浅谈80368之保护模式

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浅谈80368之保护模式

1 保护模式的历史
2 保护模式的定义和特点
- 2.1 什么是保护模式？
- 2.2 特点
3 实模式与保护模式寻址方式对比

1 保护模式的历史

Intel早期的8086处理器是16位处理器，数据总线16位，地址总线20位，最高寻址空间可达1MB。由于数据总线的位数少于地址总线，所以采用了分段的方式来进行寻址。此时的处理器的工作模式只有实模式，即8086模式。
软件在执行的过程中直接访问物理地址，没有权限保护而且寻址能力也受到段寄存器大小的制约，(16bit)64K段。
到后来80286，数据总线仍然是16位，但地址总线增加到了24位，最大寻址16MB。与8086不同，80286引入了保护模式。程序不再直接访问物理内存，而是需要经过一系列的权限检查和转换，从而大大提高了系统的安全性。但由于数据位数仍然是16位，寻址能力仍然受到64K段的限制。
直到80386出世，数据总线达到32位，地址总线32位，系统可以毫无压力地访问4GB的地址空间。寻址能力不再是问题。2000年，AMD又推出了x86-64处理器架构。同时支持32位和64位指令集。

2 保护模式的定义和特点

2.1 什么是保护模式？

保护模式是一种80286以及之后的x86兼容cpu的操作模式。

2.2 特点

内存保护，分页，系统及硬件的虚拟内存支持

3 实模式与保护模式寻址方式对比

3.1 常用的段寄存器介绍

要了解寻址方式，首先得熟悉一下常用的段寄存器
CS (Code Segment) 代码段寄存器
DS (Data Segment) 数据段寄存器
ES (Extra Segment) 附加段寄存器
SS (Stack Segment) 堆栈段寄存器

CS (Code Segment)	代码段寄存器
DS (Data Segment)	数据段寄存器
ES (Extra Segment)	附加段寄存器
SS (Stack Segment)	堆栈段寄存器

3.2 实模式下的寻址

由于处理器必须要考虑向下兼容，所以今天我们的计算机在启动后大多数都是先工作在实横式下面的。在实模式下，系统采用16位寻址模式，但由于ALU(逻辑运算单元）最高只有16位，但地址却是20位的。为了方便地进行地址运算，采用了分段的方式来管理。

此时系统地址的表示方式为：
段地址：偏移地址
当需要计算实际的物理地址的时候，可以采用以下方式:
实际的物理地址 = （段地址 << 4） + 偏移地址

从上面的公式可以看到，系统的地址空间被分成了一个个64K大小的段，段的最大数目也是64K。此时段寄存器中存放的地址是实际的物理地址。

3.3 保护模式下的寻址

在保护模式下，段寄存器中不再存放实际的物理地址了。它存放的是一个索引，这人索引实际是全局描述符表（GDT) 中的偏移值。
保护模式下的寻址可以用以下的方式: xxxx:yyyyyyyy。其中xxxx就是索引值（16位），yyyyyyyy(32位）是实际的偏移地址。

                    +--------------------------+
                    | Linear Addr (0x00000000) |
                    ~                          ~    
                    .           ...            .
                    |--------------------------|
                    |           GDT            |
                    |           GDT            |
                    ~           ...            ~
 +----------------->|           GDT            |------------+ 
 |                  |           GDT            |            |
seg:offset          |           GDT            |            |
      |             |--------------------------|            |
      |             ~           ...            ~            |
      |             |--------------------------|            |
      |             |                          |<-----------+ 
      |             |           Data           |
      +------------>|                          |
                    ~           ...            ~
                    |           Data           |
                    ~           ...            ~
                    | Linear Addr (0xFFFFFFF)  |
                    |--------------------------|

4 如何开启保护模式

4.1 控制寄存器（CRx)

CR0: 主要保存processor操作模式和系统状态的标志位
CR1: Reserved
CR2: 用于保存触发PG fault的线性地址
CR3: 页目录地址和两个flag位。（PCD和PWT)
CR4: 架构扩展用的寄存器位
CR8: 用于读写访问TPR寄存器（Task Priority Register)

