企业官网建设流程全解析

1.为什么要进入保护模式？

1.1在没有保护模式的情况下

在没有进入保护模式的情况下，也就是实模式，我们来看看一些的操作这会带来什么问题？

在讲解这些操作之前，我们最好理解这里的操作指的是什么，也就是计算机操作。我觉得最好的办法是用代码描述这种操作，而不是纯文字，因为用中文描述会感觉很抽象，而且计算机只能听懂代码。

我们来看看，在没有保护模式的情况下，实模式的一些代码操作:

mov ax, 0xb800 ; 文本模式显存段 mov ds, ax mov byte [0xb0], 'H' ; 向显存写入字符

我们知道0xb8000处是显存段，上述代码向显存段写入了字符。在实模式下，CPU 不会阻止这段代码执行，哪怕它是一个普通用户程序。这就带来了问题：操作系统是管理硬件的唯一管理者，如果任何用户程序都能随意修改显存、改写硬件状态，那操作系统的管理就形同虚设了。用户程序想要操作硬件，应该向操作系统申请。

mov ax, 0x0000 ; 中断向量表所在段 mov ds, ax mov byte [0x30], 0x00 ; 破坏中断向量表内容

实模式下，0x00000~0x003FF处存放的是中断向量表。上述代码直接改写了中断向量表的内容。如果此时发生对应的中断，CPU 会按照被破坏的地址去寻找中断服务程序，这极易导致系统崩溃死机。

1.2保护模式核心思想

分析上面的操作，本质问题就是代码可以随意访问内存的各个段，那么，保护模式怎么解决这个问题呢？

想象一下，有一天你去荒野求生了，发现河边有条草鱼，你肯定会兴奋的去抓它，但是如果你看见一只熊猫，你还会去抓它吗，尽管它很可爱，但本质原因是你知道它是保护动物这个信息，所以阻止了你这个行为。

所以，可以这么说，你做的每一步动作都是基于信息来决定你是否该执行的。就好像有人给你做了道牛欢喜的菜，在你不知道者是什么的时候你吃的很香，但是如果你知道它是什么的时候，你吃这个动作可能就不会执行了~

代码是一种CPU执行的动作，它可以有各种动作，有些动作会破坏内存中的某个段。那么，我们是不是可以给内存的每个段增加一些“属性信息”（比如：谁可以访问它？能写还是只能读？），在 CPU 准备执行代码操作的时候，由 CPU 硬件强制根据这些信息来判断是否允许执行此次操作。

这就是保护模式的核心思想。下篇文章我们来看看这些“信息”到底是什么，以及 CPU 是怎么根据它们来拦截操作的。

1.3描述符

1.3.1描述符分类

这些用于描述内存段属性信息的数据结构，在 x86 中就被称为描述符。描述符可以有多种，但无论何种描述符，都只占8个字节。

描述符可以分两大类:

存储器的段描述符:

• 用于描述一般的数据段，代码段。

系统描述符:

