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从零开始写 OS 内核 - GDT 与保护模式

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从 mbr 到 loader

接上一篇 BIOS 启动到实模式，这篇开始 loader 的编写。首先回顾一下那张磁盘镜像和内存分布图：

目前只需要关注 1MB 一下的内存分布，主要是黄色 mbr 和蓝色 loader 部分。上一篇中已经将 mbr 加载到内存，并且程序流通过 mbr 最后一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR (0x8000) 已经执行到了 loader 的入口处，接下来就需要将 loader 实现。

loader 的工作

总的来说， loader 的工作主要有以下几项：

  • 建立 GDT（Global Descriptor Table），初始化内核代码和数据段寄存器（segment registers），带领 CPU 进入保护模式（protection mode）；
  • 建立 kernel 页目录（page directory）和页表（page tables），打开虚拟内存（virtual memory），进入 paging 模式；
  • 加载 kernel 镜像到内存，然后进入到 kernel 代码执行，至此系统的控制权转交到了 kernel ；

可以看到 loader 的工作是比较多的，并且已经涉及到了x86 体系架构中的一些核心部分，因此为了读懂并实现 loader，你必须做好以下的知识准备：

  • GDT，段内存寻址，段寄存器，保护模式；
  • 虚拟内存，页目录，页表；
  • elf 文件格式，因为 kernel 会被编译链接成该格式的文件；

loader 实现

仍然和之前一样，先给出我的项目代码链接 src/boot/loader.S，供你参考。

这个源代码已经比较多了，尤其是它还是汇编写成的，而且代码里还包含了很多工具函数和打印相关的函数。为了避免陷入混乱，这里抽取出几个最重要的关键节点（函数），分别代表了上面所述的 loader 需要做的几项工作：

# 入口
loader_start

# 初始化 GDT 并进入保护模式
setup_protection_mode
protection_mode_entry

# 初始化 kernel 页目录和页表
setup_page

# 加载并进入 kernel
init_kernel

接下来我们一个一个实现这些功能。本篇我们首先初始化 GDT，进入 32-bit 保护模式。

进入 loader

在开始之前，我们首先看 loader 的开始部分的代码，和 mbr 一样，这里仍然首先定义了 loader 编码的起始内存地址，为 0x8000，这是因为我们预先设计好了，mbr 会将 loader 从磁盘上加载到内存 0x8000 位置处并跳转过去，所以 loader 的编址必须从该地址开始。

; LOADER_BASE_ADDR = 0x8000
SECTION loader vstart=LOADER_BASE_ADDR

接下来正式进入 loader 的第一条代码 jmp loader_start，它是一个简单的跳转，我们跳到了 loader_start开始真正执行 loader 的工作：

loader_entry:
  jmp loader_start

; 全局数据
; ...

loader_start:
  call clear_screen
  call setup_protection_mode

如果你对这种汇编编码的方式不熟悉，可能会觉得奇怪，为什么要 jmp 一下，中间跳过的部分是什么？答案是，中间是我们要定义的数据部分，类似于 .c 文件里定义的全局变量。那里定义了一堆用来打印的字符串，以及至关重要的 GDT。

你可能已经意识到了，汇编源代码里的指令和数据部分是可以自由混杂排布的，而且最终编译出来的二进制里它们排布顺序完全遵循源代码的排布。所以你可以任意安排你的指令和数据所处的位置，只要指令流能顺利地流转和执行下去，不至于跑飞就行。当然，整个 loader 的起始位置，即 0x8000 处必须是入口代码，因为这是和 mbr 约定好的跳转地址。至于后面全部可以自由发挥和排布。

初始化 GDT 表

来到上面说的全局数据的定义部分，你可以跳过我加入的一些打印字符串信息，直接来到 GDT 的定义处。这里定义了 4 个 GDT entry，每个 entry 占了 8 个字节即 64 bits。关于 GDT 的含义和字段格式，可以参考这里，也可以参考我之前推荐的 JamesM's kernel development tutorials 。这些都是 x86 体系架构的历史包袱，我不想浪费笔墨再解释一遍，但是我们的代码必须实现并遵从它的法则。

GDT 第一个 entry 是保留项不做使用；第四个为显示器 video 内存段描述符，这个其实并不是必须的，你可以无视它；所以我们只需要关注第二和第三项即可，它们是：

  • 内核代码段（ kernel code ）描述符；
  • 内核数据段 （kernel data ）描述符；

我们用 dd 伪指令定义这两个段描述符（segment descriptor）：

CODE_DESC:
  dd DESC_CODE_LOW_32
  dd DESC_CODE_HIGH_32

DATA_DESC:
  dd DESC_DATA_LOW_32
  dd DESC_DATA_HIGH_32

DESC_CODE_LOW_32， DESC_CODE_HIGH_32，DESC_DATA_LOW_32，DESC_DATA_HIGH_32 都定义在了 src/boot/boot.inc 中，你可以对照上面给出的手册文档验证每一个 bit。还是那句话，这是一个枯燥、麻烦、细致但是绕不开的工作，没有什么难点，需要的是读文档手册的耐心。

为了照顾对汇编还不是很熟悉的同学，有必要将 dd 伪指令的作用解释一遍。dd 的意思是 define double (4-bytes)，与之类似的还有 db (byte)，dw (word, 2-bytes)，它们出现在汇编源代码里，就是指在编译后的二进制里，在该位置上写入后面所定义的数据内容。由此你可以再次体会一下汇编与编译后的二进制的关系，这几乎就是一种刻板的翻译而已。

进入保护模式

设置完 GDT 后，我们就可以进入保护模式：

; enable A20
in al, 0x92
or al, 0000_0010b
out 0x92, al

; load GDT
lgdt [gdt_ptr]

; open protection mode - set cr0 bit 0
mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax

; refresh pipeline
jmp dword SELECTOR_CODE:protection_mode_entry

注意这里使用了 lgdt 指令加载 GDT，并且打开了 cr0 寄存器的保护模式的 bit 位，正式进入保护模式。后面通过一个 far jump，将 cs 段寄存器初始化为 kernel code 段。注意 cs 寄存器的值不能直接通过 mov 指令设置，而是必须通过跳转语句隐式地被设置。

跳转后，接下来程序来到 protection_mode_entry 的执行，这里初始化了几个 kernel data 段寄存器：

protection_mode_entry:
  ; set data segments
  mov ax, SELECTOR_DATA
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov ss, ax

  ; set video segment
  mov ax, SELECTOR_VIDEO
  mov gs, ax

到此保护模式的初始化工作算是完成，然后就来到了 loader 的重点部分 setup_page 函数，开始建立 kernel 的虚拟内存，留待下一篇。

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