第六回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题
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2021-11-29 21:38
新读者看这里，老读者直接跳过。
本系列会以一个读小说的心态，从开机启动后的代码执行顺序，带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码，了解操作系统的技术细节和设计思想。
你会跟着我一起，看着一个操作系统从啥都没有开始，一步一步最终实现它复杂又精巧的设计，读完这个系列后希望你能发出感叹，原来操作系统源码就是这破玩意。
以下是已发布文章的列表，详细了解本系列可以先从开篇词看起。
本系列的 GitHub 地址如下（文末阅读原文可直接跳转）
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
------- 正文开始 -------
书接上回，上回书咱们说到，操作系统又折腾了一下内存，之后的很长一段时间内存布局就不会变了，终于稳定下来了，目前它长这个样子。
0 地址开始处存放着操作系统的全部代码吗，也就是 system 模块，0x90000 位置处往后的几十个字节存放着一些设备的信息，方便以后使用。
| 内存地址 | 长度(字节) | 名称 |
|---|---|---|
| 0x90000 | 2 | 光标位置 |
| 0x90002 | 2 | 扩展内存数 |
| 0x90004 | 2 | 显示页面 |
| 0x90006 | 1 | 显示模式 |
| 0x90007 | 1 | 字符列数 |
| 0x90008 | 2 | 未知 |
| 0x9000A | 1 | 显示内存 |
| 0x9000B | 1 | 显示状态 |
| 0x9000C | 2 | 显卡特性参数 |
| 0x9000E | 1 | 屏幕行数 |
| 0x9000F | 1 | 屏幕列数 |
| 0x90080 | 16 | 硬盘1参数表 |
| 0x90090 | 16 | 硬盘2参数表 |
| 0x901FC | 2 | 根设备号 |
是不是十分清晰？不过别高兴得太早，清爽的内存布局，是方便后续操作系统的大显身手！
接下来就要进行真正的第一项大工程了，那就是模式的转换，需要从现在的 16 位的实模式转变为之后 32 位的保护模式。
当然，虽说是一项非常难啃的大工程，但从代码量看，却是少得可怜，所以不必太过担心。
每次讲这里都十分的麻烦，因为这是 x86 的历史包袱问题，现在的 CPU 几乎都是支持 32 位模式甚至 64 位模式了，很少有还仅仅停留在 16 位的实模式下的 CPU。所以我们要为了这个历史包袱，写一段模式转换的代码，如果 Intel CPU 被重新设计而不用考虑兼容性，那么今天的代码将会减少很多甚至不复存在。
所以不用担心，听懂就听懂，听不懂就拉倒，放宽心。
我不打算直接说实模式和保护模式的区别，我们还是跟着代码慢慢品味，来。
这里仍然是 setup.s 文件中的代码咯。
lidt idt_48 ; load idt with 0,0
lgdt gdt_48 ; load gdt with whatever appropriate
idt_48:
.word 0 ; idt limit=0
.word 0,0 ; idt base=0L
上来就是两行看不懂的指令，别急。
要理解这两条指令，就涉及到实模式和保护模式的第一个区别了。我们现在还处于实模式下，这个模式的 CPU 计算物理地址的方式还记得么？不记得的话看一下 第一回 最开始的两行代码
就是段基址左移四位，再加上偏移地址。比如：
是不是觉得很别扭，那更别扭的地方就要来了。当 CPU 切换到保护模式后，同样的代码，内存地址的计算方式还不一样，你说气不气人？
变成啥样了呢？刚刚那个 ds 寄存器里存储的值，在实模式下叫做段基址，在保护模式下叫段选择子。段选择子里存储着段描述符的索引。
通过段描述符索引，可以从全局描述符表 gdt 中找到一个段描述符，段描述符里存储着段基址。
段基址取出来，再和偏移地址相加，就得到了物理地址，整个过程如下。
你就说烦不烦吧？同样一段代码，实模式下和保护模式下的结果还不同，但没办法，x86 的历史包袱我们不得不考虑，谁让我们没其他 CPU 可选呢。
总结一下就是，段寄存器（比如 ds、ss、cs）里存储的是段选择子，段选择子去全局描述符表中寻找段描述符，从中取出段基址。