4.2 CR0的各位bit含义

|----+----+----+-------+----+-----+----+------+----+----+----+----+----+----|
| 31 | 30 | 29 | 28.19 | 18 |  17 | 16 | 15.6 |  5 |  4 |  3 |  2 |  1 |  0 |
|----+----+----+-------+----+-----+----+------+----+----+----+----+----+----|
| PG | CD | NW |   N/A | AM | N/A | WP |  N/A | NE | ET | TS | EM | MP | PE |
|----+----+----+-------+----+-----+----+------+----+----+----+----+----+----|

PG: Paging, 启动分页
CD: Cache disable, 禁止cache
NW: Not write through, 一般和CD一起用。
AM: Alignment Mask. 启动自动Alignment。
WP: Write Protect 写保护
NE: Numeric error
ET: Externsion Type
TS: Task Switched
EM: Emunation
MP: Monitor Coprocessor
PE: Protection Enable, 启动保护模式

4.3 开启保护模式的代码示例

  # Switch from real to protected mode, using a bootstrap GDT
  # and segment translation that makes virtual addresses 
  # identical to their physical addresses, so that the 
  # effective memory map does not change during the switch.
  lgdt    gdtdesc
  movl    %cr0, %eax
  orl     $CR0_PE_ON, %eax
  movl    %eax, %cr0
  
  # Jump to next instruction, but in 32-bit code segment.
  # Switches processor into 32-bit mode.
  ljmp    $PROT_MODE_CSEG, $protcseg

  .code32                     # Assemble for 32-bit mode
protcseg:
  # Set up the protected-mode data segment registers
  movw    $PROT_MODE_DSEG, %ax    # Our data segment selector
  movw    %ax, %ds                # -> DS: Data Segment
  movw    %ax, %es                # -> ES: Extra Segment
  movw    %ax, %fs                # -> FS
  movw    %ax, %gs                # -> GS
  movw    %ax, %ss                # -> SS: Stack Segment

以上代码是从JOS中取出的, 首先是lgdt把GDT的地址传给gdtr. 然后enable CR0寄存器中的bit0(PE).
当PE被置位后，执行一个long jump, 把保护模式下的段选择子（index)load到CS寄存器中，这样系统才真正地进入保护模式。
细心研究可以发现ljmp所跳转的地址实际上正是系统正要执行的下一条语句。但不同的是此时的寻址方式已经变了系统切换到了32位模式，寻址空间不再有1MB的限制。CS中存放的也不再是段地址，而是GDT的index。

4.4 物理地址，线性地址和逻辑（虚拟）地址

这三个概念应该是在学习x86架构的时候最容易混淆的了。
物理地址：系统访问内存的最终地址。IA32架构提供了2^32(4GB）的内存寻址空间
线性地址：在未开启分页之前，线性地址就是物理地址。当系统开启分页之后，线性地址通过页表转换可以得到物理地址。
逻辑地址：逻辑地址可以表示为段选择子：32位地址偏移（offset)

逻辑地址与线性地址的转换

 +----------------+             +----------------+
 | Seg Selector   | 16bit:32bit |     Offset     |
 +----------------+             +----------------+
     |    +------------+                  |
     |    |   GDT/LDT  |                  |
     +--->|            |------------>+<---'
          ~    ...     ~             |
          |            |             V
          |   GDT/LDT  |        Linear Address
          +------------+

4.5 段选择子 (Segment Selector)

在开启保护模式之前，CS, DS等段寄存器中存放的都是段地址。然后当保护模式启动后，段寄存器中存放的不再是段地址。而是段选择子。它不再可以直接与偏移地址进行移位求和运算。它只代表了descriptor table中的一个index。地址变换过程变成了: 逻辑地址=>线性地址=>物理地址

Segment Selector

|----------+----+-----|
| 15 ... 3 |  2 | 1 0 |
|----------+----+-----|
| Index    | TI | RPL |
|----------+----+-----|

RPL: 请求特权级 (Request Privilege Level)，这个我们在后面要详细介绍。
TI: Table indicator, 0-GDT, 1-LDT
Index: 描述符表的索引值。
实例分析：
- 如果你在OS读到当前程序运行在一个这样的逻辑地址， 0x38:12345678。那么，你应该知道
  1. 这个地址的RPL=0, ring 0
  2. TI=0, 说明我们应该去查GDT，而不是IDT。关于GDT和IDT的区别以后细说。
  3. Index = 7。所以base address应该保存在GDT的第7个选择子中。

Date: 2014-07-05 14:01:32

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