问题 汇编程序使用GDT跳转到保护模式


我目前正在玩x86 Assember，以提高我的低级编程技能。目前，我在32位保护模式下的寻址方案面临一点问题。

情况如下：

我有一个程序加载在0x7e0，它将CPU切换到保护模式并跳转到代码中的相应标签：

[...]
code to switch CPU in Protected Mode
[...]

jmp ProtectedMode


[...]

bits 32

ProtectedMode:
    .halt:
        hlt
        jmp .halt

到目前为止这个工作绝对正常。 “jmp ProtectedMode”在没有显式远跳的情况下工作以清除预取队列 - 因为该程序加载了偏移量0（开头的org 0） - 导致代码段指向正确的位置。

我现在的问题是，在“ProtectedMode”标签中我想跳转到另一个加载到0x8000的程序（我用内存转储检查了这个，加载函数确实正常工作，程序正确加载到0x8000） 。

由于CPU现在处于ProtectedMode而不再是RealMode，因此寻址模式不同。 ProtectedMode使用描述符选择器查找基址和描述符表中的限制，以添加给定的偏移量并检索物理地址（据我所知）。因此，在进入ProtectedMode之前必须安装GDT。

我看起来如下：

%ifndef __GDT_INC_INCLUDED__
%define __GDT_INC_INCLUDED__

;*********************************
;* Global Descriptor Table (GDT) *
;*********************************
NULL_DESC:
    dd 0            ; null descriptor
    dd 0

CODE_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10011010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

DATA_DESC:
    dw 0xFFFF       ; data descriptor
    dw 0            ; limit low
    db 0            ; base low
    db 10010010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

gdtr:
    Limit dw 24         ; length of GDT
    Base dd NULL_DESC   ; base of GDT

%endif ;__GDT_INC_INCLUDED__

并通过加载到GDT寄存器

lgdt [gdtr]

到目前为止我还不明白的是，现在如何使用GDT跳转到ProtectedMode中的物理地址0x8000？

我的第一个想法是选择代码描述符（CODE_DESC），它应该指向0x7e00（当前程序被加载）并使用必要的偏移量来获得0x8000（512字节），从而产生跳转指令：

jmp CODE_DESC:0x200

但这不起作用。 

jmp 0x7e0:0x200

不起作用......

你知道我在这里缺少什么吗？也许我不理解32位ProtectedMode寻址方案和GDT的使用中必不可少的东西。

[编辑]完整代码：

bits 16
org 0                       ; loaded with offset 0000 (phys addr: 0x7e00)

jmp Start

Start:
    xor ax, ax
    mov ax, cs
    mov ds, ax              ; update data segment

    cli                     ; clear interrupts

    lgdt [gdtr]             ; load GDT from GDTR (see gdt_32.inc)

    call OpenA20Gate        ; open the A20 gate 

    call EnablePMode        ; jumps to ProtectedMode

;******************
;* Opens A20 Gate *
;******************
OpenA20Gate:
    in al, 0x93         ; switch A20 gate via fast A20 port 92

    or al, 2            ; set A20 Gate bit 1
    and al, ~1          ; clear INIT_NOW bit
    out 0x92, al

    ret

;**************************
;* Enables Protected Mode *
;**************************
EnablePMode:
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    jmp ProtectedMode ; this works (jumps to label and halts)
    ;jmp (CODE_DESC-NULL_DESC):ProtectedMode ; => does not work
    ;jmp 08h:ProtectedMode , => does not work

;***************
;* data fields *
;*  &includes  *
;***************
%include "gdt_32.inc"

;******************
;* Protected Mode *
;******************
bits 32

ProtectedMode:
    ;here I want to jump to physical addr 0x8000 (elf64 asm program)

    .halt:
        hlt
        jmp .halt

8897
2018-02-04 02:34


起源

答案:

代码中存在多个问题。

首先，你的 GDTR.Base 包含的偏移量 GDT 从代码的开头，因为你的代码被编译为从地址0开始（因为 org 0）。基地址必须是物理地址，而不是相对地址。 IOW，如果你保留这个 org 0，你必须添加 CS* 16（= 0x7e00）到 Base。

第二，因为同样的原因 org 0，代码中的32位偏移量（之后 bits 32 和 ProtectedMode:）不等于它们对应的物理地址，它们比物理地址小0x7e00。 OTOH，GDT中定义的段从物理地址0开始（因为GDT条目的基本部分为0）而不是0x7e00。这意味着当您尝试将这些段与您的代码/数据一起使用时，您将错过0x7e00的地址。如果你想保留 org 0，GDT中的基地址必须设置为0x7e00。