好了，那问题自然就出来了，全局描述符表（gdt）长什么样？它在哪？怎么让 CPU 知道它在哪？
长什么样先别管，一定又是一个令人头疼的数据结构，先说说它在哪？在内存中呗，那么怎么告诉 CPU 全局描述符表（gdt）在内存中的什么位置呢？答案是由操作系统把这个位置信息存储在一个叫 gdtr 的寄存器中。
怎么存呢？就是刚刚那条指令。
lgdt gdt_48
其中 lgdt 就表示把后面的值（gdt_48）放在 gdtr 寄存器中，gdt_48 标签，我们看看它长什么样。
gdt_48:
.word 0x800 ; gdt limit=2048, 256 GDT entries
.word 512+gdt,0x9 ; gdt base = 0X9xxxx
可以看到这个标签位置处表示一个 48 位的数据，其中高 32 位存储着的正是全局描述符表 gdt 的内存地址
0x90200 + gdt
gdt 是个标签，表示在本文件内的偏移量，而本文件是 setup.s，编译后是放在 0x90200 这个内存地址的，还记得吧？所以要加上 0x90200 这个值。
那 gdt 这个标签处，就是全局描述符表在内存中的真正数据了。
gdt:
.word 0,0,0,0 ; dummy
.word 0x07FF ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ; base address=0
.word 0x9A00 ; code read/exec
.word 0x00C0 ; granularity=4096, 386
.word 0x07FF ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ; base address=0
.word 0x9200 ; data read/write
.word 0x00C0 ; granularity=4096, 386
具体细节不用关心，跟我看重点。
根据刚刚的段描述符格式。
可以看出目前全局描述符表有三个段描述符，第一个为空，第二个是代码段描述符（type=code），第三个是数据段描述符（type=data），第二个和第三个段描述符的段基址都是 0，也就是之后在逻辑地址转换物理地址的时候，通过段选择子查找到无论是代码段还是数据段，取出的段基址都是 0，那么物理地址将直接等于程序员给出的逻辑地址（准确说是逻辑地址中的偏移地址）。先记住这点就好。
具体段描述符的细节还有很多，就不展开了，比如这里的高 22 位就表示它是代码段还是数据段。
接下来我们看看目前的内存布局，还是别管比例。
这里我把 idtr 寄存器也画出来了，这个是中断描述符表，其原理和全局描述符表一样。全局描述符表是让段选择子去里面寻找段描述符用的，而中断描述符表是用来在发生中断时，CPU 拿着中断号去中断描述符表中寻找中断处理程序的地址，找到后就跳到相应的中断程序中去执行，具体我们后面遇到了再说。
好了，今天我们就讲，操作系统设置了个全局描述符表 gdt，为后面切换到保护模式后，能去那里寻找到段描述符，然后拼凑成最终的物理地址，就这个作用。当然，还有很多段描述符，作用不仅仅是转换成最终的物理地址，不过这是后话了。
这仅仅是进入保护模式前准备工作的其中一个，后面的路还长着呢。欲知后事如何，且听下回分解。
------- 本回扩展资料 -------
保护模式下逻辑地址到线性地址（不开启分页时就是物理地址）的转化，看 Intel 手册：
Volume 3 Chapter 3.4 Logical And Linear Addresses
段描述符结构和详细说明，看 Intel 手册：
Volume 3 Chapter 3.4.5 Segment Descriptors
比如文中说的数据段与代码段的划分，其实还有更细分的权限控制。
------- 关于本系列 -------
本系列的开篇词看这
本系列的扩展资料看这（也可点击阅读原文），这里有很多有趣的资料、答疑、互动参与项目，持续更新中，希望有你的参与。
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
本系列全局视角
最后，祝大家都能追更到系列结束，只要你敢持续追更，并且把每一回的内容搞懂，我就敢让你在系列结束后说一句，我对 Linux 0.11 很熟悉。
另外，本系列完全免费，希望大家能多多传播给同样喜欢的人，同时给我的 GitHub 项目点个 star，就在阅读原文处，这些就足够让我坚持写下去了！我们下回见。