x86 - 为实模式设置分页到 64 位长模式切换

Question

我正在尝试使用 NASM 编写引导加载程序，结果我发现 OSDEV 非常有用。然而，在设置分页、加载我的 GDT 或转换(我直接来自实模式)过程中的某处，出现导致机器重新启动的错误。我的代码基于 Long mode OSDEV article .这就是我所拥有的对问题很重要的内容:

广东话

gdt_start:

.gdt_null: equ $-gdt_start      ; mandatory null descriptor
  dw 0
  dw 0
  db 0                         ; define double word
  db 0
  db 0
  db 0

.gdt_code: equ $-gdt_start      ; code segment
                               ; base = 0x0, limif = 0xffff
                               ; 1st flags: (present)1 (privilege)00 (descriptor type)1 -> 1001
                               ; type flags: (code)1 (conforming)0 (readable)1 (accessed)0 -> 1010
                               ; 2nd flags: (granularity)1 (32 bit default)1 (64 bit seg)0 (AVL)0 -> 1100
  dw 0                         ; limit (0-15)
  dw 0                         ; base (0-15)
  db 0                         ; base (16-23)
  db 10011010b                 ; 1st/type flags
  db 00100000b                 ; 2nd flags, limit (16-19)
  db 0                         ; base (bits 24-31)

.gdt_data: equ $-gdt_start      ; data segment descriptor
                ; type flags (code)0 (expand down)0 (writable)1 (accessed)0 -> 0010
  dw 0                         ; limit
  dw 0                         ; base
  db 0                         ; base
  db 10010010b                 ; 1st/type flags
  db 00000000b                 ; 2nd flags, limit
  db 0                         ; base

gdt_end:

gdt_descriptor:
  dw gdt_end - gdt_start - 1   ; size of GDT

  dq gdt_start

CODE_SEG equ gdt_start.gdt_code
DATA_SEG equ gdt_start.gdt_data

分页和切换:

%include "gdt.ns"

;test/enable A20 line
call test_a20
fin:

cmp ax, 1
je enabled

call enable_A20

enabled:

;switch
call switch_to_lm
jmp $

switch_to_lm:
;
; SET UP PAGING!!!!!
;

;no previous paging defined so the below code is unnecessary
;mov eax, cr0
;and eax, 01111111111111111111111111111111b
;mov cr0, eax

;clear tables
mov edi, 0x1000
mov cr3, edi
xor eax, eax
mov ecx, 4096
rep stosd
mov edi, cr3

;set up new tables
mov DWORD [edi], 0x2003
add edi, 0x1000
mov DWORD [edi], 0x3003
add edi, 0x1000
mov DWORD [edi], 0x4003
add edi, 0x1000

mov ebx, 0x00000003
mov ecx, 512

.setEntry:
  mov DWORD [edi], ebx
  add ebx, 0x1000
  add edi, 8
  loop .setEntry

;enable PAE bit in CR4
mov eax, cr4
or eax, 1<<5
mov cr4, eax

;switch from REAL MODE
;set long mode bit
mov ecx, 0xc0000080
rdmsr
or eax, 1<<8
wrmsr

;enable paging
mov eax, cr0
or eax, 1<<31
mov cr0, eax

lgdt [gdt_descriptor]
jmp CODE_SEG:init_lm

[bits 64]

init_lm:

  cli
  mov ax, DATA_SEG
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax
  mov gs, ax
  mov ss, ax

  mov ebp, 0x90000
  mov esp, ebp

  call BEGIN_LM

我的 A20 测试代码:

test_a20:
  pushf
  push ds
  push es
  push di
  push si

  cli

  xor ax, ax
  mov es, ax

  not ax
  mov ds, ax

  mov di, 0x0500
  mov si, 0x0510

  mov al, byte [es:di]
  push ax

  mov byte [es:di], 0x00
  mov byte [ds:si], 0xff

  cmp byte [es:di], 0xff

  pop ax
  mov byte [ds:si], al

  pop ax
  mov byte [es:di], al

  mov ax, 0
  je test_exit

  mov ax, 1

test_exit:
  pop si
  pop di
  pop es
  pop ds
  popf

  jmp fin

Answer 1

在您的代码中，test_a20 函数有问题。特别是你有这段代码:

mov al, byte [es:di]
push ax

mov byte [es:di], 0x00
mov byte [ds:si], 0xff

cmp byte [es:di], 0xff

pop ax
mov byte [ds:si], al

pop ax
mov byte [es:di], al

您似乎将 AX 的一个值压入堆栈，然后弹出 2 个值。这会弄乱堆栈，寄存器将被错误地恢复，包括 DS 和标志。看来您可能一直在尝试通过不使用 ret 返回来规避此错误。相反，您使用 jmp fin 跳转到 call test_a20 指令之后的某个点。

看来您正在尝试使用 A20 test code from OSDEV Wiki .您会注意到您缺少这些行:

mov al, byte [ds:si]
push ax

如果您修改 test_a20 函数以添加缺失的行并使用 ret，它应该如下所示:

test_a20:
  pushf
  push ds
  push es
  push di
  push si

  cli

  xor ax, ax
  mov es, ax

  not ax
  mov ds, ax

  mov di, 0x0500
  mov si, 0x0510

  mov al, byte [es:di]
  push ax

  mov al, byte [ds:si]
  push ax

  mov byte [es:di], 0x00
  mov byte [ds:si], 0xff

  cmp byte [es:di], 0xff

  pop ax
  mov byte [ds:si], al

  pop ax
  mov byte [es:di], al

  mov ax, 0
  je test_exit

  mov ax, 1

test_exit:
  pop si
  pop di
  pop es
  pop ds
  popf
  ret

此更改应解决 DS 寄存器被破坏以及页面写入代码中的后续内存访问无法正常工作的问题。您还必须修改页面启用代码以启用保护模式。这段代码:

;enable paging
mov eax, cr0
or eax, 1<<31
mov cr0, eax

应该是:

;enable paging
mov eax, cr0
or eax, (1<<31) | (1<<0)
mov cr0, eax

通过这些更改，您应该能够进入 64 位长模式。