Microsoft Word - Introduction to Big Real Mode _CHT_.doc

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亦领成
6 years ago
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1 Merck Hung 洪豪謙應朋友的要求, 希望我花一點時間整理一下 x86 Big Real Mode 的文章. 另外也發現, 身邊似乎有一些朋友也準備要開始從事 BIOS 方面之工作了. 感謝你們偶而會來逛一下我的 Blog. 雖然網路上已經有蠻多資料了, 不過今天我打算從 Intel 64 and IA32 Architecture Software Developer s Manual ( 後面簡稱 SDM), 以及 x86 Processor 的角度, 來解說如何打開 Big Real Mode. 我將會花時間解說 Intel SDM 內的資料, 最後才丟一段 Code 給你. 例如說明什麼是 Big Real Mode, 位址空間的差異, A20, Segment Descriptor 等細節. 而我會另外找時間再把 Protected Mode + Paging + PSE ( 存取大於 4GB Memory) 寫完. 感謝囉!

2 Big Real Mode 定義 Big Real Mode 是一個有趣的 x86 Processor Mode, 正好處在 32bit protected mode 與 16bit real mode 中間. Fig.1, Real Mode, Big Real Mode, 與 Protected Mode 比較圖以上圖來說, Real Mode 的 Code 與 Data Segment 的最大範圍均為 1MB (16bit). 當 CPU 進入 Protected Mode 之後, Code 與 Data Segment 的最大範圍將可以達到 4GB. 而 Big Real Mode 很神奇的是, Code Segment 維持原來 1MB (16bit) 的限制, 但 Data Segment 卻可以存取到整個 4GB 的空間. 因為一般 real mode 只有辦法存取到 1MB Memory, 然而以現在的電腦配備來說, 動輒 1GB, 2GB, 或 4GB 的記憶體大小. 如果 BIOS 單純僅運作在 real mode 內, 那樣根本完全無法存取到你所安裝的所有記憶體. 而一般 OS, 如 Windows, Linux 等, 皆是以打開 protected mode 來存取到整個 4GB 的 Memory Space. 但因為 BIOS Code 大部分都是以 real mode 撰寫的, 所以當有那個需求要存取 1MB 以上的記憶體時, big real mode 就會是一個不錯的選擇. 雖然 protected mode 也可以達成存取 4GB 的目的, 但如果程式本身所執行的環境是 DOS 或 BIOS Code 的話, 打開 protected mode 反而會造成麻煩. 例如你會無法呼叫原來寫給 real mode 呼叫的一些 routines, 或是必須頻頻不斷的在兩個 mode 之間切換.

Address Space 差異 Fig.2, Real Mode 與 Protected Mode 位址空間之差異圖在 real mode 中, CPU 最後實際存取 Memory 的位置 (Physical Address 或 Linear Address), 是透過 Segment Address 向左 Shift 4 bits, 然後加上 Offset Address 來計算.

3 Address Space 差異 Fig.2, Real Mode 與 Protected Mode 位址空間之差異圖在 real mode 中, CPU 最後實際存取 Memory 的位置 (Physical Address 或 Linear Address), 是透過 Segment Address 向左 Shift 4 bits, 然後加上 Offset Address 來計算. 故 real mode 的 address space range 是從 0_0000 ~ F_FFFF, 也就是只能組合出 1MB 的空間. 而在 protected mode ( 或 big real mode) 中, 原 real mode 中的 segment register 換了個名稱與定義, 改稱作 segment selector. 而這個 segment selector 將不是直接填寫 Address, 而改為載入 Segment Descriptor 在 GDT Table 裡面的 Offset Address. 而 Segment Descriptor 內將會含有 Base Address 這個欄位, 用以說明 Segment 起始位址. 故將 Segment Descriptor 內之 Base Address, 加上 Offset Address 後, 便是實際 CPU 所將存取的 Memory 位置 (Physical Address 或 Linear Address).

