Глава 9. Вход в защищённый режим

Когда программа переводит процессор в защищённый режим, при всём том богатом потенциале, который предоставляют 32-разрядные процессоры, она оказывается практически беспомощной. В основном это связано с тем, что в защищённом режиме совершенно другая система прерываний и воспользоваться ресурсами, предоставляемыми операционной системой, в которой вы запускаете такую программу, невозможно. Более того, недоступными окажутся прерывания BIOS и IRQ. Подробно работа прерываний описана в разделе "Прерывания в защищённом режиме", там же вы найдёте примеры использования прерываний всех типов (программные, аппаратные и исключения), но пока наша программа не сможет ими воспользоваться.
В предыдущих главах не раз упоминалась фраза "операционная система", когда шла речь о программе, работающей в защищённом режиме. Дело в том, что после перевода процессора в P-Mode, программа должна определить действия и условия для всех ситуаций, вплоть до того, что определить драйвера (т.е. управляющие процедуры) для таких устройств, как клавиатура, мышь, видеоадаптер, дисковые накопители и даже таймер. Существует два способа реализации таких драйверов - либо написать их самому (что, вообще говоря, не очень сложно), либо обращаться к BIOS-у в режиме виртуального процессора 8086. Оба этих способа будут описаны в соответствующих разделах, где будет подразумеваться, что вы разобрались с разделом "Защищённый режим".

Прежде, чем мы перейдём к примеру, давайте определимся с тем, что нам надо сделать:

В третьем пункте мы заставим программу вывести на экран строку "I am in protected mode!!!", после чего программа зациклит процессор (компьютер повиснет). Дело в том, что возврат в режим реальных адресов немного сложнее, чем переход в защищённый режим и это требует дополнительного объяснения, поэтому в этом примере приводится только переход в P-Mode.
Вывод на экран будет происходить в текстовом режиме посредством прямой записи в видеопамять, для чего будет описана отдельная процедура - вы увидите, что код, предназначенный для выполнения в защищённом режиме не требует специальных определений (это будет 16-разрядный код; 32-разрядный определяется немного сложнее).
Остаётся добавить, что пример должен выполняться из простой операционной системы, например, MS-DOS, работающей в режиме реальных адресов. Если вы попытаетесь запустить программу из-под ОС, работающей в защищённом режиме (например, Windows), то программа не заработает, т.к. процессор уже будет работать в P-Mode и не допустит повторного входа в этот режим.
Что касается зависания процессора в конце выполнения нашего примера - так это нормальное явление при отладке программ в защищённом режиме. Этот режим тем и характерен, что допускает работу только одного "хозяина" одновременно, а наша программа, войдя в защищённый режим, как раз и станет таким "хозяином процессора".

Хочу обратить ваше внимание на то, что первой командой после перехода в защищённый режим должна быть команда дальнего перехода (far jump), в которой будет указан селектор дескриптора сегмента кода и смещение в этом сегменте. При работе в защищённом режиме процессор может использовать в сегментных регистрах только селекторы существующих дескрипторов, любые другие значения (например, сегментный адрес) использовать нельзя - процессор сгенерирует исключение общей защиты. Тем не менее, при переходе в защищённый режим регистр CS будет содержать сегментный адрес, который использовался в режиме реальных адресов, поэтому выполнение следующей команды, какой бы она ни была, должно было бы привести к генерации процессором исключения. На самом деле этого не происходит, так как эта команда не выбирается из памяти - она уже находится в конвейере процессора (даже в таком процессоре, как i386, есть конвейер) и поэтому вы можете выполнить эту команду.
Команда дальнего перехода обязательно очистит конвейер процессора и заставит его обратится к таблице GDT, выбрать оттуда дескриптор, селектор которого указан в адресе команды и начать выборку команд со смещения, также указанного в этом адресе. Это критический момент в работе программы. Если в GDT, селекторе, смещении или самой команде будет обнаружена ошибка, то процессор сгенерирует исключение, а так как систему прерываний мы для него пока не определяли, то он попросту зависнет либо произойдёт сброс - это уже зависит от "железа".
Если вы не выполните первой команду дальнего перехода, а другую, которая не изменит содержимое регистра CS (а это - все остальные команды), то процессор произведёт выборку в конвейер новой команды, используя текущие значения CS:IP, а так как в CS содержится не селектор (процессор уже в защищённом режиме!), то произойдёт исключение и зависание.
Это - теория. Такие условия перехода в P-Mode рекомендует Intel и опыт показывает, что лучше придерживаться этих рекомендаций. На практике наблюдаются некоторые чудеса. Например, можно сделать переход не дальний, а короткий (без смены значения в CS) - и программа будет работать, мало того, можно даже не определять стек - всё равно программа работает - процедуры вызываются, можно оперировать стеком, вот только нет уверенности, что стек будет отображаться на ту же область памяти, что была до перехода.
С регистрами данных ситуация обстоит хуже - DS можно не инициализировать, но при работе через него вы получите совсем не те данные, что должны были бы, а обращение к ES, отображённому на видеопамять подвешивает процессор.
Эта ситуация была обнаружена при тестировании примера 2 на процессоре 80386 DX-40 и причина, на мой взгляд, в ошибках архитектуры, допущенных при проектировании этого процессора. Сам Intel подобные ошибки называет errata и сообщает обо всех обнаруженных багах в процессорах, самую свежую информацию о них вы можете найти на www.intel.com и www.intel.ru.