• 门描述符：描述与程序执行有关的逻辑结构

• LDT 描述符：指向局部描述符表 LDT

• TSS 描述符：指向任务状态段 TSS

那么，既然描述符都是8字节，那么该如何区分它们呢？

• 8字节大小，比特编号从 0 到 63 ，核心判断字段：

  1. S 位（第 44 位，1 比特）：描述符大类判断标志

     • S 位 = 0 → 该描述符是系统描述符

     • S 位 = 1 → 该描述符是存储器的段描述符

  2. Type 字段（第 40~43 位，4 比特）：描述符具体类型判断标志

     • 若为系统描述符（S=0）：Type 字段用于指定系统段的类型或门的具体类型

     • 若为存储器段描述符（S=1）：Type 字段用于指定是代码段还是数据段，以及相关属性

1.3.2存储器的段描述符结构

存储器的段描述符是最基本的描述符，所以我们开始先讲最基本的东西，那么，我们来看看存储器的段描述符结构吧，看看这个描述符具体描述了代码段，数据段的哪些信息。

我们知道了存储器段描述符S=1，Type 字段用于指定是代码段还是数据段，Type字段有四位，最高位是X位，据此分为数据段和代码段：

X=0,则该描述符描述的是数据段→

剩余 3 位为 E、W、A 位：

• E 位（扩展方向位，expand）

  • E=1：向下扩展，从高地址向低地址扩展，通常是栈段

  • E=0：向上扩展，从低地址向高地址读写，属于普通数据段

  • 假设一个段的描述符中基地址为0x00000000,段界限为0x7c00。当E=0,可以访问的范围是0x00000000~0x00007C00;当E=1,可以访问的范围是0x00007C01~0xFFFFFFFFF

• W 位（可写位，writable）

  • W=0：段只读，写入会引发处理器异常中断

  • W=1：段可正常写入

• A 位（已访问位，accessed）

  • A=0:描述符创建时，A 位清零

  • A=1:段被访问时，处理器自动将 A 位置 1

X=1,则该描述符描述的是代码段→

剩余 3 位为 C、R、A 位：

• C 位（依从位）

  • C=0：非依从代码段，仅特权级相同的程序可直接转移执行

  • C=1：依从代码段，低特权级程序可直接转移执行；无特殊要求通常清零

  • 此位仅作了解，当学到特权级保护后就知道了

• R 位（可读位）

  • R=0：代码段不可读

  • R=1：代码段可读，可像只读存储器一样使用

• A 位（已访问位，accessed）

  • A=0:描述符创建时，A 位清零

  • A=1:段被访问时，处理器自动将 A 位置 1

数据段和代码段描述符共同字段→

(简单了解即可，只有用到了才知道有什么用)

低双字0~15位+高双字16~19位:段界限

低双字16~31位+高双字0~7和24~32位:段基地址

高双字13~14位：DPL

• 对段的访问实施管控，限制可访问该段的程序

• 取值与特权级对应：00→0 级、01→1 级、10→2 级、11→3 级(0为最高特权级，3最低特权级)