4 Enable 與 Disable 流程 Enter Big Real Mode Exit Big Real Mode Load GDT Pointer To GDTR Enable A20 Disable A20 Load Segment Address To DS, ES, FS, GS Enable PM Bit CR0, Bit0 = 1 Flush Jump Load Segment Selector To DS, ES, FS, GS Disable PM Bit CR0, Bit0 = 0 Flush Jump Done Done Fig.3, Enable 與 Disable Big Real Mode 的流程圖打開 Big Real Mode 的程序 : 1. 設定 Global Descriptor Table (GDT) 2. 載入 GDT Pointer 的 Physical Address 到 GDTR Register 3. 打開 A20 4. Enable Protected Mode Bit, CR0 Bit 0 = 1, 並作一個 Flush Jump 5. 將 4GB 的 Data Segment Selector 載入 DS, ES, FS, GS 6. Disable Protected Mode Bit, CR0 Bit 0 = 0 7. 作一個 Far Jump Flush 關閉 Big Real Mode 的程序 : 1. 關閉 A20 2. 將 DS, ES, FS, GS 的內容設定 ( 或從 Stack pop 回來 ) 為 Real Mode Segment Offset 即可

5 A20 開關 Fig.4, 在 Real Mode 中, A20 Enabled 所多出之約 64k Address Space 在早期 8086 CPU 位址線只有 20 條, 所以造就了 Segment:Offset 這樣的存取方式. 但其實大家可以注意到, FFFF:000F = FFFFF (1MB), 其中 Offset Address 還沒填到最大值 FFFF. 但因為 8086 只有 20 隻腳位, 所以超過 FFFFF (1MB) 的搭配, CPU 將會回繞回 0MB 起算. 而後來的 CPU 的位址線增加, 如 286 有 24 隻腳位, 386 以上有 32 隻腳位. 但為了維持 PC 架構的相容性, 所以增加了 A20 這樣的開關, 在 A20 關閉時讓超過 1MB 的定址做回繞到 1MB 的動作. 但只要 A20 打開後, 超過 1MB 將不會有回繞動作. 而在 real mode 中, 因為使用 Segment:Offset 的存取方式, 所以打開了 A20 後, 大約只能增加 64k 左右的空間 (10000 ~ 10FFEF). 但也因為 A20 開關牽涉到位址線回繞的問題, 所以當我們打算進入 protected mode ( 使用全部 32 隻位址線 ) 之前, 打開 A20 開關也是一個重要的課題.

GDT 與 Segment Descriptor 有別於 16bit real mode 將 Segment Address 直接載入 DS, ES, FS, GS (Data Segment Registers) 的方式. 在 protected mode 內, DS, ES, FS, GS 轉換了一個名稱, Segment Selector.

6 GDT 與 Segment Descriptor 有別於 16bit real mode 將 Segment Address 直接載入 DS, ES, FS, GS (Data Segment Registers) 的方式. 在 protected mode 內, DS, ES, FS, GS 轉換了一個名稱, Segment Selector. 因為 DS, ES, FS, GS 還是維持原來 16bit 的大小, 並非像 AX, BX, 等 16bit 暫存器, 推出 32bit 的版本, 如 : EAX, EBX, 等. 但因為 32bit protected mode 存取 Data 的方法還是維持 DS:XX, ES:XX, FS:XX, GS:XX 的方式, 所以 Intel 提供存取 4GB 的新方法, 而這個方式就是利用 Segment Descriptor 與 Segment Selector. Fig.5, Segment Descriptor 定義 Segment 的與位址的對應關係一般為了方便使用, Segment Base Address 通常會被設為 0, 而 Segment Limit 會設為 4GB. 這不是我所創造的慣例, 而是現在的作業系統都是這樣使用. 甚至現在支援 64bit 的 CPU, 在進入 64bit long mode 後, Segment 這樣的 feature 已經乾脆被捨棄了 ( 因為過去大家都直接開 4GB, 等同於不使用 Segment 這個特性 ).

7 Fig.6, Intel SDM Vol , Segment Descriptor 各欄位說明由上圖所知, Segment Descriptor 是一個 8 bytes 的資料結構. 其中 Base Address (31:00, 32bit), 將會用來說明, 這個 Segment 的起始位址. 而 Segment Limit (19:00, 20bit), 將會用來說明, 從起始位址開始算起的長度, 是屬於這個 Segment. 而 G 欄位用來決定 Segment Limit 的單位, 0 為 1 bytes, 1 為 4k. 因為 Segment Limit 只有 20bit, 所以當 G=0 (1 bytes) 時, 最大只能涵蓋到 1MB. 但當 G=1 (4 kbytes) 時, 最大就能涵蓋到 4GB. Type 是一個 4bit 欄位, 總共有 16 種 Type 可供填寫, 主要的分類是 Code 或 Data, 細項分類將於 protected mode 一文中說明. P 欄位讓 OS 用來表示這個 Segment 是否被 Swap Out 到硬碟上, 而沒有實際在記憶體上. S 欄位, 為 0 時表示 System Segment, 為 1 時表示 Code 或 Data Segment.