Использование ошибок процессоров не представляется мне практичным, т.к. вариаций одной и той же модели процессоров много - десятки, хотя если вы сможете найти достойное применение ошибкам, то я буду рад опубликовать на сайте ваши статьи.

И всё же, возвращаясь к примеру, давайте определимся: мы изучаем "правильное" программирование 32-разрядных процессоров, при этом не используя никаких ошибок в архитектуре и никаких недокументированных особенностей и команд. Это нам обеспечит уверенность в том, что наши программы будут надёжно работать на любых интеловских процессорах и их клонах.

Прежде, чем мы перейдём к примеру программы, давайте определим две функции, которые мы будем в дальнейшем использовать.

В программе нам понадобится создавать 4 дескриптора - для кода, данных (где будет хранится выводимая строка), стека (он будет использоваться для вызова функции вывода текста) и видеопамяти. Все дескрипторы сегментов подобны друг другу, поэтому удобно их будет создавать отдельной функцией. Исходный код для этой функции (и для второй) поместите как макросы в отдельный файл - мы их будем использовать в дальнейшем и просто подключать к исходникам.

Функция первая, "set_descriptor" предназначенная для создания дескриптора, приводится сразу в том виде, в каком она будет находится в подключаемом файле "pmode.lib".

При вызове этой функции подразумевается, что в паре регистров DS:BX находится указатель на текущую позицию в GDT. Функция после создания дескриптора переведёт указатель на позицию для следующего дескриптора. Все необходимые параметры передаются через регистры и функция всего лишь "перетасовывает" их в нужном порядке.

Файл "pmode.lib":

;-------------------------------------------------------------------------
init_set_descriptor		macro

set_descriptor	proc	near
; Создаёт дескриптор.
; DS:BX = дескриптор в GDT
; EAX = адрес сегмента
; EDX = предел сегмента
; CL = байт прав доступа (access_rights)

	push	eax
	push	ecx		; Регистры EAX и ECX мы будем использовать.


	push	cx		; Временно сохраняем значение access_rights.

	mov	cx,ax		; Копируем младшую часть адреса в CX,
	shl	ecx,16		; и сдвигаем её в старшую часть ECX.

	mov	cx,dx		; Копируем младшую часть предела в CX.
				;  Теперь ECX содержит младшую часть
				;  дескриптора (т.е. первые 4 байта -
				;  см. рис. 4-1).

	mov	[ bx ],ecx	; Записываем младшую половину дескриптора в GDT.

	shr	eax,16		; EAX хранит адрес сегмента, младшую часть
				;  которого мы уже использовали, теперь будем
				;  работать со старшей, для чего сдвигаем её в
				;  младшую часть EAX, т.е. в AX.

	mov	cl,ah		; Биты адреса с 24 по 31
	shl	ecx,24		; сдвигаем в старший байт ECX,
	mov	cl,al		; а биты адреса с 16 по 23 - в младший байт.

	pop	ax		; Возвращаем из стека в AX значение
				;  access_rights
	mov	ch,al		; и помещаем его во второй (из четырёх)
				;  байт ECX.
				; Всё, дескриптор готов. Старшую часть
				;  предела и биты GDXU мы не устанавливаем и
				;  они будут иметь нулевые значения.

	mov	[ bx + 4 ],ecx	; Дописываем в GDT вторую половину
					;  дескриптора.

	add	bx,8		; Переводим указатель в GDT на следующий
				;  дескриптор.