或者你可以改变 org 0 至 org 0x7e00 然后GDT中的基数应为0.你不需要调整GDTR.Base 0x7e00,0会做。

这应该工作：

bits 16
org 0x7e00                  ; loaded at phys addr 0x7e00
                            ; control must be transferred with jmp 0:0x7e00

    xor ax, ax
    mov ds, ax              ; update data segment

    cli                     ; clear interrupts

    lgdt [gdtr]             ; load GDT from GDTR (see gdt_32.inc)

    call OpenA20Gate        ; open the A20 gate 

    call EnablePMode        ; jumps to ProtectedMode

;******************
;* Opens A20 Gate *
;******************
OpenA20Gate:
    in al, 0x93         ; switch A20 gate via fast A20 port 92

    or al, 2            ; set A20 Gate bit 1
    and al, ~1          ; clear INIT_NOW bit
    out 0x92, al

    ret

;**************************
;* Enables Protected Mode *
;**************************
EnablePMode:
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    jmp (CODE_DESC - NULL_DESC) : ProtectedMode

;***************
;* data fields *
;*  &includes  *
;***************
;%include "gdt_32.inc"
;*********************************
;* Global Descriptor Table (GDT) *
;*********************************
NULL_DESC:
    dd 0            ; null descriptor
    dd 0

CODE_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10011010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

DATA_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10010010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

gdtr:
    Limit dw gdtr - NULL_DESC - 1 ; length of GDT
    Base dd NULL_DESC   ; base of GDT

;******************
;* Protected Mode *
;******************
bits 32

ProtectedMode:
    mov     ax, DATA_DESC - NULL_DESC
    mov     ds, ax ; update data segment

    .halt:
        hlt
        jmp .halt

请注意，段限制等于段大小减1。

还有几点......用有效选择器加载所有段寄存器或0.然后，设置堆栈。如果你有垃圾（或实模式的旧值），当你开始玩中断/异常时，你会有更多的崩溃。

最后，我不知道elf64是什么，但你必须要照顾好 org 其他模块的事情，并确保所有生成的地址对应于加载地址。如果您打算启用64位模式，那么还有很多工作要做。我建议不要急于进入64位模式，因为你正在绊倒相对简单的东西。


12
2018-02-04 10:32


感谢您的解释......这正是我这样做的原因 - 当您第一次通过阅读x86参考文件从头开始这样做时，并不是那么简单！顺便说一下：有没有一本很好的书可以提供哪些建议来处理这些类型的主题？ - Sebastian B.
我不懂好书。来自英特尔和AMD的官方文档包含所有信息，它不是一本典型的书籍或教科书，您可以轻松阅读并立即理解所有内容（顺便说一下，英特尔的文档中存在许多拼写错误和偶然的错误）。在线有很多文章和教程。你可以随时试验。或者查看某人的代码并提出问题。看到这些组： alt.os.development， comp.lang.asm.x86。 - Alexey Frunze
谢谢你的建议 ！！我来看看吧！ - Sebastian B.

答案:

代码中存在多个问题。

首先，你的 GDTR.Base 包含的偏移量 GDT 从代码的开头，因为你的代码被编译为从地址0开始（因为 org 0）。基地址必须是物理地址，而不是相对地址。 IOW，如果你保留这个 org 0，你必须添加 CS* 16（= 0x7e00）到 Base。

第二，因为同样的原因 org 0，代码中的32位偏移量（之后 bits 32 和 ProtectedMode:）不等于它们对应的物理地址，它们比物理地址小0x7e00。 OTOH，GDT中定义的段从物理地址0开始（因为GDT条目的基本部分为0）而不是0x7e00。这意味着当您尝试将这些段与您的代码/数据一起使用时，您将错过0x7e00的地址。如果你想保留 org 0，GDT中的基地址必须设置为0x7e00。

