【译】保护模式

marsCatXDU_李经纬
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本文由 marsCatXDU 翻译，如有谬误，还请大神们多多指教

原文地址：wiki.osdev.org/Protected_M…

翻译的原文版本：20 September 2020, at 01:17.

保护模式

保护模式，是现代 Intel 处理器的主要操作模式，该模式最初在 16 位的 80286 上引入。在 80386 系列以及后续的产品中，32 位保护模式开始支持多种特性：

  • 支持多个虚拟地址空间，每个空间最多有 4GB 内存；
  • 允许系统强制使用严格内存模式、保护硬件 I/O ；
  • 通过引入 Rings 1来限制当前可用的指令种类

CPU 的初始化是由 BIOS 在实模式下开始的。启动保护模式才能释放 CPU 的真正力量。然而，保护模式却会防止用户使用绝大多数只工作在实模式下的 BIOS 中断（除非你自己写了一个 V86 monitor2）

译注：（总结、整理自 wiki.osdev.org 站内资料）

  1. Rings 是一种低层次的保护机制，其为程序提供一个保护层，允许为不同级别的进程提供不同的资源访问权限；
  2. V86 即 Virtual 8086 模式，其是保护模式的一个子模式，让 CPU 在保护模式下模拟 16位实机 的运行。Virtual Monitor 是用于在 V86 模式下控制任务的代码。

进入保护模式

在进入保护模式前，必须进行以下工作：

  • 关中断，也包括 NMI3 中的中断（Intel Developers Manual 建议的做法）；
  • 启动 A20总线4；
  • 使用段描述符载入全局描述符表5。这个段描述符应该是适合于代码、数据和栈的

译注：（总结、整理自 wiki.osdev.org 站内资料）

  1. NMI, Non Maskable Interrupt：NMI 是一个硬件驱动的中断，与 PIC 非常类似。但 NMI 既可以直接连到 CPU，也可以通过另一个控制器（如 ISP）连到 CPU
  2. A20总线：用于访问内存的地址线的第 21 根线。该线上有一个总能被软件开关的逻辑门，可以阻止或允许地址线收到 A20 的信号
  3. 全局描述符表（GDT，Global Descriptor Table）：用于 IA32 架构。其包含告诉 CPU 内存段相关信息的条目

CPU 处于的是实模式还是保护模式，是由 CR0 或 MSW 寄存器的最低一位决定的。

下面的例子将一个描述符表载入到处理器的 GDTR 寄存器中，并将 CR0 的最低位置 1

cli				; 关中断
lgdt [gdtr]		; 将全局描述符表起始地址加载到 GDTR 寄存器
mov eax, cr0	; cr0 送 eax
or al, 1		; eax 最低位置 1，即置位 CR0 的 PE(Protection Enable) 位
mov cr0, eax	; 最低位为 1 的值送 cr0

; 远跳到选择器(selector)08h
; (偏移到 GDT 中，指向一个 32位 PM 代码段描述符，将合适的 PM32 描述符加载进 CS )
jmp 08h:PModeMain

PModeMain:
; 加载 DS，ES，FS，GS，SS，ESP

译注：（总结、整理自网络资料）

  • CR0~4：控制寄存器，用于控制和确定处理器的操作模式及当前执行任务的特性。CR0 含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志。
  • MSW ：16 位机器状态字寄存器，从 80386 开始被 CR0~4 取代
  • LGDT、LIDT 仅能用于操作系统。是保护模式中能直接加载线性地址（即，非段相对地址）的指令。通常在实模式下运行，让 CPU 在切换到保护模式前进行初始化（摘自 blog.csdn.net/judyge/arti… ）

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