0-15 和 48-51 位。根据上述内存结构中 G位 的设置，这20位内存定义的 内存长度 是不一样的

   下面是一些具体的例子：
   
   如果G = 0, 并且Limit = 0， 那么表示段长度是1 byte
   
   如果G = 1, 并且Limit = 0, 那么表示段长度是4K bytes
   
   如果G = 0，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是1M bytes
   
   如果G = 1，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是4G bytes
   

   • 如果 G = 0 , 那么 内存段的长度 是按照 1 byte 进行 增长 的 ，最大的内存段长度将是 1M bytes

     Limit每增加1，段长度增加1 bytes
     

   • 如果 G = 1 , 那么 内存段的长度 是按照 4K bytes 进行 增长 的，最大的内存段长度将是 4G bytes

     Limit每增加1，段长度增加4K bytes 
     

   • 段长度的计算公式：

     base_seg_length * ( LIMIT + 1)
     

2. Base [ 32-bits ] 被保存在上述地址结构的 16-31 ， 32-39 以及 56-63 位。Base定义了 段基址

3. Type/Attribute ( 40-47 bits ) 定义了内存段的 类型 以及支持的 操作 。上述内存结构的 第43位 决定了内存段是数据段还是代码段：

   |           Type Field        | Descriptor Type | Description
   |-----------------------------|-----------------|------------------
   | Decimal                     |                 |
   |             0    E    W   A |                 |
   | 0           0    0    0   0 | Data            | Read-Only
   | 1           0    0    0   1 | Data            | Read-Only, accessed
   | 2           0    0    1   0 | Data            | Read/Write
   | 3           0    0    1   1 | Data            | Read/Write, accessed
   | 4           0    1    0   0 | Data            | Read-Only, expand-down
   | 5           0    1    0   1 | Data            | Read-Only, expand-down, accessed
   | 6           0    1    1   0 | Data            | Read/Write, expand-down
   | 7           0    1    1   1 | Data            | Read/Write, expand-down, accessed
   |                  C    R   A |                 |
   | 8           1    0    0   0 | Code            | Execute-Only
   | 9           1    0    0   1 | Code            | Execute-Only, accessed
   | 10          1    0    1   0 | Code            | Execute/Read
   | 11          1    0    1   1 | Code            | Execute/Read, accessed
   | 12          1    1    0   0 | Code            | Execute-Only, conforming
   | 14          1    1    0   1 | Code            | Execute-Only, conforming, accessed
   | 13          1    1    1   0 | Code            | Execute/Read, conforming
   | 15          1    1    1   1 | Code            | Execute/Read, conforming, accessed
   

   • 如果 S = 0 ，说明是一个 数据段 ，第 42，41，40位表示的是(E扩展，W可写，A可访问）

     • 如果 E = 0 ，数据段是 向上扩展 数据段 ，反之为 向下扩展数据段

       关于向上扩展和向下扩展数据段，可以参考链接 http://www.sudleyplace.com/dpmione/expanddown.html
       
       在一般情况下，应该是不会使用向下扩展数据段的
       

     • 如果 W = 1 ，说明这个数据段是 可写的 ，否则不可写

       所有数据段都是可读的
       

     • A位 表示该内存段是否 已经被CPU访问
   • 如果 S = 1 就是一个 代码段 ， 第42，41，40位表示的是(C一致，R可读，A可访问）

     • 如果 C = 1 ，说明这个代码段 可以被低优先级的代码访问 ，反之如果C = 0，说明只能同优先级的代码段可以访问

       比如 C=1 可以被用户态代码访问
       

     • 如果 R = 1 ，说明该代码段 可读 。代码段是 永远没有写权限 的
4. DPL [ 2-bits ] , bit 45 和 46 定义了该段的 优先级 。具体数值是 0-3

