练习3: 分析bootloader进入保护模式的过程

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相关阅读：保护模式和分段机制

为何开启A20，以及如何开启A20
如何初始化GDT表
如何使能和进入保护模式

为何开启A20，如何开启A20

背景知识

A20是什么？

A20为处理器的第21根地址线。A即Address。A0是第一根地址线，以此类推，A19是第20根地址线，A20是第21根地址线。
开启A20是什么？

开启A20指的是开启A20 Gate。

A20 Gate是80286处理器为了兼容8086处理器的程序而设置的，一个控制第21根地址线（A20 Line）的与门。
为什么要有A20 Gate？

8086处理器有20根地址线（A0 ~ A19），可以寻址1MB内存。当物理地址达到0xFFFFF (11111111111111111111B)时，再加1，由于只能维持20位地址，进位会丢失导致地址变为0x00000 (00000000000000000000B)。

而80286处理器有24根地址线（A0 ~ A23），可以寻址16M内存。当物理地址达到0x0FFFFF (000011111111111111111111B)，再加1，得到的地址为0x100000 (000100000000000000000000)。若运行8086处理器的程序，会导致寻址出现错误。

为了让80286处理器兼容8086处理器的程序，IBM在主板上添加了A20 Gate，当A20 Gate关闭（值为0）时，在与门的操作下，A20 Line的值始终为0，所以当0x(0)FFFFF [(0000)11111111111111111111B]增加1时80286处理器可以得到跟8086处理器一样的结果0x(0)00000 [(0000)00000000000000000000]。
如何开启A20 Gate？

A20 Gate的控制阀门在8042键盘控制器（8042芯片）内，为输出端口P2的第二个bit（P21引脚）。

为开启A20 Gate，只需向P2端口写入第二个bit为1的一个字节即可。

问题分析

为何开启A20？

为了使CPU可以正常访问高于16位的地址，为进入可寻址32位的保护模式做准备。
如何开启A20？

以下为开启A20的代码：
```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    25-43

    # Enable A20:
    #  For backwards compatibility with the earliest PCs, physical
    #  address line 20 is tied low, so that addresses higher than
    #  1MB wrap around to zero by default. This code undoes this.
seta20.1:
    inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.1

    movb $0xd1, %al                                 # 0xd1 -> port 0x64
    outb %al, $0x64                                 # 0xd1 means: write data to 8042's P2 port

seta20.2:
    inb $0x64, %al                                  # Wait for not busy(8042 input buffer empty).
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.2

    movb $0xdf, %al                                 # 0xdf -> port 0x60
    outb %al, $0x60                                 # 0xdf = 11011111, means set P2's A20 bit(the 1 bit) to 1
```
8042芯片的I/O端口为0x60~0x6f，实际上IBM PC/AT使用的只有0x60和0x64两个端口。

8042芯片有四个8 bit长的寄存器：Input Buffer, Output Buffer, Status Register, Control Register。

为向输出端口P2写入数据，需要先将要写入的数据传入8042芯片的Output Buffer，然后让8042芯片会将Output Buffer的内容写入输出端口P2。

向Output Buffer写入数据的流程为：向0x64端口发送0xd1，表示写入，然后再将要写入的数据传入0x60端口。

在向Output Buffer写入数据前，需要先读取Status Register的数据已获取芯片状态，得到的结果第二个bit表示0x60和0x64端口是否有数据，若无数据才可正常写入。

以下为具体步骤：
```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    29-32

seta20.1:
    inb $0x64, %al
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.1
```
首先，从0x64端口读入数据存入al，将al的值和0x02(00000010B)进行与操作，若得到结果不为0，即0x60和0x64端口内有数据，则跳转回标记seta20.1并重复这一操作，直到端口内无数据，则进行下一步。
```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    34-35

    movb $0xd1, %al
    outb %al, $0x64
```
然后将0xd1经al写入0x64端口，表示将要向0x60端口传入要写进输出端口P2的数据。
```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    37-43

seta20.2:
    inb $0x64, %al
    testb $0x2, %al
    jnz seta20.2

    movb $0xdf, %al
    outb %al, $0x60
```
这里与seta20.1部分类似，从0x64端口获取状态，直到0x60和0x64端口内没有数据，即可执行下一部分。

然后经al向0x60端口写入数据以传入Output Buffer，然后8042芯片自动将Output Buffer中的数据写入输出端口P2。

在这段代码中写入0x60端口的数据为0xdf (11011111B)，其第二个bit为1，即表示开启A20 Gate。另外7个bit表示其它参数，这里不再做了解。