	pop	ecx
	pop	eax

	ret

endp

endm
;-------------------------------------------------------------------------

Вторую функцию "putzs" добавьте в файл "pmode.lib" после описания первой. Эта функция предназначена для вывода на экран строки, оканчивающейся нулевым байтом (т.е. байтом, равным 00h). Такая строка везде на этом сайте называется ZS-строка или просто ZS (от Zero-String). Также вам будут встречаться строки другого типа - LS (от Lenght-String), длина которых будет задана первым байтом.
Функция "putzs" получила своё название от комбинации слов "Put" и "ZS", по аналогии с похожими Си-функциями. В этой функции сохраняются используемые регистры - в приводимом далее примере это никакого эффекта не вызовет - процессор сразу после вывода зависнет, но для других примеров это будет полезно.

putzs	proc	near
; DS:BX = ZS		; ZS = Zero-String - строка, оканчивающаяся
			;  нулевым (00h) байтом.
; ES:DI = позиция вывода	; ES описывает сегмент видеопамяти,
				;  DI - смещение в нём.

	push	ax
	push	bx
	push	es
	push	di


	mov	ah,1bh		; В AH будет атрибут вывода - светло-циановые
				;  символы на синем фоне.

putzs_1:
	mov	al,[ bx ]	; Читаем байт из ZS-строки.
	inc	bx		; Переводим указатель на следующий байт.
	cmp	al,0		; Если байт равен 0,
	je	putzs_end	; то переходим в конец процедуры.

	mov	es:[ di ],ax	; Иначе - записываем символ вместе с
				;  атрибутом в видеопамять по заданному
				;  смещению - цветной символ появится на
				;  экране.

	add	di,2		; Переводим указатель в видеопамяти на
				;  позицию следующего символа. 

	jmp	putzs_1	; Повторяем процедуру для следующего байта
				;  из ZS-строки.

putzs_end:

	pop	di
	pop	es
	pop	bx
	pop	ax

	ret

endp
;--------------------------------------------------------------------------

Теперь сам пример. Прежде чем приступить к его изучению, хочу сделать следующие замечания:

Далее полностью приводится файл "example2.asm", который содержит пример перехода в защищённый режим, включая необходимые для tasm-а атрибуты.

Пример 2. Переход в защищённый режим.

Файл "example2.asm":


include	pmode.lib	; Подразумевается, что файл "pmode.lib" находится
				;  в том же каталоге, что и "example2.asm".
;-------------------------------------------------------------------------
.386p
pmode segment use16
	assume	cs:pmode, ds:pmode, es:pmode

	org	100h

main		proc	far
start:
;-------------------------------------------------------------------------
;-------------------------------------------------------------------------
; Определяем селекторы как константы. У всех у них биты TI = 0 (выборка
;  дескрипторов производится из GDT), RPL = 00B - уровень привилегий -
;  нулевой.

Code_selector	=  8
Stack_selector	= 16
Data_selector	= 24
Screen_selector	= 32
;--------------------------------------------------------------------------

	mov	bx,offset GDT + 8	; Нулевой дескриптор устанавливать
					;  не будем - всё равно он не
					;  используется.

	xor	eax,eax		; EAX = 0
	mov	edx,eax		; EDX = 0

	push	cs
	pop	ax		; AX = CS = сегментный адрес текущего
				;  сегмента кода.

	shl	eax,4	; EAX = физический адрес начала сегмента кода.
			; Эта программа, работая в среде операционной системы
			;  режима реальных адресов (подразумевается, что это -
			;  MS-DOS) уже  имеет в IP смещение относительно
			;  текущего сегмента кода. Мы определим дескриптор
			;  кода для защищённого режима с таким же адресом
			;  сегмента кода,  чтобы при переходе через команду
			;  дальнего перехода фактически переход произошёл
			;  на следующую команду.

	mov	dx,1024	; Предел сегмента кода может быть любым,
				;  лишь бы он покрывал весь реально
				;  существующий код.

	mov	cl,10011000b		; Права доступа сегмента кода (P = 1,
					;  DPL = 00b, S = 1, тип = 100b, A = 0)

	call	set_descriptor	; Конструируем дескриптор кода.

	lea	dx,Stack_seg_start		; EDX = DX = начало стека (см. саму
						;  метку).

	add	eax,edx	; EAX уже содержит адрес начала сегмента
				;  кода, сегмент стека начнётся с последней
				;  метки программы Stack_seg_start.

	mov	dx,1024	; Предел стека. Также любой (в данном
				;  примере), лишь бы его было достаточно.

	mov	cl,10010110b		; Права доступа дескриптора сегмента
					;  стека (P = 1, DPL = 00b, S = 1,
					;  тип = 011b, A = 0).

	call	set_descriptor	; Конструируем дескриптор стека.

