硬核How-to-Make-a-Computer-Operating-System：实模式到保护模式
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ho/How-to-Make-a-Computer-Operating-System 你是否曾好奇操作系统如何从开机自检到加载内核？本文将带你深入探索x86架构下操作系统启动的关键转折——从实模式到保护模式的跃迁。通过How-to-Make-a-Computer-Operating-System项目的实战代码，你将掌握GDT（全局描述符表）配置、内存保护机制等核心概念，理解操作系统如何突破1MB内存限制，为后续虚拟内存和多任务打下基础。
实模式：x86架构的"遗产模式"
当x86计算机通电启动时，CPU首先进入实模式（Real Mode）——这是1981年Intel 8086处理器的原始工作模式，为保持兼容性沿用至今。在实模式下：
- 内存寻址空间仅1MB（20位地址总线）
- 不支持内存保护和特权级
- 只能运行16位代码
- 通过段寄存器:偏移量方式寻址（物理地址=段寄存器值×16+偏移量）
项目中Chapter-1/README.md详细介绍了x86架构背景，指出实模式是"为维持向后兼容性的默认状态"。这种模式下，BIOS完成自检后会将启动设备的第一个扇区（512字节）加载到物理内存0x7C00处，并跳转执行——这就是引导程序的起点。
保护模式：突破1MB限制的关键
实模式的1MB内存限制和缺乏安全机制严重制约现代操作系统发展。保护模式（Protected Mode） 作为x86架构的"成年模式"，带来三大突破：
- 32位地址总线：支持4GB物理内存
- 内存分段保护：通过段描述符控制访问权限
- 特权级机制：实现内核态与用户态隔离
项目采用GRUB引导程序自动完成实模式到保护模式的切换。如Chapter-3/README.md所述，GRUB遵循Multiboot规范，能直接加载32位内核并传递硬件信息（通过multiboot_info结构体）。但GRUB提供的临时GDT并不适合我们的内核，需要重新配置自定义GDT。
GDT：保护模式的"交通信号灯"
全局描述符表（GDT） 是保护模式的核心数据结构，定义了内存段的基地址、大小和访问权限。项目中Chapter-6/README.md详细阐述了GDT的实现，其代码位于src/kernel/arch/x86/x86.cc。
GDT结构解析
GDT由GDTR（GDT寄存器） 和段描述符数组组成：
- GDTR存储GDT的基地址和长度
- 每个段描述符占8字节，定义一个内存段属性
GDTR的C语言定义：
struct gdtr {
u16 limite; // GDT表长度
u32 base; // GDT表基地址
} __attribute__ ((packed)); // 禁止编译器字节对齐
单个段描述符结构如下，包含段基地址、限长和访问控制位：
其C语言定义：
struct gdtdesc {
u16 lim0_15; // 段限长0-15位
u16 base0_15; // 段基地址0-15位
u8 base16_23; // 段基地址16-23位
u8 acces; // 访问权限字节
u8 lim16_19:4; // 段限长16-19位
u8 other:4; // 其他标志
u8 base24_31; // 段基地址24-31位
} __attribute__ ((packed));
内核自定义GDT配置
项目内核定义了6个关键段描述符，区分内核态与用户态：
| 段类型 | 选择子 | 权限字节 | 用途说明 |
|---|---|---|---|
| 内核代码段 | 0x08 | 0x9B | 存放内核可执行代码 |
| 内核数据段 | 0x10 | 0x93 | 内核数据读写 |
| 内核栈段 | 0x18 | 0x97 | 内核调用栈 |
| 用户代码段 | 0x20 | 0xFF | 用户程序代码（特权级3） |
| 用户数据段 | 0x28 | 0xF3 | 用户程序数据 |
| 用户栈段 | 0x30 | 0xF7 | 用户程序栈 |
初始化代码位于src/kernel/arch/x86/x86.cc的init_gdt函数：
// 初始化段描述符
init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0x9B, 0x0D, &kgdt[1]); // 内核代码段
init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0x93, 0x0D, &kgdt[2]); // 内核数据段
init_gdt_desc(0x0, 0x0, 0x97, 0x0D, &kgdt[3]); // 内核栈段
// 用户段定义...
// 加载GDT
asm("lgdtl (kgdtr)");
// 更新段寄存器
asm("movw $0x10, %ax\n" // 数据段选择子
"movw %ax, %ds\n"
"movw %ax, %es\n"
"movw %ax, %fs\n"
"movw %ax, %gs\n"
"ljmp $0x08, $next\n" // 远跳转更新CS寄存器
"next:");
从实模式到保护模式的切换流程
结合项目代码，完整切换流程如下：
- BIOS自检：执行POST（加电自检），初始化硬件
- GRUB引导：BIOS加载GRUB到0x7C00，GRUB完成：
- 切换到保护模式
- 启用A20地址线（突破1MB限制）
- 加载内核ELF文件到内存
- 内核初始化：
- 配置自定义GDT（src/kernel/arch/x86/x86.cc）
- 初始化C++运行时（src/kernel/runtime/cxx.cc）
- 设置临时内核栈
- 进入内核主函数：调用kmain()开始执行内核逻辑
项目Makefile（src/Makefile）通过以下命令编译内核：
# 编译32位内核，禁用标准库
g++ -m32 -fno-builtin -fno-exceptions -fno-rtti -nostdlib ...
实践验证：如何测试模式切换
项目提供完整的测试环境，通过Vagrant快速搭建开发环境：
- 克隆仓库：
git clone https://gitcode.com/gh_mirrors/ho/How-to-Make-a-Computer-Operating-System
- 启动开发环境：
cd src
vagrant up # 启动虚拟机
vagrant ssh # 进入开发环境
cd /vagrant
- 编译并运行：
make all # 编译内核和用户程序
make run # 用QEMU启动操作系统
成功启动后，QEMU窗口将显示内核初始化信息，其中GDT配置日志由src/kernel/arch/x86/x86.cc的init_gdt函数输出。
总结与后续挑战
实模式到保护模式的切换是操作系统启动的关键一跃。通过How-to-Make-a-Computer-Operating-System项目的实战代码，我们掌握了：
- x86架构的两种工作模式特性
- GDT的结构与配置方法
- GRUB引导流程与Multiboot规范
后续章节将在此基础上实现分页机制（Chapter-8）、进程调度和虚拟内存。这些技术共同构建起现代操作系统的内存管理基石。
提示：深入理解GDT可参考Intel官方手册第3卷《System Programming Guide》，项目中src/kernel/arch/x86/architecture.h定义了更多硬件相关结构体。收藏本文，下期我们将解析分页机制如何实现内存虚拟化！
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
