3.1 认识保护模式

¶32位PC机的工作模式

IA32 下，CPU有两种工作模式：
① 实模式(Real-Addressed Mode)

② 保护模式(Protected Mode) ：

PC刚加电打开或系统复位后，工作在实模式下，它为保护模式所需的数据结构做好各种配置和准备。之后，修改控制寄存器CR0中的保护模式允许位PE，使得 PE=1 ，从而让CPU进入保护模式；当 PE=0 时则返回实模式。

上面提到的16位到32位的革命性转换，就是代码中从16位跳转到32位代码段的那个历史性的 jmp 。

¶从实模式到保护模式

实模式中，8086 为16位的CPU、寄存器、数据总线和20位的地址总线(1MB的寻址能力)，一个逻辑地址由段(16位)和偏移(16位)两部分组成，段地址是地址的一部分，表示以xxxx0h开始的一段内存，物理地址=段基地址*16+偏移地址。

但是到了32位时代，寻址空间到了4GB，原来的16位寄存器已经不够用了。为此，我们需要保护模式，目的之一就是提供更大的寻址能力。

32位时代的地址仍然可以用段值:偏移来表示，只是段的概念发生了根本性的变化，虽然段值仍然由原来16位的 cs,ds 等段寄存器表示，但是它们已经变成了一个索引，指向数据结构GDT的一个表项，表项中详细定义了段的起始地址、界限、属性等内容，表项的名字是描述符(Descriptor)。

即，GDT的作用是提供段式存储机制，这种机制由段寄存器+GDT中的描述符共同构成。

¶描述符、选择子结构和寻址方式

下面是代码段和数据段描述符的结构图：

此外，还有系统段描述符和门描述符。

本节代码 pmtest1.asm 中GDT段定义了三个描述符，可以分别称为 DESC_DUMMY, DESC_CODE32, DESC_VIDEO 。GDT中每一个描述符都定义了一个段，其中 DESC_VIDEO 指向的是显存。

它们如何和16位的 cs,ds,es,gs 等段寄存器对应起来，使这些段寄存器成为相对于GDT的一个索引呢？在 [SECTION .s32] 中有这样的代码：

1 2	mov ax, SelectorVideo mov gs, ax

在前面的GDT段中，定义了 SelectorVideo ：

1
2
3

; GDT 选择子
SelectorCode32    equ    LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorVideo    equ    LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT

由此，段寄存器 gs 的值变成了 SelectorVideo 标号地址，SelectorVideo 则似乎是 DESC_VIDEO 相对于GDT段基址 LABEL_GDT 的一个偏移，即选择子。当然，选择子不完全是偏移，其结构如下：

当最低的三位 TL,RPL 都为零时，选择子真正成为对应描述符相对于GDT段基址的偏移。

这样，我们明白了这些代码的意义，gs 段寄存器值为选择子 SelectorVideo ，它指向GDT中对应显存的描述符 DESC_VIDEO ，然后下面的32位代码段，将 ax 的值写入到显存中偏移位 edi 的位置（段:偏移中，偏移地址的概念没有变化）。

LABEL_SEG_CODE32:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax                    ; 视频段选择子(目的)

    mov    edi, (80 * 11 + 79) * 2    ; 屏幕第 11 行, 第 79 列。
    mov    ah, 0Ch                    ; 0000: 黑底    1100: 红字
    mov    al, 'P'
    mov    [gs:edi], ax
    ...

从 s32 这部分代码，目前我们知道的段式寻址方式如下，逻辑地址(段:偏移)经过段机制(段选择子和段描述符)变成线性地址(Linear Address)，这里的线性地址可以看做是“物理地址”：

¶描述符属性

下面详细介绍段描述符的几个属性：

P 位 (Present) 存在位，为 1 表示段存在于内存中，否则段不在内存中；
DPL (Descriptor Privilege Level) 描述符特权级位， 0~3 ，数字越小特权级越大；
S 位指明描述符是数据段/代码段(S=1)，还是系统段/门描述符(S=0) ；
TYPE 描述符，0~15：
G 位(Granularity)段界限粒度位，当 G=0 时段界限粒度为字节，否则为 4KB ；
D/B 位：
- 可执行代码段描述符中，是 D 位，D=1 时指令默认使用32位地址及32位/8位操作数；D=0 时默认使用16位地址及16位/8位操作数；
- 向下扩展数据段描述符中，是 B 位，B=1 时段的上部界限是 4GB ；否则是 64KB ；
- 堆栈段时，B=1 时隐式堆栈访问指令(如 push,pop,call )使用32位堆栈指针寄存器 esp ；B=0 时隐式堆栈访问指令使用16位堆栈指针寄存器 sp 。
AVL 保留位，可以被系统软件使用。

¶一致代码段 Conforming Code Segment：

一致：向特权级更高的一致代码段转移时，当前特权级会延续下去；而向特权级更高的非一致代码段转移时会报错(general-protection exception，常规保护错误)，除非使用调用门或者任务门。

如果系统代码不访问受保护的资源和某些类型的异常处理，可以放入一致代码段中，此时低特权级的程序可以访问高特权级的一致代码段；为了防止低特权级的程序访问，需要保护的系统代码则应该放入非一致代码段；
目标代码是低特权级，则无论其是否是一致代码段，都不能通过jmp或call转移访问。这样也会导致常规保护错误；
相同特权级的代码，可以直接访问，无论是否是一致代码段。
特别注意的是，所有数据段都是非一致的，即不可能被低特权级的代码访问；但是它可以被更高特权级和同特权级的代码访问，不用使用特定的门（低->高）。