高双字的位15位：P位

• 指示描述符对应的段是否可立即访问

高双字的位 20:AVL位

• 规则：处理器不使用此位，完全保留给操作系统自定义使用

高双字的位 21:L位

• 指示是否为 64 位代码段

• 32 位系统要求：此位固定置 0

高双字的位 22:D/B位

• 作用：指示段的默认操作位数

  • D/B=0：段按 16 位进行操作

  • D/B=1：段按 32 位进行操作

• 影响：决定向下扩展段的界线最大值（0xFFFF/0xFFFFFFFF），以及使用 SP 还是 ESP 寄存器

高双字的位 23:G位粒度位

• 核心作用：解释段界线的计数单位

  • G=0：段界线以字节为单位

  • G=1：段界线以4KB（0x1000 字节）为单位

• 实际界线计算公式（G=1 时）：

  实际段界线 = 描述符中的段界线 × 0x1000 + 0xFFF

1.4描述符表

1.4.1描述符表分类

这些描述符表得有个地方集中存放吧？不然CPU怎么找到呢。

x86 保护模式下，描述符集中存放在内存中，形成一个表格，叫做描述符表。描述符表主要包括 GDT、LDT 和 IDT。

其中 GDT 和 LDT 存放段描述符，IDT 存放门描述符。GDT 全局唯一，LDT 可以有多个。

1.4.2 全局描述符表GDT

那么，这么多张表，CPU怎么知道要用哪张表？拿GDT举例，处理器内部有一个 48 位的全局描述符表寄存器 GDTR，用于跟踪 GDT。如图所示。

那么，LDT和IDT是不是也有个寄存器跟踪，LDTR和IDTR?还真是。但这不是本文重点，就不讲解了。

1.4.3全局描述符表寄存器GDTR

那么，来看看GDTR的结构吧，看看它是怎么跟踪GDT的。

GDTR寄存器总共有48位，如图所示。

0~15位:GDT表的界限值，也就是这张表有多大，界限为 16 位 → GDT 最大64 KB，每个描述符 8 字节 → 最多可容纳8192个描述符。

16~47位:GDT表的起始线性地址，也就是这张表起始的位置再哪，线性地址即内存的连续地址，通常等于物理地址。

1.5保护模式相关工作

1.5.1如何进入保护模式

那么讲了这么多，该如何进入保护模式呢？其实很简单，只需要设置CR0寄存器即可。

CR0 是处理器内部的 32 位控制寄存器，包含一系列控制处理器操作模式和运行状态的标志位。

• 位 0（PE 位）：Protection Enable（保护模式允许位）。将此位置 1，处理器即进入保护模式并按保护模式规则运行。

1.5.2进入保护模式之前的相关工作

设置 PE 位进入保护模式之前，必须保证：

• 已通过端口0x92开启 A20地址线。

• 执行CLI指令禁止中断：保护模式下的中断机制与实模式完全不同，原有中断向量表不再适用，新的中断处理机制尚未建立，BIOS 中断也不能再用，若此时发生中断必然出错。

in al,0x92 ;南桥芯片内的端口 or al,0000_0010B out 0x92,al ;打开A20 cli ;保护模式下中断机制尚未建立，应 ;禁止中断 mov eax,cr0 or eax,1 mov cr0,eax ;设置PE位

1.6保护模式内存访问方式

1.6.1通过描述符表的索引值找到描述符

进入保护模式后，那么CPU怎么访问某个内存段呢？既然每个内存段的信息都保存在描述符中，而这些描述符又一个个的保存在描述符表中，所以要访问某个内存段，应该通过这张表的索引值来找到对应的描述符。描述防护里有内存段的地址等属性信息，有了描述符，找到想找的内存段不是轻而易举了吗？就比如我拿到了你的身份证，找到你家的地址是不是很简单？

还是和前文一样的道理，这里说的内存访问，只是中文描述，这很抽象，我们将其转化为代码:

mov cx, 00000000000_01_000B mov ds, cx

进入保护模式后，段寄存器传入的不再是逻辑地址，而是描述符选择子，选择子由三部分组成 ，结构如下:

其中位3到15位存的是描述符表的索引，CPU通过GDTR寄存器找到描述符表的基地址，然后再用描述符表索引值*8+GDT基地址(因为每个描述符是8字节)，即可找到对应的描述符。

1.6.2将描述符存入高速缓存寄存器

找到了描述符，这个时候是不是要存起来了？那么，存放哪里呢？

32 位处理器为每个段寄存器增加了一个不可见的部分——描述符高速缓存器，用于存放：

• 段的线性基地址

• 段的界限值

• 段的访问属性

所谓不可见，说的是我们无法访问。

1.6.3内部流程

当一条指令将选择子加载到段选择器时，处理器自动执行以下内部过程：

mov cx, 00000000000_01_000B mov ds, cx

1. 将选择子中的索引号 × 8，得到该描述符在 GDT 中的字节偏移量

2. 根据TI 位确定使用哪个描述符表（此处 TI=0，使用 GDT）

3. 从GDTR中取出 GDT 的线性基地址

4. 将 GDT 基地址 + 索引偏移量 = 目标描述符的线性地址

5. 从内存中读取 8 字节描述符，将其解析的内容（基地址、界限、属性）加载到描述符高速缓存器中

至此，ds的描述符高速缓存器中存放了该内存段的描述符，下次访问该段时直接通过描述符高速缓存器中取出对应的描述符，例如以下代码:

mov bx,0x000A mov ax,0x000B mov [ds:bx],ax

注意，只要不修改ds的值，下次内存访问时，CPU 就直接用之前缓存的描述符，不需要重新查表了，这是硬件加速的机制。