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📄 booting-protecte_mode_7.htm

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<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
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<P class=MsoNormal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"><SPAN lang=EN-US><FONT 
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style="mso-tab-count: 1"><STRONG>1.7&nbsp;Welcome to Protected 
Mode&nbsp;</STRONG></SPAN></FONT></SPAN></P><SPAN lang=EN-US><FONT 
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<P>
<P HREF><FONT size=3>[</FONT><A 
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" size=5><STRONG>1.7.1 
Overview</STRONG></FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman">在8086/8088时代，处理器只存在一种操作模式（Operation 
Mode），当时由于不存在其它操作模式，因此这种模式也没有被命名。自从80286到80386开始，处理器增加了另外两种操作模式——保护模式PM（Protected 
Mode）和系统管理模式SMM（System Management Mode），因此，8086/8088的模式被命名为实地址模式RM（Real-address 
Mode）。</FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT 
face="Times New Roman">PM是处理器的native模式，在这种模式下，处理器支持所有的指令和所有的体系结构特性，提供最高的性能和兼容性。对于所有的新型应用程序和操作系统来说，建议都使用这种模式。为了保证PM的兼容性，处理器允许在受保护的，多任务的环境下执行RM程序。这个特性被称做虚拟8086模式（Virtual-8086 
Mode），尽管它并不是一个真正的处理器模式。Virtual-8086模式实际上是一个PM的属性，任何任务都可以使用它。</FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman">RM提供了Intel 
8086处理器的编程环境，另外有一些扩展（比如切换到PM或SMM的能力）。当主机被Power-up或Reset后，处理器处于RM下。</FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT 
face="Times New Roman">SMM是一个对所有Intel处理器都统一的标准体系结构特性。出现于Intel386 
SL芯片。这个模式为OS实现平台指定的功能（比如电源管理或系统安全）提供了一种透明的机制。当外部的SMM interrupt 
pin（SMI#）被激活或者从APIC（Advanced Programming Interrupt 
Controller）收到一个SMI，处理器将进入SMM。在SMM下，当保存当前正在运行程序的整个上下文（Context）时，处理器切换到一个分离的地址空间。然后SMM指定的代码或许被透明的执行。当从SMM返回时，处理器将回到被系统管理中断之前的状态。</FONT></SPAN></P>
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align=center><SPAN lang=EN-US><IMG src="booting-protecte_mode_7.files/mode.gif" 
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman">由于机器在Power-up或Reset之后，处理器处于RM状态，而对于Intel 
80386以及其后的芯片，只有使用PM才能发挥出最大的作用。所以我们就面临着一个从RM切换到PM的问题。</FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT 
face="Times New Roman">本书不会去重点讨论SMM，本节的重点集中于在Booting阶段如何从RM切换到PM，这里不会过多的讨论PM的细节，因为</FONT><FONT 
face="Times New Roman">《Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 3: 
System Programming》</FONT><FONT 
face="Times New Roman">中有非常详尽和准确的介绍。</FONT></SPAN></P>
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" size=5><STRONG>1.7.2 What is 
GDT</STRONG></FONT></SPAN></P><SPAN lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" 
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lang=EN-US>在Protected Mode下，一个重要的必不可少的数据结构就是GDT（Global Descriptor 
Table）。</SPAN></P>
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lang=EN-US>为什么要有GDT？我们首先考虑一下在Real Mode下的编程模型：</SPAN></P>
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lang=EN-US>在Real Mode下，我们对一个内存地址的访问是通过Segment:Offset的方式来进行的，其中Segment是一个段的Base 
Address，一个Segment的最大长度是64 KB，这是16-bit系统所能表示的最大长度。而Offset则是相对于此Segment Base 
Address的偏移量。Base Address+Offset就是一个内存绝对地址。由此，我们可以看出，一个段具备两个因素：Base 
Address和Limit（段的最大长度），而对一个内存地址的访问，则是需要指出：使用哪个段？以及相对于这个段Base 
Address的Offset，这个Offset应该小于此段的Limit。当然对于16-bit系统，Limit不要指定，默认为最大长度64KB，而16-bit的Offset也永远不可能大于此Limit。我们在实际编程的时候，使用16-bit段寄存器CS（Code 
Segment），DS（Data Segment），SS（Stack 
Segment）来指定Segment，CPU将段积存器中的数值向左偏移4-bit，放到20-bit的地址线上就成为20-bit的Base 
Address。</SPAN></P>
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lang=EN-US>到了Protected Mode，内存的管理模式分为两种，段模式和页模式，其中页模式也是基于段模式的。也就是说，Protected 
Mode的内存管理模式事实上是：纯段模式和段页式。进一步说，段模式是必不可少的，而页模式则是可选的——如果使用页模式，则是段页式；否则这是纯段模式。</SPAN></P>
<P class=MsoNormal 
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lang=EN-US>既然是这样，我们就先不去考虑页模式。对于段模式来讲，访问一个内存地址仍然使用Segment:Offset的方式，这是很自然的。由于Protected 
Mode运行在32-bit系统上，那么Segment的两个因素：Base Address和Limit也都是32位的。IA-32允许将一个段的Base 
Address设为32-bit所能表示的任何值（Limit则可以被设为32-bit所能表示的，以2^12为倍数的任何指），而不象Real 
Mode下，一个段的Base Address只能是16的倍数（因为其低4-bit是通过左移运算得来的，只能为0，从而达到使用16-bit段寄存器表示20-bit 
Base Address的目的），而一个段的Limit只能为固定值64 KB。另外，Protected 
Mode，顾名思义，又为段模式提供了保护机制，也就说一个段的描述符需要规定对自身的访问权限（Access）。所以，在Protected 
Mode下，对一个段的描述则包括3方面因素：[Base Address, Limit, 
Access]，它们加在一起被放在一个64-bit长的数据结构中，被称为段描述符。这种情况下，如果我们直接通过一个64-bit段描述符来引用一个段的时候，就必须使用一个64-bit长的段积存器装入这个段描述符。但Intel为了保持向后兼容，将段积存器仍然规定为16-bit（尽管每个段积存器事实上有一个64-bit长的不可见部分，但对于程序员来说，段积存器就是16-bit的），那么很明显，我们无法通过16-bit长度的段积存器来直接引用64-bit的段描述符。</SPAN></P>
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lang=EN-US>怎么办？解决的方法就是把这些长度为64-bit的段描述符放入一个数组中，而将段寄存器中的值作为下标索引来间接引用（事实上，是将段寄存器中的高13-bit的内容作为索引）。这个全局的数组就是GDT。事实上，在GDT中存放的不仅仅是段描述符，还有其它描述符，它们都是64-bit长，我们随后再讨论。</SPAN></P>
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lang=EN-US>GDT可以被放在内存的任何位置，那么当程序员通过段寄存器来引用一个段描述符时，CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，所以Intel的设计者门提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址，程序员将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此积存器，从此以后，CPU就根据此积存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。</SPAN></P>
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lang=EN-US>GDT是Protected Mode所必须的数据结构，也是唯一的——不应该，也不可能有多个。另外，正象它的名字（Global 
Descriptor Table）所揭示的，它是全局可见的，对任何一个任务而言都是这样。</SPAN></P>
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