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操作系统-从保护模式返回实模式

发布时间:2020-02-27 19:01:22 来源:网络 阅读:391 作者:淡淡_小孩 栏目:系统运维

Q.从上节课可以引出一个小问题,下面的语句是否有Bug的存在操作系统-从保护模式返回实模式
在进入保护模式后,在第一处使用了栈段选择址对ss赋值,然后使用打印,觉得会出现Bug的存在的是因为使用了调用函数,而使用调用函数需要栈空间,还需要栈顶指针-esp寄存器,而在这里的代码中没有对esp寄存器进行赋值。在这里需要对esp寄存器进行查找。
A.对上节课的代码进行实验
操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式
操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式
在这里进行的步骤是首先反编译找到跳转处的地址值,然后在bochs上设置断点通过一步一步的单步调试使其运行到图5中即将进行call命令处,然后实验reg命令对寄存器地址进行查看,发现esp寄存器的地址是0x00007c00,与上章的栈顶寄存器地址一致,程序的运行结果符合预期。这里会出现一个疑问,没有对esp寄存器地址进行赋值,为什么会在32保护模式下,esp寄存器的值却指向栈顶,可以再一次的进行实验
实验-对esp进行验证
操作系统-从保护模式返回实模式
操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式![]
操作系统-从保护模式返回实模式
操作系统-从保护模式返回实模式
这里运行的情况是,同样首先通过反编译对图1处的地址进行查找,然后设置断点并查该断点处的esp寄存器值,然后单步调试值跳转处在对,esp寄存器值进行查看,最后进入到32位保护模式下对esp寄存器地址进行查看,发现所有的esp寄存器的值都是相同的,所以在32位保护模式下剋有不对esp寄存器进行赋值.
a.保护模式下的栈段
1.指定一段空间,并为其定义段描述符
2.根据段描述符表中的位置定义选择子
3.初始化段寄存器
4.初始化栈顶指针
B.栈段的一般性定义(保护模式下)
主要对上章的段描述符与基址进行了修改,同时重新定义了一个新的代码节,还有定义保护模式下专用的栈段

%include "inc.asm" org 0x9000 jmp CODE16_SEGMENT [section .gdt] ; GDT definition ; GDT_ENTRY : Descriptor 0, 0, 0 CODE32_DESC : Descriptor 0, Code32SegLen - 1, DA_C + DA_32 VIDEO_DESC : Descriptor 0xB8000, 0x07FFF, DA_DRWA + DA_32 DATA32_DESC : Descriptor 0, Data32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 STACK32_DESC : Descriptor 0, TopOfStack32, DA_DRW + DA_32 ; GDT end GdtLen equ $ - GDT_ENTRY GdtPtr: dw GdtLen - 1 dd 0 ; GDT Selector Code32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 VideoSelector equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Data32Selector equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Stack32Selector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; end of [section .gdt] TopOfStack16 equ 0x7c00 [section .dat] [bits 32] DATA32_SEGMENT: DTOS db "D.T.OS!", 0 DTOS_OFFSET equ DTOS - $$ HELLO_WORLD db "Hello World!", 0 HELLO_WORLD_OFFSET equ HELLO_WORLD - $$ Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT [section .s16] [bits 16] CODE16_SEGMENT: mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 ; initialize GDT for 32 bits code segment mov esi, CODE32_SEGMENT mov edi, CODE32_DESC call InitDescItem mov esi, DATA32_SEGMENT mov edi, DATA32_DESC call InitDescItem mov esi, STACK32_SEGMENT mov edi, STACK32_DESC call InitDescItem ; initialize GDT pointer struct mov eax, 0 mov ax, ds shl eax, 4 add eax, GDT_ENTRY mov dword [GdtPtr + 2], eax ; 1. load GDT lgdt [GdtPtr] ; 2. close interrupt cli ; 3. open A20 in al, 0x92 or al, 00000010b out 0x92, al ; 4. enter protect mode mov eax, cr0 or eax, 0x01 mov cr0, eax ; 5. jump to 32 bits code jmp dword Code32Selector : 0 ; esi --> code segment label ; edi --> descriptor label InitDescItem: push eax mov eax, 0 mov ax, cs shl eax, 4 add eax, esi mov word [edi + 2], ax shr eax, 16 mov byte [edi + 4], al mov byte [edi + 7], ah pop eax ret [section .s32] [bits 32] CODE32_SEGMENT: mov ax, VideoSelector mov gs, ax mov ax, Stack32Selector mov ss, ax mov eax, TopOfStack32 mov esp, eax mov ax, Data32Selector mov ds, ax mov ebp, DTOS_OFFSET mov bx, 0x0C mov dh, 12 mov dl, 33 call PrintString mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET mov bx, 0x0C mov dh, 13 mov dl, 31 call PrintString jmp $ ; ds:ebp --> string address ; bx --> attribute ; dx --> dh : row, dl : col PrintString: push ebp push eax push edi push cx push dx print: mov cl, [ds:ebp] cmp cl, 0 je end mov eax, 80 mul dh add al, dl shl eax, 1 mov edi, eax mov ah, bl mov al, cl mov [gs:edi], ax inc ebp inc dl jmp print end: pop dx pop cx pop edi pop eax pop ebp ret Code32SegLen equ $ - CODE32_SEGMENT [section .gs] [bits 32] STACK32_SEGMENT: times 1024 * 4 db 0 Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1 