5. P 标志 bit 47 说明该内存段是否已经 存在 于 内存中

   如果P = 0，那么在访问这个内存段的时候将报错
   

6. AVL 标志 bit 52 这个位在Linux内核中没有被使用
7. L 标志 bit 53 ：只对代码段有意义，如果 L = 1 ，说明该代码段需要 运行 在 64位模式 下

8. D/B 标志 bit 54 ：根据段描述符描述的是一个可执行代码段、下扩数据段还是一个堆栈段，这个标志具有不同的功能

   • 可执行代码段：此时这个标志称为D标志并用于指出该段中的 指令引用有效地址 和 操作数的默认长度

     • 如果该标志置位，则默认值是 32位地址 和 32位或8位的操作数
     • 如果该标志为0，则默认值是 16位地址 和 16位或8位的操作数

     指令前缀0x66可以用来选择非默认值的操作数大小
     
     前缀0x67可用来选择非默认值的地址大小
     

   • 栈段（由SS寄存器指向的数据段）：此时该标志称为 B（Big）标志 ，用于指明 隐含堆栈操作（如PUSH、POP或CALL） 时的 栈指针大小 ：

     • 如果该标志置位，则使用32位栈指针并存放在ESP寄存器中
     • 如果该标志为0，则使用16位栈指针并存放在SP寄存器中

     如果堆栈段被设置成一个下扩数据段，这个B标志也同时指定了堆栈段的上界限
     

   • 下扩数据段：此时该标志称为 B标志 ，用于指明 堆栈段的上界限
     • 如果设置了该标志，则堆栈段的上界限是 0xFFFFFFFF 4GB
     • 如果没有设置该标志，则堆栈段的上界限是 0xFFFF 64KB

   对于32位代码和数据段，这个标志应该总是设置为1
   
   对于16位代码和数据段，这个标志被设置为0
   

在保护模式下，段寄存器保存的不再是一个内存段的基地址，而是一个称为 段选择子 的结构。每个段描述符都对应一个段选择子。段选择子是一个 16位 的数据结构，下图显示了这个数据结构的内容：

-----------------------------
|       Index    | TI | RPL |
-----------------------------

• Index : 在GDT中，对应 段描述符的索引号
• TI : 在 GDT 还是 LDT 中查找对应的段描述符

• RPL : 请求者优先级

  这个优先级将和段描述符中的优先级协同工作，共同确定访问是否合法
  

在保护模式下，每个段寄存器实际上包含下面2部分内容：

• 可见部分 ： 段选择子
• 隐藏部分 ： 段描述符

在保护模式中，cpu是通过下面的步骤来找到一个具体的物理地址的：

1. 代码必须将 相应的段选择子 装入 某个段寄存器
2. CPU根据 段选择子 从GDT中找到一个 匹配的段描述符 ，然后将段描述符放入段寄存器的隐藏部分
3. 在没有使用向下扩展段的时候，那么在没有开启分页机制的情况下，这个内存的物理地址就是 基地址 + 偏移
   • 内存段的基地址就是段描述符中的基地址
   • 段描述符的limit + 1就是内存段的长度

当代码要从实模式进入保护模式的时候，需要执行下面的操作：

• 禁止中断发生
• 使用命令 lgdt 将GDT表装入 GDTR 寄存器
• 设置CR0寄存器的PE位为1，使CPU进入保护模式
• 跳转开始执行保护模式代码

在后面的章节中，将看到Linux 内核中完整的转换代码。不过在系统进入保护模式之前，内核有很多的准备工作需要进行

先打开C文件 arch/x86/boot/main.c 这个文件包含了很多的函数，这些函数分别会执行 键盘初始化 ， 内存堆初始化 等等操作...

query_mca 方法调用 0x15 中断来获取 机器的型号信息 ， BIOS版本 以及 其他一些硬件相关的属性 ：

int query_mca(void)
{
  struct biosregs ireg, oreg;
  u16 len;

  initregs(&ireg);
  ireg.ah = 0xc0;
  intcall(0x15, &ireg, &oreg);

  if (oreg.eflags & X86_EFLAGS_CF)
    return -1;  /* No MCA present */

  set_fs(oreg.es);
  len = rdfs16(oreg.bx);

  if (len > sizeof(boot_params.sys_desc_table))
    len = sizeof(boot_params.sys_desc_table);

  copy_from_fs(&boot_params.sys_desc_table, oreg.bx, len);
  return 0;
}

这个方法：

1. 设置 ah 寄存器 的值为 0xc0
2. 然后调用 0x15 BIOS中断
3. 中断返回之后代码检查 carry flag
   • 如果它被 置位 ，说明BIOS不支持MCA

