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艾恩凝

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硬件知识

4.1）CPU工作模式

4.1.1）实模式

实模式，又叫实地址模式。运行真实的指令，直接执行指令的真实功能，发向内存的地址是真实的，并且不加限制。

4.1.1.1）实模式寄存器

4.1.1.2）实模式访问内存

代码段CS IP段，栈段SS SP段

4.1.1.3）实模式中断

1、硬件中断，中断控制器发送给CPU一个信号，CPU对信号做出应答，然后中断控制器会将中断号发送给CPU

2、软件中断，CPU执行INT指令 int 21h ，后面是软中断号

4.1.2）保护模式

简言之，就是随着规模不断增加，计算量，内存等需求更大。

内存大了，解决寻址问题，16位只能2的16次方个地址，那么32位的就出现了

另一方面，指令不加区分，对内存访问的地址不加限制

4.1.2.1）保护模式寄存器

4.1.2.2）保护模式特权级

R0-R3，为了区分指令和资源，R0可以执行任何指令，并以此递减。

4.1.2.3）保护模式的段描述符

多个段描述符在内存中形成全局段描述符表，该表的基地址和长度由 CPU 和 GDTR 寄存器指示。如下图所示。

段寄存器中不再存段基地址，而是具体段描述符的索引，访问一个内存地址时，段寄存器中的索引首先会结合 GDTR 寄存器找到内存中的段描述符，再根据其中的段信息判断能不能访问成功。

4.1.3.4）保护模式段选择子

上图是段选择器中的内容，影子寄存器是靠硬件来操作的，对系统程序员不可见，是硬件为了减少性能损耗而设计的一个段描述符的高速缓存，不然每次内存访问都要去内存中查表，那性能损失是巨大的，影子寄存器也正好是 64 位，里面存放了 8 字节段描述符数据。

CPL:当前权限级别

RPL:请求权限级别

DPL:描述符权限级别

看别人的描述怎么就这么晦涩难懂呢，CPL是你的权限，RPL是你要请求的权限级别，一般是CPL=RPL，也可以CPL<RPL,毕竟就四个权限级别，但是如果 CPL > DPL,那么CPU就禁止你访问了，权限不够。

4.1.2.5）保护模式平坦模型

可以看4.1.7中的段描述符，CPU 32 位的寄存器最多只能产生 4GB 大小的地址，而一个段长度也只能是 4GB，所以我们把所有段的基地址设为 0，段的长度设为 0xFFFFF，段长度的粒度设为 4KB，这样所有的段都指向同一个（0~4GB-1）字节大小的地址空间。

 1GDT_START:
 2knull_dsc: dq 0
 3;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
 4kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
 5;段基地址=0，段长度=0xfffff
 6;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0 
 7;P=1,DPL=0,S=1
 8;T=1,C=1,R=1,A=0
 9kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
10;段基地址=0，段长度=0xfffff
11;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0 
12;P=1,DPL=0,S=1
13;T=0,C=0,R=1,A=0
14GDT_END:
15
16GDT_PTR:
17GDTLEN  dw GDT_END-GDT_START-1
18GDTBASE  dd GDT_START

如果想真的弄明白，就要仔细读上面的汇编代码。

4.1.2.6）保护模式中断

保护模式中断，不像实模式下，不做权限检查，直接通过中断向量表中的值装载就好了。

保护模式下的中断要权限检查，还有特权级的切换，所以就需要扩展中断向量表的信息，即每个中断用一个中断门描述符来表示，也可以简称为中断门，中断门描述符依然有自己的格式。

产生中断后，CPU 首先会检查中断号是否大于最后一个中断门描述符，x86 CPU 最大支持 256 个中断源（即中断号：0~255），然后检查描述符类型（是否是中断门或者陷阱门）、是否为系统描述符，是不是存在于内存中。

接着，检查中断门描述符中的段选择子指向的段描述符。

最后做权限检查，如果 CPL 小于等于中断门的 DPL，并且 CPL 大于等于中断门中的段选择子所指向的段描述符的 DPL，就指向段描述符的 DPL。（这里权限不够，所以指向DPL）

