深入理解Phil-opp/blog_os：进入长模式的技术解析-优快云博客

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深入理解Phil-opp/blog_os：进入长模式的技术解析

blog_os Writing an OS in Rust 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/bl/blog_os

前言

在上一篇文章中，我们创建了一个最小的多引导内核，它仅打印"OK"后就挂起。本文的目标是扩展这个内核，使其能够调用64位Rust代码。但当前CPU处于保护模式下，仅支持32位指令和最多4GB内存。因此，我们需要先设置分页并切换到64位长模式。

准备工作：硬件特性检测

在进入长模式前，我们需要确保CPU支持所有必需的特性。如果检测失败，内核应显示错误信息并中止执行。

错误处理机制

我们首先在boot.asm中创建一个错误处理程序：

error:
    mov dword [0xb8000], 0x4f524f45  ; 'ERR:'
    mov dword [0xb8004], 0x4f3a4f52
    mov dword [0xb8008], 0x4f204f20
    mov byte  [0xb800a], al          ; 错误代码
    hlt

这段代码利用了VGA文本缓冲区（地址从0xb8000开始），每个字符由8位颜色代码和8位ASCII字符组成。我们使用红色背景白色文本（颜色码0x4f）显示错误信息。

栈的初始化

在调用函数前，我们需要设置有效的栈指针：

section .bss
stack_bottom:
    resb 64
stack_top:

section .text
start:
    mov esp, stack_top

这里我们使用.bss段保留64字节作为栈空间，栈从高地址向低地址增长，因此初始化时esp指向stack_top。

关键特性检测

多引导检查：

check_multiboot:
    cmp eax, 0x36d76289  ; 多引导魔数
    jne .no_multiboot
    ret

CPUID检测：

check_cpuid:
    pushfd
    pop eax
    mov ecx, eax
    xor eax, 1 << 21     ; 尝试翻转ID位
    push eax
    popfd
    pushfd
    pop eax
    cmp eax, ecx         ; 检查是否翻转成功
    je .no_cpuid
    ret

长模式检测：

check_long_mode:
    mov eax, 0x80000000
    cpuid
    cmp eax, 0x80000001  ; 检查是否支持扩展功能
    jb .no_long_mode
    mov eax, 0x80000001
    cpuid
    test edx, 1 << 29    ; 检查LM位
    jz .no_long_mode
    ret

分页机制详解

长模式下x86使用4KB页大小和四级页表结构：

页表层级：
- P4 (PML4) → P3 (PDP) → P2 (PD) → P1 (PT)
地址转换过程：
- 从CR3寄存器获取P4表地址
- 使用虚拟地址的39-47位索引P4
- 使用30-38位索引P3
- 使用21-29位索引P2
- 使用12-20位索引P1
- 最后12位作为页内偏移

身份映射实现

我们使用2MiB大页进行身份映射（物理地址=虚拟地址）：

section .bss
align 4096
p4_table: resb 4096
p3_table: resb 4096
p2_table: resb 4096

set_up_page_tables:
    ; 链接P4→P3→P2
    mov eax, p3_table
    or eax, 0b11       ; Present + Writable
    mov [p4_table], eax
    
    mov eax, p2_table
    or eax, 0b11
    mov [p3_table], eax
    
    ; 映射512个2MiB页
    mov ecx, 0
.map_p2_table:
    mov eax, 0x200000  ; 2MiB
    mul ecx            ; ecx*2MiB
    or eax, 0b10000011 ; Present + Writable + Huge
    mov [p2_table + ecx*8], eax
    inc ecx
    cmp ecx, 512
    jne .map_p2_table
    ret

启用长模式

完成以下步骤来启用长模式：

将P4表地址加载到CR3寄存器
启用物理地址扩展(PAE)
设置EFER寄存器中的长模式位
启用分页

enable_paging:
    ; 1. 加载P4到CR3
    mov eax, p4_table
    mov cr3, eax
    
    ; 2. 启用PAE
    mov eax, cr4
    or eax, 1 << 5
    mov cr4, eax
    
    ; 3. 设置长模式位
    mov ecx, 0xC0000080
    rdmsr
    or eax, 1 << 8
    wrmsr
    
    ; 4. 启用分页
    mov eax, cr0
    or eax, 1 << 31
    mov cr0, eax
    
    ret