8 ############################################################################## Globel Descriptor Table (GDT) align 16 GDT_TABLE: NULL segment DW 0, 0, 0, 0 四個 WORD 等於 8 bytes Data segment, read/write FLAT_DATA_SEG EQU $ - GDT_TABLE DW 0FFFFh DW 0 DW 9200h DW 00CFh GDT_SIZE EQU $ - GDT_TABLE GDT Pointer GDT_POINTER: DW GDT_SIZE - 1 DW 0 DW 0 GDT base address 我們來看一個實際的範例, 設定 GDT 的主要重點是 : 1. GDT 起頭要對齊 16 bytes (align 16) 2. 第一個 Segment Descriptor 務必要為 NULL Segment 3. 最後需要填寫 GDT Pointer, Pointer 的 Linear Address 將用於載入 CPU 的 GDTR 暫存器. 4. 整個 GDT 的 Size 及 GDT 的起始 Linear Address 需填入 GDT Pointer. 而以 Big Real Mode 來說, 我們只需設定一個 Data Segment Descriptor, 而 FLAT_DATA_SEG 就是所謂的 Segment Selector ( 此例中為 08h), 將會用於載入 DS, ES, GS, FS 暫存器.

Fig.7, 範例中各欄位 Bit 標示 Segment Base = 0000_0000h G = 1, 單位 = 4 kbytes Segment Limit (00:19) = F_FFFFh Segment Limit = 4GB (FFFF_FFFFh) D/B = 1, 32bit Segment ( 爲存取 4GB, 故為 32bit 區段 ) DPL = 0, Kernel

9 Fig.7, 範例中各欄位 Bit 標示 Segment Base = 0000_0000h G = 1, 單位 = 4 kbytes Segment Limit (00:19) = F_FFFFh Segment Limit = 4GB (FFFF_FFFFh) D/B = 1, 32bit Segment ( 爲存取 4GB, 故為 32bit 區段 ) DPL = 0, Kernel Segment, Ring 0 ( 屬於 Kernel Ring 0, 最大權限 ) Type = 2, Data Read/Write Segment ( 屬於資料, 可讀可寫區段 ) AVL = 0, Reserved ( 保留 ) L = 0, Reserved ( 保留 ) P = 1, Present in Physical Memory ( 預設 1) S = 1, Code or Data Segment ( 程式或資料區段 )

10 Sample Code Enter and Leave Big Real Mode LIBFLAT SEGMENT USE16 'CODE' ############################################################################## enter_flat_mode Enter Big Real Mode, 進入 Big Real Mode Input: None Output: None Modified: All possible enter_flat_mode PROC FAR PUBLIC Convert GDT base physical address to linear one 將 GDT 的 Base Address, 由 Segment:Offset 轉為 Linear Address xor eax, eax 另 EAX = 0 (32bit) mov ax, cs 將 Code Segment Address 放入 AX (16bit) shl eax, 4 EAX (32bit) 向左位移 4 的 bits add eax, OFFSET GDT_TABLE 加法演算, 加上 GDT 在 Code Segment 內的 Offset mov dword ptr GDT_POINTER+2, eax 將 EAX (32bit) 的結果值, 寫入 GDT Pointer ( 本來為 0) Save original GDT and Load new one 利用 LGDT 指令, 將 GDT Pointer 載入 CPU 的 GDTR 暫存器 lgdt fword ptr GDT_POINTER Disable interrupt 關閉 CPU 中斷 cli Enable A20 打開 A20 in al, 92h 從 Keyboard Controller (IO Port 92h) 讀入 or al, 02h 將 Bit 1, A20 設為 1 out 92h, al 寫回 Keyboard Controller Enable protected mode 打開 CR0 Bit 0, 也就是 protected mode mov eax, cr0 先將 CR0 讀入 EAX or eax, 01h 將 Bit 0, PM Flag 設定為 1 mov cr0, eax 將 EAX 寫入 CR0 Flush Jump, 讓 CPU Flush Jump 到這裡