进一步的，CPL 等于中断门中的段选择子指向段描述符的 DPL，则为同级权限不进行栈切换，否则进行栈切换。如果进行栈切换，还需要从 TSS 中加载具体权限的 SS、ESP，当然也要对 SS 中段选择子指向的段描述符进行检查。（简单说TSS段就是提权时会用到）

做完这一系列检查之后，CPU 才会加载中断门描述符中目标代码段选择子到 CS 寄存器中，把目标代码段偏移加载到 EIP 寄存器中。

注：此处有些知识模糊，TSS段

4.1.2.7）保护模式切换

第一步，准备全局段描述符表

1GDT_START:
2knull_dsc: dq 0
3kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
4kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
5GDT_END:
6GDT_PTR:
7GDTLEN  dw GDT_END-GDT_START-1
8GDTBASE  dd GDT_START

第二步，加载设置 GDTR 寄存器，使之指向全局段描述符表。

1lgdt [GDT_PTR]

第三步，设置 CR0 寄存器，开启保护模式。

1;开启 PE
2mov eax, cr0
3bts eax, 0 ; CR0.PE =1
4mov cr0, eax

第四步，进行长跳转，加载 CS 段寄存器，即段选择子。jmp dword 0x8 :_32bits_mode ;_32bits_mode为32位代码标号即段偏移。

4.1.3）长模式

长模式又名 AMD64，因为这个标准是 AMD 公司最早定义的，它使 CPU 在现有的基础上有了 64 位的处理能力，既能完成 64 位的数据运算，也能寻址 64 位的地址空间。这在大型计算机上犹为重要，因为它们的物理内存通常有几百 GB。

4.1.3.1）长模式寄存器

4.1.3.2）长模式段描述符

当描述符中的 L=1，D/B=0 时，就是 64 位代码段，DPL 还是 0~3 的特权级。然后有多个段描述在内存中形成一个全局段描述符表，同样由 CPU 的 GDTR 寄存器指向。

4.1.3.3）长模式中断

首先为了支持 64 位寻址中断门描述符在原有基础上增加 8 字节，用于存放目标段偏移的高 32 位值。其次，目标代码段选择子对应的代码段描述符必须是 64 位的代码段。最后其中的 IST 是 64 位 TSS 中的 IST 指针，因为我们不使用这个特性，所以不作详细介绍。

长模式也同样在内存中有一个中断门描述符表，只不过表中的条目（如上图所示）是 16 字节大小，最多支持 256 个中断源，对中断的响应和相关权限的检查和保护模式一样，这里不再赘述。

4.1.3.4）长模式切换

第一步，准备长模式全局段描述符表。

1ex64_GDT:
2null_dsc:  dq 0
3;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
4c64_dsc:dq 0x0020980000000000  ;64位代码段
5d64_dsc:dq 0x0000920000000000  ;64位数据段
6eGdtLen   equ $ - null_dsc  ;GDT长度
7eGdtPtr:dw eGdtLen - 1  ;GDT界限
8     dq ex64_GDT

第二步，准备长模式下的 MMU 页表,切换到长模式必须要开启分页

1mov eax, cr4
2bts eax, 5   ;CR4.PAE = 1
3mov cr4, eax ;开启 PAE
4mov eax, PAGE_TLB_BADR ;页表物理地址
5mov cr3, eax

第三步，加载 GDTR 寄存器，使之指向全局段描述表：

1lgdt [eGdtPtr]

第四步，开启长模式，要同时开启保护模式和分页模式，在实现长模式时定义了 MSR 寄存器，需要用专用的指令 rdmsr、wrmsr 进行读写，IA32_EFER 寄存器的地址为 0xC0000080，它的第 8 位决定了是否开启长模式。

 1;开启 64位长模式
 2mov ecx, IA32_EFER
 3rdmsr
 4bts eax, 8  ;IA32_EFER.LME =1
 5wrmsr
 6;开启 保护模式和分页模式
 7mov eax, cr0
 8bts eax, 0    ;CR0.PE =1
 9bts eax, 31
10mov cr0, eax

第五步，进行跳转，加载 CS 段寄存器，刷新其影子寄存器。

1jmp 08:entry64 ;entry64为程序标号即64位偏移地址

切换到长模式和切换保护模式的流程差不多，只是需要准备的段描述符有所区别，还有就是要注意同时开启保护模式和分页模式。

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    吾心信其可行，
          则移山填海之难，
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