参考文献

关于A20 Gate；
A20 Line；
《x86汇编语言：从实模式到保护模式》，电子工业出版社；

如何初始化GDT表

背景知识

什么是GDT表

Global Descriptor Table(全局描述符表)是IA32架构CPU的一种数据结构，它保存多个段描述符，其起始地址保存在全局描述符表寄存器(GDTR)中。GDTR长48位，其中高32位为基地址，低16位为段界限。

其中，全局描述符表中第一个段描述符设定为空段描述符。GDTR中的段界限以字节为单位。对于含有N个描述符的描述符表的段界限通常可设为8*N-1。

GDT表由汇编指令lgdt加载，该指令将GDT表地址加载到GDTR中。
GDT表的作用

在保护模式下，大多数内存管理和中断服务例程都是通过GDT表控制的。每个描述符(Descriptor)都存储着CPU可能需要的对象信息。
GDT表存储的内容
- 空描述符（不会被加载）
- 一个代码段描述符（在内核中，其类型应设为0x9A）
- 一个数据段描述符（其类型应设为0x92）
- 一个TSS(Task State Segment 任务段描述符)（uCore中没有使用）
- ...

问题分析

如何初始化GDT表
```
    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    49

    lgdt gdtdesc
```
gdtdesc即GDT表的地址（见下文），使用lgdt指令加载即可。

uCore中GDT表的格式

    #    File:    bootasm.S
    #    Line:    77-86

# Bootstrap GDT
.p2align 2                                          # force 4 byte alignment
gdt:
    SEG_NULLASM                                     # null seg
    SEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff)           # code seg for bootloader and kernel
    SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff)                 # data seg for bootloader and kernel

gdtdesc:
    .word 0x17                                      # sizeof(gdt) - 1
    .long gdt                                       # address gdt

gdt为存储的两个段描述符（以及之前的一个空的段描述符），gdtdesc为GDT表的段界限及段描述符(gdt)的起始地址。两个段描述符分别为：代码段描述符，数据段描述符。

以下为代码中创建段描述符的宏以及其参数。

 //    File:    asm.h
 //    Line:    4-23

 /* Assembler macros to create x86 segments */

 /* Normal segment */
 #define SEG_NULLASM                                             \
     .word 0, 0;                                                 \
     .byte 0, 0, 0, 0

 #define SEG_ASM(type,base,lim)                                  \
     .word (((lim) >> 12) & 0xffff), ((base) & 0xffff);          \
     .byte (((base) >> 16) & 0xff), (0x90 | (type)),             \
         (0xC0 | (((lim) >> 28) & 0xf)), (((base) >> 24) & 0xff)

 /* Application segment type bits */
 #define STA_X       0x8     // Executable segment
 #define STA_E       0x4     // Expand down (non-executable segments)
 #define STA_C       0x4     // Conforming code segment (executable only)
 #define STA_W       0x2     // Writeable (non-executable segments)
 #define STA_R       0x2     // Readable (executable segments)
 #define STA_A       0x1     // Accessed

参考文献

如何使能和进入保护模式

背景知识

什么是保护模式

保护模式与实模式相对应，是在80286处理器之后现代Intel处理器主要的操作模式。在80386处理器或更高版本上，32位保护模式允许使用多个虚拟空间，每个虚拟空间最多具有4GB的可寻址内存，并能通过Rings限制可用的指令集使系统能够执行严格的内存和硬件I/O保护。

问题分析

如何进入保护模式

在进入保护模式前，需要进行一系列操作：
1. 禁用所有中断（执行cli命令）
2. 启用A20 Line
3. 使用适用于代码、数据和堆栈的段描述符加载GDT表
做完准备工作后，就可以切换到保护模式了。

控制实模式与保护模式切换的开关位于CR0寄存器。CR0是处理器内部的控制寄存器(Control Register, CR)，它是32位的寄存器，包含了一系列用于控制处理器操作模式和运行状态的标志位，它的第1位是保护模式允许位，把该位置设为1后处理器就会进入保护模式。
```
 #    File:    bootasm.S
 #    Line:    50-52

 movl %cr0, %eax
 orl $CR0_PE_ON, %eax
 movl %eax, %cr0
```
由于CR0是32位寄存器，所以我们需要先将其值存入EAX寄存器。EAX寄存器是一个32位寄存器，常用的AX寄存器是EAX的低16位。

在存入数据后，对EAX的值与常量CR0_PE_ON进行位或操作，常量CR0_PE_ON的值为0x1，进行位或操作后可使EAX内数值的第1位变为1，即将CR0状态标志位的保护模式允许设为打开。

然后将EAX寄存器内的值传入CR0，这时CR0内第1位的值变成了1，其它位的值也没有发生变化，这就标志着保护模式的正常启动。

练习3

练习3: 分析bootloader进入保护模式的过程

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