assembly - 使用 GDT 保护模式下的汇编器跳转

Question

我目前正在使用 x86 Assember，以提高我的低级编程技能。目前，我在 32 位保护模式下的寻址方案遇到了一个小问题。

情况如下:

我在 0x7e0 加载了一个程序，它将 CPU 切换到保护模式并跳转到代码中的相应标签:

[...]
code to switch CPU in Protected Mode
[...]

jmp ProtectedMode


[...]

bits 32

ProtectedMode:
    .halt:
        hlt
        jmp .halt

到目前为止，这工作得非常好。 “jmp ProtectedMode”无需显式远跳转即可清除预取队列 - 因为该程序以偏移量 0 加载(开头为 org 0) - 导致代码段指向正确的位置。

我现在的问题是，在“ProtectedMode”标签中，我想跳转到在 0x8000 处加载的另一个程序(我用内存转储检查了这一点，加载函数确实工作正常，并且程序加载正确到 0x8000)。

由于 CPU 现在处于保护模式而不是实模式，因此寻址模式有所不同。 ProtectedMode 使用描述符选择器在描述符表中查找基地址和限制，以添加给定的偏移量并检索物理地址(据我所知)。因此，在进入保护模式之前有必要安装一个GDT。

我的看起来像下面这样:

%ifndef __GDT_INC_INCLUDED__
%define __GDT_INC_INCLUDED__

;*********************************
;* Global Descriptor Table (GDT) *
;*********************************
NULL_DESC:
    dd 0            ; null descriptor
    dd 0

CODE_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10011010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

DATA_DESC:
    dw 0xFFFF       ; data descriptor
    dw 0            ; limit low
    db 0            ; base low
    db 10010010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

gdtr:
    Limit dw 24         ; length of GDT
    Base dd NULL_DESC   ; base of GDT

%endif ;__GDT_INC_INCLUDED__

并通过

加载到GDT寄存器

lgdt [gdtr]

到目前为止我不明白的是，现在如何使用 GDT 在 ProtectedMode 下跳转到物理地址 0x8000？

我的第一个想法是选择代码描述符(CODE_DESC)，它应该指向 0x7e00(当前程序已加载)并使用到达 0x8000(512 字节)所需的偏移量，从而产生跳转指令:

jmp CODE_DESC:0x200

但这不起作用。

jmp 0x7e0:0x200 

也不起作用...

你知道我在这里缺少什么吗？也许我不理解 32 位保护模式寻址方案中的一些基本内容以及 GDT 的用法。

[编辑]完整代码:

bits 16
org 0                       ; loaded with offset 0000 (phys addr: 0x7e00)

jmp Start

Start:
    xor ax, ax
    mov ax, cs
    mov ds, ax              ; update data segment

    cli                     ; clear interrupts

    lgdt [gdtr]             ; load GDT from GDTR (see gdt_32.inc)

    call OpenA20Gate        ; open the A20 gate 

    call EnablePMode        ; jumps to ProtectedMode

;******************
;* Opens A20 Gate *
;******************
OpenA20Gate:
    in al, 0x93         ; switch A20 gate via fast A20 port 92

    or al, 2            ; set A20 Gate bit 1
    and al, ~1          ; clear INIT_NOW bit
    out 0x92, al

    ret

;**************************
;* Enables Protected Mode *
;**************************
EnablePMode:
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    jmp ProtectedMode ; this works (jumps to label and halts)
    ;jmp (CODE_DESC-NULL_DESC):ProtectedMode ; => does not work
    ;jmp 08h:ProtectedMode , => does not work

;***************
;* data fields *
;*  &includes  *
;***************
%include "gdt_32.inc"

;******************
;* Protected Mode *
;******************
bits 32

ProtectedMode:
    ;here I want to jump to physical addr 0x8000 (elf64 asm program)

    .halt:
        hlt
        jmp .halt

Answer 1

代码中存在多个问题。

首先，您的 GDTR.Base 包含 GDT 从代码开头的偏移量，因为您的代码被编译为从地址 0 开始(因为 org 0)。基地址必须是物理地址，而不是相对地址。 IOW，如果您保留此 org 0，则必须将 CS*16 (=0x7e00) 添加到 Base。

其次，由于相同的 org 0，代码中的 32 位偏移量(在 bits 32 和 ProtectedMode: 之后)是不等于它们对应的物理地址，它们比物理地址小0x7e00。 OTOH，GDT 中定义的段从物理地址 0 开始(因为 GDT 条目的基址部分是 0)，而不是从 0x7e00 开始。这意味着当您尝试将这些段与代码/数据一起使用时，您将丢失 0x7e00 处的地址。如果要保留org 0，GDT中的基地址必须设置为0x7e00。

或者您可以将org 0更改为org 0x7e00，然后GDT中的基数应该为0。并且您不需要将GDTR.Base调整0x7e00 , 0 即可。

这应该有效:

bits 16
org 0x7e00                  ; loaded at phys addr 0x7e00
                            ; control must be transferred with jmp 0:0x7e00

    xor ax, ax
    mov ds, ax              ; update data segment

    cli                     ; clear interrupts

    lgdt [gdtr]             ; load GDT from GDTR (see gdt_32.inc)

    call OpenA20Gate        ; open the A20 gate 

    call EnablePMode        ; jumps to ProtectedMode

;******************
;* Opens A20 Gate *
;******************
OpenA20Gate:
    in al, 0x93         ; switch A20 gate via fast A20 port 92

    or al, 2            ; set A20 Gate bit 1
    and al, ~1          ; clear INIT_NOW bit
    out 0x92, al

    ret

;**************************
;* Enables Protected Mode *
;**************************
EnablePMode:
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    jmp (CODE_DESC - NULL_DESC) : ProtectedMode

;***************
;* data fields *
;*  &includes  *
;***************
;%include "gdt_32.inc"
;*********************************
;* Global Descriptor Table (GDT) *
;*********************************
NULL_DESC:
    dd 0            ; null descriptor
    dd 0

CODE_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10011010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

DATA_DESC:
    dw 0xFFFF       ; limit low
    dw 0            ; base low
    db 0            ; base middle
    db 10010010b    ; access
    db 11001111b    ; granularity
    db 0            ; base high

gdtr:
    Limit dw gdtr - NULL_DESC - 1 ; length of GDT
    Base dd NULL_DESC   ; base of GDT

;******************
;* Protected Mode *
;******************
bits 32

ProtectedMode:
    mov     ax, DATA_DESC - NULL_DESC
    mov     ds, ax ; update data segment

    .halt:
        hlt
        jmp .halt

请注意，段限制等于段大小减 1。

还有几点...使用有效选择器或 0 加载所有段寄存器。此外，设置堆栈。如果那里有垃圾(或实模式中的旧值)，当您开始使用中断/异常时，将会发生更多崩溃。

最后，我不知道 elf64 是什么，但您必须处理其他模块的 org 内容，并确保所有生成的地址都对应于加载地址。如果您打算启用 64 位模式，则需要做大量工作。我建议您不要急于进入 64 位模式，因为您会被相对简单的东西绊倒。