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:
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.asm".
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.asm"
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.
Пример 2. Переход в защищённый режим.
Файл "example2.asm":
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:
- Подготовиться к переходу в P-Mode.
- Перейти в P-Mode.
- Сообщить в программе о переходе 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.asm".
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.asm"
set_descriptor: ; 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 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, а биты адреса mov cl, al ; 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 retВторую функцию "putzs" добавьте в файл "pmode.lib.asm" 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: ; 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_loop: 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. stosw ; Иначе - записываем символ вместе с атрибутом в видеопамять jmp putzs_loop ; Повторяем процедуру для следующего байта из ZS-строки. putzs_end: pop di pop es pop bx pop ax retТеперь сам пример. Прежде чем приступить к его изучению, хочу сделать следующие замечания:
- Программа написана на fasm
- Программа протестирована и работает, поэтому, если она у вас не заработает, проверьте, ВЫ не ошиблись?
- Программа протестирована как отдельный .com-файл. В принципе, вы её можете без изменений перенести в образ .exe-файла или встроить в программу языка высокого уровня - всё должно работать.
- Обратите внимание, что таблица GDT и сегменты не выровнены в памяти и программа всё равно работает. Это сделано специально, для демонстрации возможностей P-Mode. Для повышения производительности программы, конечно же следует выровнять все структуры данных, используемые процессором непосредственно (у нас пока это только GDT) и сегменты.
Пример 2. Переход в защищённый режим.
Файл "example2.asm":
org 100h ; Либо 7C00h, если запуск из boot-сектора ;----------------------------------------------------------------------- ; Определяем селекторы как константы. У всех у них биты TI = 0 (выборка ; дескрипторов производится из GDT), RPL = 00B - уровень привилегий - ; нулевой. Code_selector equ 8 Stack_selector equ 16 Data_selector equ 24 Screen_selector equ 32 ;----------------------------------------------------------------------- mov bx, GDT + 8 ; Нулевой дескриптор устанавливать не будем - всё равно он не используется. xor eax, eax ; EAX = 0 mov edx, eax ; EDX = 0 push cs ; AX = CS = сегментный адрес текущего pop ax ; сегмента кода. ; 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. shl eax, 4 mov dx, 65535 ; Предел сегмента кода может быть любым, лишь бы он ; покрывал весь реально существующий код (64kb) 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 ; Подразумевается, что файл находится ; в том же каталоге, что и example2.asm include "pmode.lib.asm" ;----------------------------------------------------------------------- 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: ; ---------------------------------------------------------------------- ; 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 bx, 0 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: jmp $ ;----------------------------------------------------------------------- ; Образ регистра GDTR: GDTR: 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) ;-------------------------------------------------------------------------- ; Начало сегмента данных для защищённого режима. PMode_data_start: 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.По сути это все, что надо, чтобы зайти в защищенный режим. Конечно, есть и другой, более короткий вариант, но он пока не рассматривается, поскольку он не наглядный.
10 мая, 2020
© 2007-2023 Ужас в том, что кот летит имбирем