	xor	eax,eax	; EAX = 0
	mov	ax,ds
	shl	eax,4		; EAX = физический адрес начала сегмента данных.
	xor	ecx,ecx		; ECX = 0
	lea	cx,PMode_data_start		; ECX = CX
	add	eax,ecx		; ECX = физический адрес начала сегмента
					;  данных.

	lea	dx,PMode_data_end
	sub	dx,cx		; DX = PMode_data_end - PMode_data_start (это
				;  размер сегмента данных, в данном примере
				;  он равен 26 байтам). Этот размер мы и
				;  будем использовать как предел.

	mov	cl,10010010b		; Права доступа сегмента данных (P = 1,
					;  DPL = 00b, S = 1, тип = 001, A = 0).

	call	set_descriptor	; Конструируем дескриптор данных.

	mov	eax,0b8000h		; Физический адрес начала сегмента
					;  видеопамяти для цветного текстового
					;  режима 80 символов, 25 строк
					;  (используется по умолчанию в MS-DOS).

	mov	edx,4000	; Размер сегмента видеопамяти (80*25*2 = 4000).
	mov	cl,10010010b		; Права доступа - как сегмент данных
	call	set_descriptor	; Конструируем дескриптор сегмента
					;  видеопамяти.

; Устанавливаем GDTR:

	xor	eax,eax		; EAX = 0
	mov	edx,eax		; EDX = 0

	mov	ax,ds
	shl	eax,4		; EAX = физический адрес начала сегмента данных.
	lea	dx,GDT
	add	eax,edx	; EAX = физический адрес GDT
	mov	GDT_adr,eax	; Записываем его в поле адреса образа GDTR.

	mov	dx,39		; Предел GDT = 8 * (1 + 4) - 1
	mov	GDT_lim,dx	; Записываем его в поле предела образа GDTR.

	cli		; Запрещаем прерывания. Для того, чтобы прерывания
			;  работали в защищённом режиме их нужно специально
			;  определять, что в данном примере не делается.

	lgdt	GDTR		; Загружаем образ GDTR в сам регистр GDTR.

; Переходим в защищённый режим:

	mov	eax,cr0
	or	al,1
	mov	cr0,eax

; Процессор в защищённом режиме!

	db	0eah			; Этими пятью байтами кодируется команда
	dw	P_Mode_entry		;  jmp far Code_selector:P_Mode_entry
	dw	Code_selector

;--------------------------------------------------------------------------
P_Mode_entry:
; В CS находится уже не сегментный адрес сегмента кода, а селектор его
;  дескриптора.

; Загружаем сегментные регистры. Это обеспечит правильную работу программы
;  на любом 32-разрядном процессоре.

	mov	ax,Screen_selector
	mov	es,ax

	mov	ax,Data_selector
	mov	ds,ax

	mov	ax,Stack_selector
	mov	ss,ax
	mov	sp,0

; Выводим ZS-строку:

	mov	bx,0	; DS:BX = указатель на начало ZS-строки. Адрес
			;  сегмента данных определён по метке
			;  PMode_data_start, а строка начинается сразу после
			;  этой метки, её смещение от метки равно 0,
			;  следовательно, это и будет смещение от начала
			;  сегмента данных.

	mov	di,480		; Выводим ZS-строку со смещения 480 в
				;  видеопамяти (оно соответствует началу
				;  3-й строки на экране в текстовом режиме).
	call	putzs

; Зацикливаем программу:

loop_1:
	jmp	loop_1

;--------------------------------------------------------------------------
init_set_descriptor
init_putzs
;--------------------------------------------------------------------------
; Образ регистра GDTR:

GDTR	label	fword
GDT_lim		dw	?
GDT_adr		dd	?
;--------------------------------------------------------------------------
GDT:
	dd	?,?	; 0-й дескриптор
	dd	?,?	; 1-й дескриптор (кода)
	dd	?,?	; 2-й дескриптор (стека)
	dd	?,?	; 3-й дескриптор (данных)
	dd	?,?	; 4-й дескриптор (видеопамяти)
;--------------------------------------------------------------------------
PMode_data_start:	; Начало сегмента данных для защищённого режима.
;--------------------------------------------------------------------------
db	"I am in protected mode!!!",0	; ZS-строка для вывода в P-Mode.
;--------------------------------------------------------------------------
PMode_data_end:		; Конец сегмента данных.
;--------------------------------------------------------------------------
	db	1024 dup (?)	; Зарезервировано для стека.
Stack_seg_start:	; Последняя метка программы - отсюда будет расти стек.
;--------------------------------------------------------------------------
main		endp
	pmode	ends
	end	start