assembly - 保护模式下无法设置 GS 寄存器

Question

我正在根据OSDev Wiki中的信息编写一个操作系统。以及一些相关书籍。我发现跳入保护模式后，段初始化例程没有正确执行。这是我的第二阶段加载器和内核代码:

; stage2
; still -f bin
[org 0xd200] ; calculated by first stage loader

; GDTs are defined here
jmp entry

GDT_DESC_START:

GDT0:
dw 0 ; Limit 0~15
dw 0 ; Base 0~15
db 0 ; Base 16~23
db 0 ; Access Byte
db 0 ; Limit 16~19 + Flags
db 0 ; Base 24~31

DESCRIPTOR_CODE:
dw 0xffff ; Limit 0~15
CODE_BASE_AX dw 0 ; Base 0~15
CODE_BASE_EAHL db 0 ; Base 16~23
db 0x9a ; 1001 1011 - Vaild, ring 0, executable, strict, readable,
; accessed
db 0x9f; 1100 1111 - paging, 32-bit
CODE_BASE_EAHH db 0 ; Base 24~31

DESCRIPTOR_DATA: 
dw 0xffff ; Limit 0~15
dw 0x0000 ; Base 0~15
db 0x00 ; Base 16~23
db 0x92 ; 1001 0011 - vaild, ring 0, data, forward, writable, accessed
db 0x9F ; 1100 1111 - 4KB, 32-bits
db 0x0 ; Base 24~31

; Note that in further development, VRAM descriptor should be
; created dynamically
; Base = 0x000b8000
DESCRIPTOR_VIDEO:
dw 0xffff
dw 0x8000
db 0x0b
db 0x92
db 0x4F
db 0x00

GDT_DESC_END:

GDTR0:
        dw GDT_DESC_END - GDT_DESC_START - 1
        dd GDT_DESC_START

SELECTOR_CODE equ DESCRIPTOR_CODE - GDT0
SELECTOR_DATA equ DESCRIPTOR_DATA - GDT0
SELECTOR_VIDEO equ DESCRIPTOR_VIDEO - GDT0

; --- code ------------

[bits 16]

entry:

cli
; open a20 gate
in al, 0x92
or al, 0x02
and al, ~1
out 0x92, al
; goto protected mode
; rewrite code descriptor
xor eax, eax
mov eax, entry_32
mov [CODE_BASE_AX], ax
shr eax, 16
mov [CODE_BASE_EAHH], ah
mov [CODE_BASE_EAHL], al
; load the gdt
lgdt [GDTR0]
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
jmp dword SELECTOR_CODE:0 ; -> protected mode!!!

[bits 32]
entry_32:
mov ax, SELECTOR_DATA
mov ds, ax
mov ss, ax
mov ax, SELECTOR_VIDEO
mov gs, ax

; print a 'P'
xor ax, ax
mov edi, 0
mov ah, 0x07
mov al, 'P'
mov [gs:edi], ax

.sleep:
        hlt
        jmp .sleep

P 没有打印在屏幕上，我发现 GS=0 而不是 GS=0x18。 P 被写入线性地址0x0。奇怪的是，HLT 循环工作正常。我是 x86 汇编的新手，所以我不知道问题出在哪里。代码有什么问题吗？如何解决？

Answer 1

潜在的错误

我相信您的大部分问题都源于您的一些 GDT descriptors 中的标志问题。 。在 CODE 描述符表中，您有:

db 0x9a ; 1001 1011 - Vaild, ring 0, executable, strict, readable,
db 0x9f ; 1100 1111 - paging, 32-bit

应该是:

db 0x9a ; 1001 1010 - Valid, ring 0, executable, strict, readable,
db 0xcf ; 1100 1111 - paging, 32-bit

特别是1100 1111是0xcf，而不是0x9f。您还可以使用二进制值定义数据库，例如:

db 10011010b  ; Valid, ring 0, executable, strict, readable,
db 11001111b  ; paging, 32-bit

通过这种方式使用二进制值可以减少出错的可能性并且更具可读性。

在您的数据描述符中:

db 0x92 ; 1001 0011 - vaild, ring 0, data, forward, writable, accessed
db 0x9F ; 1100 1111 - 4KB, 32-bits

我认为应该是:

db 10010010b  ; valid, ring 0, data, forward, writable, accessed
db 11001111b  ; 4KB, 32-bits

您的0x9F应该是0xCF (11001111)

<小时/>

其他注意事项

进入保护模式后最好设置SS:ESP。像这样的代码可以工作:

mov es, ax                       ; Set ES as well
mov ss, ax
mov esp,0x90000                  ; We should specify a stack pointer
cld                              ; Set direction flag forward

0x90000 可以是任何有效的线性地址。由于一些指令如 MOVSB需要设置ES，最好设置ES=DS。如果您使用任何需要方向标志的指令，最好显式设置它。大多数代码假设可以使用 CLD 设置向前移动。说明。

作为实验，您可以添加此代码来显示内存中的字符串。这将测试为 DS 生成的偏移量是否按预期工作；并测试 GS 段是否指向位于 0xb8000 的彩色文本视频内存的基址。

; print "Hello, World!"
xor ax, ax
mov edi, 0
mov ecx, 0
mov ah, 0x07

; Display a nul terminated string from a variable to video memory
; using a character attribute in AH
strloop:
mov al, [mystr+ecx]
test al,al
je .endstrloop
mov [gs:edi+ecx*2], ax
inc ecx
jmp strloop
.endstrloop:

<小时/>

修改后的代码

修改后的 stage2 代码可能如下所示:

; stage2
; still -f bin
[org 0xd200] ; calculated by first stage loader

; GDTs are defined here
jmp entry

GDT_DESC_START:

