操作系统编写 -- 进入保护模式

素颜马尾好姑娘i 2022-10-29 06:26 158阅读 0赞

# 操作系统编写 – 进入保护模式 #

进入保护模式，是操作系统必行的一关，今天抽出一点时间，将这个巨大的bug给大家揪出来。  
话说我在进入保护模式的时候碰到了一堆bug，调试了几天几夜也没有成果，几乎被气坏了，我写操作系统是跟着一本书学的，结果我几乎不照着书上的代码写，自己写了一通，完全达不到效果。于是我把书上的代码复制了下来，一试居然书上的代码大错特错，完全没有达到效果，一闪一闪的，退回了BIOS界面。  
为了解决这个问题，我翻了好多资料，终于找到方法了，现在跟大家讲一讲怎么进入保护模式。

## 具体代码 ##

**MBR**  
boot.asm

section MBR vstart=0x7c00:  ;从BIOS进入MBR
    	mov ax, cs  ;cs=0, ax=cs=0
    	mov ds, ax  ;ds=es=fs=ss=ax=0
    	mov es, ax
    	mov fs, ax
    	mov ss, ax
    	mov sp, 0x7c00  ;sp=0x7c00，0x7c00是BIOS的起始地址
    	mov ax, 0xb800  ;ax=0xb800，0xb800是文字显存的起始地址
    	mov gs, ax  ;gs=ax=0xb800
    	
    	;清屏
    	mov ax, 0600h
    	mov bx, 0700h
    	mov cx, 0
    	mov dx, 184fh
    	
    	int 10h  ;调用BIOS中断
    	
    	;输出hello
    	mov byte [gs:0x00], 'h'
    	mov byte [gs:0x02], 'e'
    	mov byte [gs:0x04], 'l'
    	mov byte [gs:0x06], 'l'
    	mov byte [gs:0x08], 'o'
    	
    	LOADER_START_SECTOR equ 0x2
    	LOADER_BASE_ADDR equ 0x900
    	
    	mov eax, LOADER_START_SECTOR  ;加载器的起始扇区
    	mov bx, LOADER_BASE_ADDR  ;加载器的起始地址
    	mov cx, 4  ;要读取的扇区
    	call read_loader  ;读取加载器
    	
    	jmp LOADER_BASE_ADDR  ;跳转到加载器
    
    read_loader:  ;读取加载器
    	mov esi, eax  ;备份eax
    	mov di, cx  ;备份cx
    	
    	mov dx, 0x1f2  ;存入要读的扇区数
    	mov al, cl  ;将cl（要读的扇区数）的值存入al
    	out dx, al  ;写入0x1f2
    	
    	mov eax, esi  ;恢复eax中的数据
    	
    	mov dx, 0x1f3  ;操作LBA低8位的端口
    	out dx, al  ;写入LBA低八位
    	
    	mov cl, 8  ;将8存入cl
    	shr eax, cl  ;将eax右移8位
    	mov dx, 0x1f4  ;操作LBA中8位的端口
    	out dx, al  ;写入0x1f4
    	
    	shr eax, cl  ;将eax右移八位
    	mov dx, 0x1f5  ;操作LBA高8位的端口
    	out dx, al  ;写入0x1f5
    	
    	shr eax, cl  ;将eax右移8位
    	and al, 0x0f  ;与命令
    	or al, 0xe0  ;或命令
    	
    	mov dx, 0x1f6  ;操作设备的端口
    	out dx, al  ;写入0x1f6
    	
    	mov dx, 0x1f7  ;命令端口
    	mov al, 0x20  ;写入读取指令（0x20）
    	out dx, al  ;写入命令
    	
    	.while_not_ready:  ;当硬盘没有准备好的时候
    		nop  ;什么都不做
    		in al, dx  ;读取dx（0x1f7）
    		and al, 0x88  ;和运算
    		cmp al, 0x08  ;做减法
    		jnz .while_not_ready  ;如果没有准备好就继续运行
    		
    		mov ax, di
    		mov dx, 256
    		mul dx
    		mov cx, ax
    		mov dx, 0x1f0  ;0x1f0是读取数据的端口
    	.read_loader_data:
    		in ax, dx  ;读取数据
    		mov [bx], ax  ;将加载器加载到内存
    		add bx, 2  ;将bx加2
    		loop .read_loader_data  ;重复运行
    		ret
    	
    	times 510-($-$$) db 0  ;将文件填充到510字节，$是当前的地址，$$是当前扇区的起始地址
    	db 0x55, 0xaa  ;填充最后两个字节，将文件填充到512字节