或者你可以改变 org 0 至 org 0x7e00 然后GDT中的基数应为0.你不需要调整GDTR.Base 0x7e00,0会做。

这应该工作：

bits 16
org 0x7e00                  ; loaded at phys addr 0x7e00
                            ; control must be transferred with jmp 0:0x7e00

    xor ax, ax
    mov ds, ax              ; update data segment

    cli                     ; clear interrupts

    lgdt [gdtr]             ; load GDT from GDTR (see gdt_32.inc)

    call OpenA20Gate        ; open the A20 gate 

    call EnablePMode        ; jumps to ProtectedMode

;******************
;* Opens A20 Gate *
;******************
OpenA20Gate:
    in al, 0x93         ; switch A20 gate via fast A20 port 92

    or al, 2            ; set A20 Gate bit 1
    and al, ~1          ; clear INIT_NOW bit
    out 0x92, al

    ret

;**************************
;* Enables Protected Mode *
;**************************
EnablePMode:
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    jmp (CODE_DESC - NULL_DESC) : ProtectedMode

;***************
;* data fields *
;*  &includes  *
;***************
;%include "gdt_32.inc"
;*********************************
;* Global Descriptor Table (GDT) *
;*********************************
NULL_DESC:
    dd 0            ; null descriptor
    dd 0

CODE_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10011010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

DATA_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10010010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

gdtr:
    Limit dw gdtr - NULL_DESC - 1 ; length of GDT
    Base dd NULL_DESC   ; base of GDT

;******************
;* Protected Mode *
;******************
bits 32

ProtectedMode:
    mov     ax, DATA_DESC - NULL_DESC
    mov     ds, ax ; update data segment

    .halt:
        hlt
        jmp .halt

请注意，段限制等于段大小减1。

还有几点......用有效选择器加载所有段寄存器或0.然后，设置堆栈。如果你有垃圾（或实模式的旧值），当你开始玩中断/异常时，你会有更多的崩溃。

最后，我不知道elf64是什么，但你必须要照顾好 org 其他模块的事情，并确保所有生成的地址对应于加载地址。如果您打算启用64位模式，那么还有很多工作要做。我建议不要急于进入64位模式，因为你正在绊倒相对简单的东西。


12
2018-02-04 10:32


感谢您的解释......这正是我这样做的原因 - 当您第一次通过阅读x86参考文件从头开始这样做时，并不是那么简单！顺便说一下：有没有一本很好的书可以提供哪些建议来处理这些类型的主题？ - Sebastian B.
我不懂好书。来自英特尔和AMD的官方文档包含所有信息，它不是一本典型的书籍或教科书，您可以轻松阅读并立即理解所有内容（顺便说一下，英特尔的文档中存在许多拼写错误和偶然的错误）。在线有很多文章和教程。你可以随时试验。或者查看某人的代码并提出问题。看到这些组： alt.os.development， comp.lang.asm.x86。 - Alexey Frunze
谢谢你的建议 ！！我来看看吧！ - Sebastian B.

一些事情。首先，您当前的代码在技术上不会进入保护模式。您通过加载进入保护模式 cs 使用GDT的描述符。既然你不能直接设置 cs 注册，最简单的方法是使用远程跳转。用以下内容替换当前跳转：

jmp (CODE_DESC-NULL_DESC):ProtectedMode

其次，代码段的基数为0，而不是0x7e00。如果你看一下标有“base”字样的四个字节，它们都是0.你有两个选择。要么将GDT更改为具有0x7e00的基数，要么添加指令以更改基于0的所有受保护模式代码的加载地址。

完成这两项操作后，您可以使用正常的跳转指令跳转到程序。如果您选择保留GDT，请使用完整地址：

jmp 0x8000

如果您选择更改代码段的基础，则需要使用相对于该代码段的地址。

jmp 0x200

有关GDT的更多信息
有关进入保护模式的更多信息


3
2018-02-04 02:51


谢谢你的回答..好的 - 当使用跳转指令“jmp CODE_DESC：ProtectedMode”时，CPU三重故障并重置（因为这个跳转方向似乎在某处跳转）。 “jmp ProtectedMode”跳转到正确的标签并暂停系统。由于这可能与GDT基础问题相关，因此我将更改GDT并重试。谢谢你的快速回复!! - Sebastian B.
@ughoavgfhw你的意思是 jmp (CODE_DESC-NULL_DESC):ProtectedMode？ - Nayuki
@NayukiMinase感谢你抓住这个，我认为他们已经抵消了。 - ughoavgfhw
嘿，好吧 - 你是对的 - 我会尝试这个。 - Sebastian B.
嗯，我把“基本低”改为0x7e00，跳转指令现在是“jmp（CODE_DESC-NULL_DESC）：ProtectedMode”..但是这个仍然崩溃......有什么我没有得到关于GDT的东西吗？阅读上面提到的教程并没有真正谈论基础......：| - Sebastian B.

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