浅谈-计算机加电后的启动过程(二)

原 作者 惠磊 | 发表于 | 分类于 2018级

在浅谈-计算机加电后的启动过程(一)中，已经谈了从开机后到实模式的过程， 这次我们继续浅谈一下保护模式下发生的事情。

这次我们先看看都发生了那些事， 然后在谈为什么会有这些事情。

总览

上一篇谈到了加载器， 加载器是从实模式过渡到保护模式的。
在加载器中，首先先建立全局描述符表。接下来准备进入保护模式。
进入保护模式的三要素:

  1. 打开A20
  2. 加载GDT
  3. 将cr0的pe位置为1

进入保护模式后，启用分页机制，然后开始加载内核。

实模式和保护模式

起初是没有实模式这一说法的。只是这种模式有很多缺点，然后为了克服这些缺点，就出现了保护模式，为了分离这两种不同的模式，就给前一种起名为实模式。

实模式的缺点:

  • 实模式下操作系统和用户程序属于同一特权级。
  • 用户程序所引用的地址都是指向真实的物理地址，也就是说逻辑地址等于物理地址。
  • 用户程序可以自由修改段基址，可以随意的访问所有内存
  • 访问超过 64KB 的内存区域时要切换段基址。
  • 一次只能运行一个程序，无法充分利用计算机资源。
  • 共 20 条地址线，最大可用内存为 1MB。

综上：实模式太危险， 所以引入了保护模式。

建立全局描述符表

全局描述符表(GDT)：保护模式下内存段的登记表， 表里的每一项都是一个段描述符。想要访问哪一段内存，必须先在GDT中登记。

全局描述符: GDT中第0个段描述符不可用。

为什么称为全局描述符?
全局体现在多个程序都可以在里面定义自己的段描述符，是公用的。全局描述符表位于内存中， 需要用专门的寄存器指向它后， CPU 才知道它在哪里。这个专门的寄存器便是 GDTR。

段描述符， 段描述符就是一个结构体，大小为8个字节。用来描述这一个内存段的各个属性的。
段描述符详细信息如图：
在这里插入图片描述
上面为高32位，下面为低32位。

  • 段描述符的低 32 位分为两部分，前 16 位用来存储段的段界限的前 0～15 位，后 16 位用来存储段基址的 0～15 位。

  • 8～11 位是 type 字段，共 4 位，用来指定本描述符的类型。

  • 一个段描述符，在 CPU 眼里分为两大类，要么描述的是系统段，要么描述的是数据段，这是由段描述符中的 S(第12位) 位决定的，用它指示是否是系统段。

  • 段描述符的第 13～14 位是 DPL 字段， Descriptor Privilege Level，即描述符特权级，这是保护模式提供的安全解决方案，将计算机世界按权力划分成不同等级，每一种等级称为一种特权级。

  • 段描述符的第 15 位是 P 字段， Present，即段是否存在。如果段存在于内存中， P 为 1，否则 P 为 0。P 字段是由 CPU 来检查的，如果为 0， CPU 将抛出异常，转到相应的异常处理程序段描述符的第 16～19 位是段界限的第 16～19 位。这样共 20 位的段界限就齐全啦。

  • 段描述符的第 20 位为 AVL 字段，从名字上看它是 AVaiLable，可用的。不过这“可用的”是对用户来说的，也就是操作系统可以随意用此位。

  • 段描述符的第 21 位为 L 字段，用来设置是否是 64 位代码段。 L 为 1 表示 64 位代码段，否则表示 32位代码段。这目前属于保留位，在我们 32 位 CPU 下编程，将其置为 0 便可。

  • 描述符的第 22 位是 D/B 字段，用来指示有效地址（段内偏移地址）及操作数的大小。

  • 段描述符的第 23 位是 G 字段， Granularity，粒度，用来指定段界限的单位大小。所以此位是用来配合段界限的，它与段界限一起来决定段的大小。若 G 为 0，表示段界限的单位是 1 字节，这样段最大是 2的 20 次方1 字节，即 1MB。若 G 为 1，表示段界限的单位是 4KB，这样段最大是 2 的 20 次方4KB 字节，即 4GB。

选择子：选择子“基本上”是个索引值。是在全局描述表中索引段描述符的。此时，全局描述符表就相当于是一个数组。而选择字则是下标。这样就能获得段描述符中的内容了。

选择子的作用主要是确定段描述符，确定描述符的目的，一是为了特权级、界限等安全考虑，最主要的还是要确定段的基地址。在这里插入图片描述
由于段寄存器是 16 位，所以选择子也是 16 位，在其低 2 位即第 0～1 位，
用来存储 RPL，即请求特权级，可以表示 0、 1、 2、 3 四种特权级。此处可以理解为请求者的当前特权级,在选择子的第 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。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。前面说过 GDT 相当于一个描述符数组，所以此选择子中的索引值就是 GDT 中的下标。

由于选择子的索引值部分是 13 位，即 2 的 13 次方是 8192，故最多可以索引 8192 个段，这和 GDT中最多定义 8192 个描述符是吻合的。

进入保护模式的三要素

打开A20地址线

在实模式下，一共只有20根地址线，只能索引1MB内存，如果超过FFFFF,时，则进行进位 为100000，在计算机内部则看为00000, 地址回绕.

对于 80286 后续的 CPU，通过 A20Gate 来控制 A20 地址线。

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。

综上：需要打开A20地址线

加载GDT

将在内存中建立号的GDT的地址存放到 GDTR(GDT 寄存器)中。

将CR0的PE位置为1

CRX系列寄存器为控制寄存器。
CR0的第0位为 PE位，若此位为0，则代表在实模式下运行， 若为1，则代表在保护模式下运行。

到此，计算机已经进入保护模式了。

接下来就是开启分页机制，加载内核。而这个分页机制要谈的也比较多。这里就先告一段落。