make之后在bochs下的运行结果
操作系统-从保护模式返回实模式
现在通过实验对esp再次进行查看,首先再次通过反编译对跳转指令查看,然后设置断点并单步查看,并单步查看的寄存器地址的变化-ss段寄存器指向了定义的栈段,最后esp指向栈空间的限制处,最后打印处字符串,说明自定义的栈段空间被使用了操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式
C.是否能从保护模式返回实模式?
a.80x86中的一个神秘限制
1.无法直接从32位代码段回到实模式
2.只能从16位代码段间接返回实模式
3.在返回前必须用合适的选择子对寄存器赋值
b.处理器中的设计简介
1.80286之后的处理器都提供兼容8086的实模式
2.然而,绝大多数处理器都运行于保护模式
3.因此,保护模式的运行效率至关重要
4.那么,处理器如何高效的访问内存中的段描述符?

解决方案-高速缓存存储器
a.当使用选择子设置段寄存器时
1.根据选择子访问内存中的段描述符
2.将段描述符加载到段寄存器的高速缓冲存储器
3.需要段描述符信息时,直接从高速缓冲存储器中获得
但是会出现一个问题,当处理器运行于实模式时,段寄存器的高速缓冲存储器是否会用到?
在这里需要注意的是-在实模式下,高速缓冲存储器仍然发挥着作用,段基址是32位,其值是相应段寄存器的值乘以16,实模式下段基址有效位为20位,段界限固定为0xFFFF(64K),段属性的值不可设置,只能继续沿用保护方式下所设置的值
操作系统-从保护模式返回实模式
因此,当从保护模式返回实模式时-提供加载一个合适的描述符选择子到有关段寄存器,以使得对应段描述符高速缓冲寄存器中含有合适的段界限和属性
返回实模式的流程
操作系统-从保护模式返回实模式操作系统-从保护模式返回实模式
代码

