关于操作系统:从零开始写-OS-内核-GDT-与保护模式

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序篇
筹备工作
BIOS 启动到实模式
GDT 与保护模式
加载并进入 Kernel
显示与打印
GDT 和 IDT，中断解决
关上虚拟内存
实现堆和 malloc
创立第一个内核线程
多线程运行与切换
锁与多线程同步
过程的实现
进入用户态
一个简略的文件系统
加载可执行程序
零碎调用的实现
键盘驱动
运行 shell

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：

目前只须要关注 1MB 一下的内存散布，次要是黄色 mbr 和蓝色 loader 局部。上一篇中曾经将 mbr 加载到内存，并且程序流通过 mbr 最初一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR (0x8000) 曾经执行到了 loader 的入口处，接下来就须要将 loader 实现。

总的来说，loader 的工作次要有以下几项：

建设 GDT（Global Descriptor Table），初始化内核代码和数据段寄存器（segment registers），率领 CPU 进入保护模式（protection mode）；
建设 kernel 页目录（page directory）和页表（page tables），关上虚拟内存（virtual memory），进入 paging 模式；
加载 kernel 镜像到内存，而后进入到 kernel 代码执行，至此零碎的控制权转交到了 kernel；

能够看到 loader 的工作是比拟多的，并且曾经波及到了 x86 体系架构中的一些外围局部，因而为了读懂并实现 loader，你必须做好以下的常识筹备：

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局的文件；

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

这个源代码曾经比拟多了，尤其是它还是汇编写成的，而且代码里还蕴含了很多工具函数和打印相干的函数。为了防止陷入凌乱，这里抽取出几个最重要的要害节点（函数），别离代表了下面所述的 loader 须要做的几项工作：

# 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

接下来咱们一个一个实现这些性能。本篇咱们首先初始化 GDT，进入 32-bit 保护模式 。

在开始之前，咱们首先看 loader 的开始局部的代码，和 mbr 一样，这里依然首先定义了 loader 编码的起始内存地址，为 0x8000，这是因为咱们事后设计好了，mbr 会将 loader 从磁盘上加载到内存 0x8000 地位处并跳转过来，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，它是一个简略的跳转，咱们跳到了 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形式不相熟，可能会感觉奇怪，为什么要 jmp 一下，两头跳过的局部是什么？答案是，两头是咱们要定义的数据局部，相似于 .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。

你可能曾经意识到了，汇编源代码里的指令和数据局部是能够自在混淆排布的，而且最终编译进去的二进制里它们排布程序齐全遵循源代码的排布。所以你能够任意安顿你的指令和数据所处的地位，只有指令流能顺利地流转和执行上来，不至于跑飞就行。当然，整个 loader 的起始地位，即 0x8000 处必须是入口代码，因为这是和 mbr 约定好的跳转地址。至于前面全副能够自由发挥和排布。

来到下面说的全局数据的定义局部，你能够跳过我退出的一些打印字符串信息，间接来到 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 bytes。对于 GDT 的含意和字段格局，能够参考这里，也能够参考我之前举荐的 JamesM’s kernel development tutorials。这些都是 x86 体系架构的历史包袱，我不想节约笔墨再解释一遍，然而咱们的代码必须实现并听从它的法令。

GDT 第一个 entry 是保留项不做应用；第四个为显示器 video 内存段描述符，这个其实并不是必须的，你能够忽视它；所以咱们只须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；

咱们用 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，你能够对照下面给出的手册文档验证每一个 bit。还是那句话，这是一个干燥、麻烦、粗疏然而绕不开的工作，没有什么难点，须要的是读文档手册的急躁。

设置完 GDT 后，咱们就能够进入保护模式：

; 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

留神这里应用了 lgdt 指令加载 GDT，并且关上了 cr0 寄存器的保护模式的 bit 位，正式进入保护模式。前面通过一个 far jump，将 cs 段寄存器初始化为 kernel code 段。留神 cs 寄存器的值不能间接通过 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

而后就来到了 loader 的重点局部 setup_page 函数，开始建设 kernel 的虚拟内存，留待下一篇。

正文完