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一個操作系統的實現(4)-認識LDT

看到這裡,你應該已經很了解GDT了,如果還不了解GDT。請看這篇文章:一個操作系統的實現(2)-認識保護模式,認識保護模式那篇文章的最後詳細介紹了由16位尋址升級到32位尋址而引入的GDT。

LDT(Local Descriptor Table):從名字上面就可以看出來它與GDT(Gobal Descriptor Table)的區別。GDT是全局描述符表,LDT是局部描述符表(相對於GDT)。

下面仍然是從代碼的角度講解什麼是LDT。主要講解在上一節的基礎上增加的代碼。在文章的最後會附上所有代碼。為了描述LDT,在上一節的基礎上添加了如下代碼:

[SECTION .gdt]
...
LABEL_DESC_LDT: Descriptor 0, LDTLen - 1, DA_LDT ; LDT
...
SelectorLDT equ LABEL_DESC_LDT -LABEL_GDT
...
[SECTION .s16]
...
; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_LDT
mov word [LABEL_DESC_LDT+2], ax
eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_LDT+4], al
mov byte [LABEL_DESC_LDT+7], ah

; 初始化 LDT 中的描述符
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_CODE_A
mov word[LABEL_LDT_DESC_CODEA+2], ax
shr eax,16
mov byte[LABEL_LDT_DESC_CODEA+4], al
mov byte[LABEL_LDT_DESC_CODEA+7], ah
...

[SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入.
...
; Load LDT
mov ax,SelectorLDT
lldt ax
jmp SelectorLDTCodeA:0 ; 跳入局部任務
...

; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN 32
LABEL_LDT:
; 段基址 段界限 屬性
LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32;Code,32位
LDTLen equ $ - LABEL_LDT
; LDT 選擇子
SelectorLDTCodeA equ LABEL_LDT_DESC_CODEA - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代碼段)
[SECTION .la]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_A:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 視頻段選擇子(目的)
mov edi, (80* 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 10 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000:黑底 1100: 紅字
mov al, 'L'
mov [gs:edi], ax
; 准備經由16位代碼段跳回實模式
jmp SelectorCode16:0
CodeALen equ $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

現在來看上面的代碼。

首先,

在GDT中增加了一個描述符和描述符對應的選擇子。

然後,

增加了兩個節,在上述代碼的最後兩段。分別是新的描述符表LDT和代碼段,這個代碼段的描述符在LDT中。用來演示LDT的如何使用。

接下來看16位代碼段中的初始化代碼,

這裡的初始化代碼對描述符進行初始化。包括兩個部分,一個是初始化LDT在GDT中的描述符,另一個是初始化LDT中的描述符。

最後,在32位代碼段中增加如下內容:

; Load LDT
mov ax,SelectorLDT
lldt ax
jmp SelectorLDTCodeA:0 ; 跳入局部任務

這裡面有個lldt ax。它與lgdt類似,lgdt用來將gdt的基址(32位)與界限(16位)加載到gdtr中。類似地,lldt是將ldt描述符的選擇子加載到ldtr中。

你看看上面的LDT的結構,與GDT結構是不是非常像。是的,LDT與GDT有兩個最主要的差別,一個是上面所說LDT使用lldt加載的對象是選擇子而GDT使用lgdt加載的對象是gdt的基地址和界限(通常用一個在內存中的結構體表示)。另外一個差別就是LDT的選擇子TI位與GDT的選擇子的TI位不同。還記的TI嗎?它是選擇子結構中的一位。不記得的話看下面的選擇子結構:




	
	15
	14
	13
	12
	11
	10
	9
	8
	7
	6
	5
	4
	3
	2
	1
	0
	
	
	描述符索引
	TI
	RPL
	


第2位是TI位,上一節課我也不清楚它用來干什麼的。到這裡再來解釋它就很清晰了。
仔細觀察上面LDT選擇子與GDT選擇子,你會發現:LDT的選擇子比GDT的選擇子多了一個SA_TIL屬性。在pm.inc中找到它的定義如下:

SA_TIL EQU 4

結合上圖可知,SA_TIL將選擇子SelectorLDTCodeA的TI位置為1。實際上,TI位便是用來區別GDT的選擇子和LDT的選擇子的關鍵所在。如果TI被置為1,系統將從局部描述符表LDT中讀取描述符;如果TI位為0,系統將從全局描述符表GDT中讀取描述符。

因此,當上面的代碼運行到jmp SelectorLDTCodeA:0處時,系統會從LDT中找到LABEL_LDT_DESC_CODEA描述符,並跳轉到相應的段中。

本例中LDT中的代碼比較簡單,只是在屏幕上輸入一個字符L。
不難想象,在[SECTION .s32]中打印完“In Protect Mode now.”這個字符串後,一個紅色的字符L將會出現。程序運行結果如下:

\

現在,你對LDT應該有了大致的了解了吧。簡單來說,他是一種描述符表,與GDT差不多,只不過它的選擇子的TI位必須置1.在運用它時,需要先用lldt指令加載ldtr,lldt的操作數是GDT中用來描述LDT的描述符。

上面的例子中的LDT只有一個代碼段。隨著以後的逐漸深入,我們還可以在其中增加更多的段,比如數據段、堆棧段等。通過,我們可以把一個單獨的任務所用到的所有東西封裝在LDT中,這種思想是多任務處理的一個雛形。




下面是完整代碼:

; ==========================================
; pmtest3.asm
; 編譯方法:nasm pmtest3.asm -o pmtest3.com
; ==========================================

%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些說明

org    0100h
    jmp    LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
; GDT
;                                         段基址,       段界限     , 屬性
LABEL_GDT:         Descriptor       0,                 0, 0         ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor       0,            0ffffh, DA_DRW    ; Normal 描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor       0,  SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32    ; 非一致代碼段, 32
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor       0,            0ffffh, DA_C        ; 非一致代碼段, 16
LABEL_DESC_DATA:   Descriptor       0,       DataLen - 1, DA_DRW+DA_DPL1    ; Data
LABEL_DESC_STACK:  Descriptor       0,        TopOfStack, DA_DRWA + DA_32; Stack, 32 位
LABEL_DESC_LDT:    Descriptor       0,        LDTLen - 1, DA_LDT    ; LDT
LABEL_DESC_VIDEO:  Descriptor 0B8000h,            0ffffh, DA_DRW    ; 顯存首地址
; GDT 結束

GdtLen        equ    $ - LABEL_GDT    ; GDT長度
GdtPtr        dw    GdtLen - 1    ; GDT界限
        dd    0        ; GDT基地址

; GDT 選擇子
SelectorNormal        equ    LABEL_DESC_NORMAL    - LABEL_GDT
SelectorCode32        equ    LABEL_DESC_CODE32    - LABEL_GDT
SelectorCode16        equ    LABEL_DESC_CODE16    - LABEL_GDT
SelectorData        equ    LABEL_DESC_DATA        - LABEL_GDT
SelectorStack        equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT
SelectorLDT        equ    LABEL_DESC_LDT        - LABEL_GDT
SelectorVideo        equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1]     ; 數據段
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode    dw    0
; 字符串
PMMessage:        db    "In Protect Mode now. ^-^", 0    ; 進入保護模式後顯示此字符串
OffsetPMMessage        equ    PMMessage - $$
StrTest:        db    "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest        equ    StrTest - $$
DataLen            equ    $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]


; 全局堆棧段
[SECTION .gs]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_STACK:
    times 512 db 0

TopOfStack    equ    $ - LABEL_STACK - 1

; END of [SECTION .gs]


[SECTION .s16]
[BITS    16]
LABEL_BEGIN:
    mov    ax, cs
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    ss, ax
    mov    sp, 0100h

    mov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
    mov    [SPValueInRealMode], sp

    ; 初始化 16 位代碼段描述符
    mov    ax, cs
    movzx    eax, ax
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE16
    mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah

    ; 初始化 32 位代碼段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, cs
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_SEG_CODE32
    mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah

    ; 初始化數據段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_DATA
    mov    word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah

    ; 初始化堆棧段描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_STACK
    mov    word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah

    ; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_LDT
    mov    word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
    mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

    ; 初始化 LDT 中的描述符
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_CODE_A
    mov    word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax
    shr    eax, 16
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al
    mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah

    ; 為加載 GDTR 作准備
    xor    eax, eax
    mov    ax, ds
    shl    eax, 4
    add    eax, LABEL_GDT        ; eax <- gdt 基地址
    mov    dword [GdtPtr + 2], eax    ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址

    ; 加載 GDTR
    lgdt    [GdtPtr]

    ; 關中斷
    cli

    ; 打開地址線A20
    in    al, 92h
    or    al, 00000010b
    out    92h, al

    ; 准備切換到保護模式
    mov    eax, cr0
    or    eax, 1
    mov    cr0, eax

    ; 真正進入保護模式
    jmp    dword SelectorCode32:0;執行這一句會把 SelectorCode32 裝入`cs`,並跳轉到Code32Selector:0處

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

LABEL_REAL_ENTRY:        ; 從保護模式跳回到實模式就到了這裡
    mov    ax, cs
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    ss, ax

    mov    sp, [SPValueInRealMode]

    in    al, 92h        ; ┓
    and    al, 11111101b    ; ┣ 關閉 A20 地址線
    out    92h, al        ; ┛

    sti            ; 開中斷

    mov    ax, 4c00h    ; ┓
    int    21h        ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]


[SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入.
[BITS    32]

LABEL_SEG_CODE32:
    mov    ax, SelectorData
    mov    ds, ax            ; 數據段選擇子
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 視頻段選擇子

    mov    ax, SelectorStack
    mov    ss, ax            ; 堆棧段選擇子

    mov    esp, TopOfStack


    ; 下面顯示一個字符串
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 紅字
    xor    esi, esi
    xor    edi, edi
    mov    esi, OffsetPMMessage    ; 源數據偏移
    mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2    ; 目的數據偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。
    cld
.1:
    lodsb
    test    al, al
    jz    .2
    mov    [gs:edi], ax
    add    edi, 2
    jmp    .1
.2:    ; 顯示完畢

    call    DispReturn

    ; Load LDT
    mov    ax, SelectorLDT
    lldt    ax

    jmp    SelectorLDTCodeA:0    ; 跳入局部任務

; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:
    push    eax
    push    ebx
    mov    eax, edi
    mov    bl, 160
    div    bl
    and    eax, 0FFh
    inc    eax
    mov    bl, 160
    mul    bl
    mov    edi, eax
    pop    ebx
    pop    eax

    ret
; DispReturn 結束---------------------------------------------------------

SegCode32Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]


; 16 位代碼段. 由 32 位代碼段跳入, 跳出後到實模式
[SECTION .s16code]
ALIGN    32
[BITS    16]
LABEL_SEG_CODE16:
    ; 跳回實模式:
    mov    ax, SelectorNormal
    mov    ds, ax
    mov    es, ax
    mov    fs, ax
    mov    gs, ax
    mov    ss, ax

    mov    eax, cr0
    and    al, 11111110b
    mov    cr0, eax

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
    jmp    0:LABEL_REAL_ENTRY    ; 段地址會在程序開始處被設置成正確的值

Code16Len    equ    $ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]


; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN    32
LABEL_LDT:
;                            段基址       段界限      屬性
LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位

LDTLen        equ    $ - LABEL_LDT

; LDT 選擇子
SelectorLDTCodeA    equ    LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]


; CodeA (LDT, 32 位代碼段)
[SECTION .la]
ALIGN    32
[BITS    32]
LABEL_CODE_A:
    mov    ax, SelectorVideo
    mov    gs, ax            ; 視頻段選擇子(目的)

    mov    edi, (80 * 12 + 0) * 2    ; 屏幕第 10 行, 第 0 列。
    mov    ah, 0Ch            ; 0000: 黑底    1100: 紅字
    mov    al, 'L'
    mov    [gs:edi], ax

    ; 准備經由16位代碼段跳回實模式
    jmp    SelectorCode16:0
CodeALen    equ    $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]
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