%include "inc.asm" org 0x9000 jmp ENTRY_SEGMENT [section .gdt] ; GDT definition ; 段基址, 段界限, 段属性 GDT_ENTRY : Descriptor 0, 0, 0 CODE32_DESC : Descriptor 0, Code32SegLen - 1, DA_C + DA_32 VIDEO_DESC : Descriptor 0xB8000, 0x07FFF, DA_DRWA + DA_32 DATA32_DESC : Descriptor 0, Data32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 STACK32_DESC : Descriptor 0, TopOfStack32, DA_DRW + DA_32 CODE16_DESC : Descriptor 0, 0xFFFF, DA_C UPDATE_DESC : Descriptor 0, 0xFFFF, DA_DRW ; GDT end GdtLen equ $ - GDT_ENTRY GdtPtr: dw GdtLen - 1 dd 0 ; GDT Selector Code32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 VideoSelector equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Data32Selector equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Stack32Selector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Code16Selector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UpdateSelector equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; end of [section .gdt] TopOfStack16 equ 0x7c00 [section .dat] [bits 32] DATA32_SEGMENT: DTOS db "D.T.OS!", 0 DTOS_OFFSET equ DTOS - $$ HELLO_WORLD db "Hello World!", 0 HELLO_WORLD_OFFSET equ HELLO_WORLD - $$ Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT [section .s16] [bits 16] ENTRY_SEGMENT: mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 mov [BACK_TO_REAL_MODE + 3], ax ; initialize GDT for 32 bits code segment mov esi, CODE32_SEGMENT mov edi, CODE32_DESC call InitDescItem mov esi, DATA32_SEGMENT mov edi, DATA32_DESC call InitDescItem mov esi, STACK32_SEGMENT mov edi, STACK32_DESC call InitDescItem mov esi, CODE16_SEGMENT mov edi, CODE16_DESC call InitDescItem ; initialize GDT pointer struct mov eax, 0 mov ax, ds shl eax, 4 add eax, GDT_ENTRY mov dword [GdtPtr + 2], eax ; 1. load GDT lgdt [GdtPtr] ; 2. close interrupt cli ; 3. open A20 in al, 0x92 or al, 00000010b out 0x92, al ; 4. enter protect mode mov eax, cr0 or eax, 0x01 mov cr0, eax ; 5. jump to 32 bits code jmp dword Code32Selector : 0 BACK_ENTRY_SEGMENT: mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 in al, 0x92 and al, 11111101b out 0x92, al sti mov bp, HELLO_WORLD mov cx, 12 mov dx, 0 mov ax, 0x1301 mov bx, 0x0007 int 0x10 jmp $ ; esi --> code segment label ; edi --> descriptor label InitDescItem: push eax mov eax, 0 mov ax, cs shl eax, 4 add eax, esi mov word [edi + 2], ax shr eax, 16 mov byte [edi + 4], al mov byte [edi + 7], ah pop eax ret [section .s16] [bits 16] CODE16_SEGMENT: mov ax, UpdateSelector mov ds, ax mov es, ax mov fs, ax mov gs, ax mov ss, ax mov eax, cr0 and al, 11111110b mov cr0, eax BACK_TO_REAL_MODE: jmp 0 : BACK_ENTRY_SEGMENT Code16SegLen equ $ - CODE16_SEGMENT [section .s32] [bits 32] CODE32_SEGMENT: mov ax, VideoSelector mov gs, ax mov ax, Stack32Selector mov ss, ax mov eax, TopOfStack32 mov esp, eax mov ax, Data32Selector mov ds, ax mov ebp, DTOS_OFFSET mov bx, 0x0C mov dh, 12 mov dl, 33 call PrintString mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET mov bx, 0x0C mov dh, 13 mov dl, 31 call PrintString jmp Code16Selector : 0 ; ds:ebp --> string address ; bx --> attribute ; dx --> dh : row, dl : col PrintString: push ebp push eax push edi push cx push dx print: mov cl, [ds:ebp] cmp cl, 0 je end mov eax, 80 mul dh add al, dl shl eax, 1 mov edi, eax mov ah, bl mov al, cl mov [gs:edi], ax inc ebp inc dl jmp print end: pop dx pop cx pop edi pop eax pop ebp ret Code32SegLen equ $ - CODE32_SEGMENT [section .gs] [bits 32] STACK32_SEGMENT: times 1024 * 4 db 0 Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1

运行结果
操作系统-从保护模式返回实模式
小结
1.定义保护模式的栈段时,必须设置段选择子和栈顶指针
2.从保护模式能够间接跳转返回实模式
3.在实模式下,依然使用高速缓冲存储器中数据做有效性判断
4.通过运行时修改指令中的数据能够动态决定代码的行为

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