GDT0:
dw 0 ; Limit 0~15
dw 0 ; Base 0~15
db 0 ; Base 16~23
db 0 ; Access Byte
db 0 ; Limit 16~19 + Flags
db 0 ; Base 24~31

DESCRIPTOR_CODE:
dw 0xffff ; Limit 0~15
CODE_BASE_AX dw 0 ; Base 0~15
CODE_BASE_EAHL db 0 ; Base 16~23
db 10011010b ; Valid, ring 0, executable, strict, readable,
; accessed
db 11001111b ; paging, 32-bit
CODE_BASE_EAHH db 0 ; Base 24~31

DESCRIPTOR_DATA:
dw 0xffff ; Limit 0~15
dw 0x0000 ; Base 0~15
db 0x00 ; Base 16~23
db 10010010b ; valid, ring 0, data, forward, writable, accessed
db 11001111b ; 4KB, 32-bits
db 0x0 ; Base 24~31

; Note that in further development, VRAM descriptor should be
; created dynamically
; Base = 0x000b8000
DESCRIPTOR_VIDEO:
dw 0xffff
dw 0x8000
db 0x0b
db 0x92
db 0x4F
db 0x00

GDT_DESC_END:

GDTR0:
        dw GDT_DESC_END - GDT_DESC_START - 1
        dd GDT_DESC_START

SELECTOR_CODE equ DESCRIPTOR_CODE - GDT0
SELECTOR_DATA equ DESCRIPTOR_DATA - GDT0
SELECTOR_VIDEO equ DESCRIPTOR_VIDEO - GDT0

; --- code ------------

[bits 16]

entry:

cli
; open a20 gate
in al, 0x92
or al, 0x02
and al, ~1
out 0x92, al

; goto protected mode
; rewrite code descriptor
xor eax, eax
mov eax, entry_32
mov [CODE_BASE_AX], ax
shr eax, 16
mov [CODE_BASE_EAHH], ah
mov [CODE_BASE_EAHL], al

; load the gdt
lgdt [GDTR0]
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
jmp dword SELECTOR_CODE:0x0      ; -> protected mode!!!

[bits 32]
entry_32:

mov ax, SELECTOR_DATA
mov ds, ax
mov es, ax                       ; Set ES as well
mov ss, ax
mov esp,0x90000                  ; We should specify a stack pointer
mov ax, SELECTOR_VIDEO
mov gs, ax
cld                              ; Set direction flag forward

; print "Hello, World!"
xor ax, ax
mov edi, 0
mov ecx, 0
mov ah, 0x07

; Display a nul terminated string from a variable to video memory
; using a character attribute in AH
strloop:
mov al, [mystr+ecx]
test al,al
je .endstrloop
mov [gs:edi+ecx*2], ax
inc ecx
jmp strloop
.endstrloop:

.sleep:
        hlt
        jmp .sleep

mystr: db "Hello, World!",0

虽然您的问题没有第一阶段，但我为可能希望测试的读者提供了一个简单的阶段:

[BITS 16]
org 0x7C00

        STAGE2OFFSET equ 0xd200

start:
        ; This section of code is added based on Michael Petch's bootloader tips
        ; See http://stackoverflow.com/a/32705076/3857942
        xor ax,ax          ; We want a segment of 0 for DS for this question
        mov ds,ax          ;     Set AX to appropriate segment value for your situation
        mov es,ax          ; In this case we'll default to ES=DS
        mov bx,0x7c00      ; Stack segment can be any usable memory

        cli                ; Disable interrupts to circumvent bug on early 8088 CPUs
        mov ss,ax      
        mov sp,bx          ; This places top of the stack @ 0x0000:0x7c00
                           ;    just below the bootsector.
        sti                ; Re-enable interrupts
        cld                ; Set the direction flag to be positive direction

        mov ah, 0x02       ; Read sectors from drive
        mov al, 4          ; Read 4 sectors
        mov ch, 0          ; Cylinder 0
        mov cl, 2          ; Sector 2
        mov dh, 0          ; Head 0
        xor bx, bx
        mov es, bx
        mov bx, STAGE2OFFSET    ; ES:BX = 0x0000:0xd200 (start of memory to read into)
        int 0x13

        jmp 0x0000:STAGE2OFFSET ; Far Jump to second stage. Sets CS=0

times   510-($-$$) db 0         ; Create padding to fill out to 510 bytes
dw      0xaa55                  ; Magic number in the trailer of a boot sector

可以使用以下命令将这些文件组装并构建到磁盘镜像中:

dd if=/dev/zero of=floppy.img bs=1024 count=1440
nasm -f bin bootload.asm -o bootload.bin
nasm -f bin stage2.asm -o stage2.bin

dd if=bootload.bin of=floppy.img conv=notrunc
dd if=stage2.bin of=floppy.img bs=512 seek=1 conv=notrunc

<小时/>

代码段推荐

虽然您设置 CODE 描述符的方式可行，但另一种选择是使用基数为零。这可以通过以下方式完成:

• 删除这些行:

; rewrite code descriptor
xor eax, eax
mov eax, entry_32
mov [CODE_BASE_AX], ax
shr eax, 16
mov [CODE_BASE_EAHH], ah
mov [CODE_BASE_EAHL], al

• 修改 ptr16:32 FAR JMP 以使用 entry_32 的偏移量:

jmp dword SELECTOR_CODE:entry_32 ; -> protected mode!!!

我们只是使用描述符基数 0，而不是使用 0 偏移量和非零描述符基数。然后我们可以使用 ptr16:32 FAR JMP 的标签 entry_32 的偏移量。 。通过保持 CS=DS=ES=SS，您可以使用从以下位置开始的 4gb 线性地址空间来简化代码: 0. 保持一致可以避免将来潜在的编码错误。