   • 如果 CF 被设置成 0 ，那么 ES:BX 指向系统信息表 。这个表的内容如下所示：

     Offset  Size    Description
      00h    WORD    number of bytes following
      02h    BYTE    model (see #00515)
      03h    BYTE    submodel (see #00515)
      04h    BYTE    BIOS revision: 0 for first release, 1 for 2nd, etc.
      05h    BYTE    feature byte 1 (see #00510)
      06h    BYTE    feature byte 2 (see #00511)
      07h    BYTE    feature byte 3 (see #00512)
      08h    BYTE    feature byte 4 (see #00513)
      09h    BYTE    feature byte 5 (see #00514)
     ---AWARD BIOS---
      0Ah  N BYTEs   AWARD copyright notice
     ---Phoenix BIOS---
      0Ah    BYTE    ??? (00h)
      0Bh    BYTE    major version
      0Ch    BYTE    minor version (BCD)
      0Dh  4 BYTEs   ASCIZ string "PTL" (Phoenix Technologies Ltd)
     ---Quadram Quad386---
      0Ah 17 BYTEs   ASCII signature string "Quadram Quad386XT"
     ---Toshiba (Satellite Pro 435CDS at least)---
      0Ah  7 BYTEs   signature "TOSHIBA"
      11h    BYTE    ??? (8h)
      12h    BYTE    ??? (E7h) product ID??? (guess)
      13h  3 BYTEs   "JPN"
     

4. 接下来代码调用 set_fs 方法，将 es 寄存器 的值写入 fs 寄存器 :

   static inline void set_fs(u16 seg)
   {
     asm volatile("movw %0,%%fs" : : "rm" (seg));
   }
   

   • 在 boot.h 存在很多类似于 set_fs 的方法

     比如 set_gs 
     

5. 在 query_mca 的最后，代码将 es:bx 指向的内存地址的内容 拷贝 到 boot_params.sys_desc_table

接下来，内核调用 query_ist 方法获取 Intel SpeedStep 信息。这个方法首先检查CPU类型，然后调用 0x15 中断 获得这个信息并放入 boot_params 中

内核会调用 query_apm_bios 方法从BIOS获得 高级电源管理 信息。query_apm_bios 也是调用_ 0x15 中断_ ，只不过将 ax 设置成 0x5300 以得到APM设置信息。中断调用返回之后，代码将检查 bx 和 cx 的值：

• 如果 bx 不是 0x504d ( PM 标记 )，或者 cx 不是 0x02 (0x02，表示支持32位模式)，那么代码直接返回错误
• 否则，将进行下面的步骤
  1. 使用 ax = 0x5304 来调用 0x15 中断，以 断开 APM 接口
  2. 使用 ax = 0x5303 调用 0x15 中断，使用 32位接口 重新连接 APM
  3. 使用 ax = 0x5300 调用 0x15 中断 再次获取 APM设置
  4. 将信息写入 boot_params.apm_bios_info

需要注意的是，只有在 CONFIG_APM 或者 CONFIG_APM_MODULE 被设置的情况下，query_apm_bios 方法才会被调用：

#if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
query_apm_bios();
#endif

最后是 query_edd 方法调用, 这个方法从BIOS中查询 Enhanced Disk Drive 信息。代码检查 内核命令行参数 是否 设置 了 edd 选项 ：

• 如果 edd选项设置成 off，query_edd 不做任何操作，直接返回

• 如果EDD被激活了，query_edd 遍历 所有 BIOS支持的硬盘 ，并 获取 相应 硬盘的EDD信息 ：

  • 0x80 是 第一块硬盘
  • EDD_MBR_SIG_MAX 是一个宏，值为16

  for (devno = 0x80; devno < 0x80+EDD_MBR_SIG_MAX; devno++) {
    if (!get_edd_info(devno, &ei) && boot_params.eddbuf_entries < EDDMAXNR) {
      memcpy(edp, &ei, sizeof ei);
      edp++;
      boot_params.eddbuf_entries++;
    }
    //     ...
    //  ...
    //  ...
  

代码把获得的信息放入数组 edd_info 中：

• get_edd_info 方法通过调用 0x13 中断 调用（设置 ah = 0x41 ) 来 检查 EDD是否被硬盘支持
  • 如果EDD被支持，代码将再次调用 0x13 中断，在这次调用中 ah = 0x48 ，并且 si 指向一个 数据缓冲区地址
  • 中断调用之后，EDD信息将被保存到 si 指向的缓冲区地址