**loader**  
boot-loader.asm

section loader vstart=0x900:
    	;输出hello
    	mov byte [gs:0x00], 'h'
    	mov byte [gs:0x02], 'e'
    	mov byte [gs:0x04], 'l'
    	mov byte [gs:0x06], 'l'
    	mov byte [gs:0x08], 'o'
    	
    	LOADER_STACK_TOP equ 0x7c00
    	jmp loader_start  ;跳转到进入保护模式的代码
    
    gdt:
    	dd 0x00000000
    	dd 0x00000000
    	dd 0x0000ffff
    	dd 0x00cf9800
    	dd 0x0000ffff
    	dd 0x00cf9200
    	dd 0x80000007
    	dd 0x00c0920b
    lgdt_value:
    	dw $-gdt-1
    	dd gdt
    selector_code equ 0x0001<<3
    selector_data equ 0x0002<<3
    selector_video equ 0x0003<<3
    
    [bits 16]
    
    loader_start:
    	cli  ;阻止CPU级别的中断
    	
    	;加载GDT
    	lgdt [lgdt_value]
    	
    	;打开A20
    	in al, 0x92
    	or al, 00000010b  ;or是或运算，要让某一位是1就在哪一位上写1(or 1, 0=1, or 1, 1=1)
    	out 0x92, al
    	
    	;cr1 PE
    	cli
    	mov eax, cr0
    	or eax, 1
    	mov cr0, eax  ;or是或运算，要让某一位是1就在哪一位上写1(or 0, 1=1, or 1, 1=1)
    	
    	;jmp $
    	
    	jmp dword selector_code:protection_mode_start  ;刷新流水线并跳转到protection_mode_start
    
    [bits 32]
    protection_mode_start:
    	mov ax, selector_data
    	mov ds, ax
    	mov es, ax
    	mov ss, ax
    	mov esp, LOADER_STACK_TOP
    	mov ax, selector_video
    	mov gs, ax
    	
    	;输出#
    	mov byte [gs:0xa0], '#'
    	
    	jmp $

如果以上代码运行出错，请在文件开头加上

LOADER_BASE_ADDR equ 0x900
    LOADER_START_SECTOR equ 0x2
    BIOS_BASE_ADDR equ 0x7c00
    CUI_BASE_ADDR equ 0xb800

## 编译代码 ##

先下载msys2和qemu，这在以前的文章中讲过  
新建一个文件夹，在这个文件夹下建立一个文件夹bin

'''
    C:/
    _
    |---| 操作系统
        |---| bin
        |- boot.asm
        |- boot-loader.asm
        |- OS.img
    '''

创建OS.img的光盘文件，可以使用bochs的bximage来创建，bochs可以自己找到官网下载  
创建光盘的过程如下所示  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]  
圈出的地方是要输入的，其它的地方直接回车就可以了  
然后在msys2中输入编译命令

nasm boot.asm -o bin/boot.bin;nasm boot-loader.asm -o bin/boot-loader.bin;dd if=bin/boot.bin of=OS.img bs=512 count=1 conv=notrunc;dd if=bin/boot-loader.bin of=OS.img bs=512 seek=2 count=4 conv=notrunc

然后使用qemu启动系统  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221024/a76ed10abc644903b953a0342832cd8c.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221024/0c8a0328d9f24e049d68d42bb007f092.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3R3eHdqaA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221024/a9d5a7a10b914c0c8157f22e23a677fb.png