11 Setup Segments 進入 protected mode 後, 開始將 Segment Selector 載入 DS 與 ES mov ax, FLAT_DATA_SEG 此例中 AX = 08h mov ds, ax 將 DS 設為 4GB Segment mov es, ax 將 ES 設為 4GB Segment Disbale protected mode 設定完 DS, ES 後, 就可以關閉 protected mode 了 mov eax, cr0 先將 CR0 讀入 EAX and al, 0feh 將 Bit 0, PM Flag 設為 0 mov cr0, eax 將 EAX 寫入 CR0 Far jump to 16 bit FLAT mode 因為 MASM 沒有 Far Jump 的指令, 所以我們直接利用 DB, DW 等 Macro 來寫 CPU 指令 OpCode 部分是 EAh, 後面第一個 WORD 是 Offset Address, 第二個是 Segment Address DB 0eah Far Jump 指令的 OpCode DW 請組譯器幫我們填 Offset Address DW 請組譯器幫我們填 Segment Far Jump 到這裡 ret enter_flat_mode ENDP ############################################################################## exit_flat_mode Leave Big Real Mode, 離開 Big Real Mode Input: None Output: None Modified: All possible exit_flat_mode PROC FAR PUBLIC Disable A20 關閉 A20 in al, 92h 從 Keyboard Controller 讀入 and al, not 02h 將 Bit 1, A20 設為 0 out 92h, al 寫回 Keyboard Controller Reenable interrupt 重新打開中斷 sti ret exit_flat_mode ENDP

12 ############################################################################## Globel Descriptor Table (GDT) align 16 GDT_TABLE: NULL segment DW 0, 0, 0, 0 Data segment, read/write FLAT_DATA_SEG EQU $ - GDT_TABLE DW 0ffffh DW 0 DW 9200h DW 00cfh GDT_SIZE EQU $ - GDT_TABLE GDT Pointer GDT_POINTER: DW GDT_SIZE - 1 DW 0 DW 0 GDT base address LIBFLAT ENDS

13 ############################################################################## enter_flat_mode -- Enter Big Real Mode, 進入 Big Real Mode Input: None Output: None Modified: All possible enter_flat_mode MACRO ENDM Save segment for FLAT exit 因為我們會將 DS, ES 設定為 4GB, 所以一般應用可以在進入前, 將原 DS, ES 推入 Stack push ds push es call enter_flat_mode ############################################################################## exit_flat_mode -- Leave Big Real Mode, 離開 Big Real Mode Input: None Output: None Modified: All possible exit_flat_mode MACRO Restore original segments 回存進入時所推入的 ES, DS, Segment Address 值, 來回復 real mode 64k. pop es pop ds call exit_flat_mode 關閉 A20, 打開中斷 ENDM

14 Code segment _TEXT SEGMENT PARA USE16 'CODE' libflat SEGMENT USE16 PUBLIC EXTERN enter_flat_mode:far EXTERN ENDS ############################################################################## MAIN procedure MAIN PROC FAR PRIVATE Save for DOS return push ds push ax ASSUME SS:STACK, DS:_DATA, CS:_TEXT, ES:_DATA mov ax, _DATA mov ds, ax mov es, ax Enter FLAT mode enter_flat_mode 進入 Big Real Mode FLAT mode code start 存取 Linear Address h, 讀入 Double Word 到 EAX mov esi, h 將 ESI 設為 h mov eax, ds:esi 將 Linear Address h 的內容, 讀入 EAX Exit FLAT mode exit_flat_mode 離開 Big Real Mode REAL mode code Return to DOS ret MAIN ENDP _TEXT ENDS

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untitled 8086/8088 CIP /. 2004.8 ISBN 7-03-014239-X.... TP313 CIP 2004 086019 16 100717 http://www.sciencep.com * 2004 8 2004 8 1 5 500 787 1092 1/16 16 1/2 391 000 1 2 ii 1 2 CAI CAI 3 To the teacher To the student