本文详细介绍了X86架构下保护模式的寻址机制，通过对比实模式，阐述了保护模式如何实现对4GB以上内存的访问。作者通过编写内核代码，创建指向5MB内存的描述符，并演示了读写这段内存的过程，以此展示保护模式的强大寻址能力。
摘要由CSDN通过智能技术生成
保护模式超强寻址
文章写于两年前的 MacBookAir(2015)
目前笔者为 MacBookPro M1 (抽查了部分 都运行正常)
Github项目地址: https://github.com/wdkang123/MyOperatingSystem
MacOS X86架构（x新版的arm架构的我没有 所以大家自行测试)
VirtualBox
C/C++环境 （Xcode必装）
1.简介
X86架构下 CPU运行模式分两种：
（1）实模式 早期的DOS 可以说是实模式的最好表现
（2）保护模式 在保护模式下 CPU的功能进一步增强 进而支撑起 计算繁重的图形用户界面
2.物理地址的计算
2.1 实模式寻址
Intel 8086 cpu,使用16位寄存器，16位数据总线，20位的地址总线，它的寻址方式是由段和偏移两部分组成，具体物理地址是这么计算的：
物理地址 = 段值 * 16 + 偏移
段值和偏移都只能用16位来表示，段值16位，16是等于2^4，所以段值16也就相当于一个20位的数字，由此段值16的数值不会超过1M,而偏移16位，能表示的地址范围也就不超过4K,因此整个物理地址能抵达的范围也就是1M + 4k.
2.2 保护模式寻址
在保护模式下，寻址方式完全就不同了
我们上一节讲过的GDT,全局描述符表 该表的表项就叫描述符(descriptor),在描述符中 专门抽出4个字节 也就是32位数据来表示内存的基地址
这样 内存访问一下子就达到了4G 在原来的实模式下 cs, ds这些16位的寄存器往往用来存储段值
在保护模式下 这些寄存器用来存储指向GDT某个描述符的索引
在保护模式下 访问某处的内存时 仍然使用 [寄存器:偏移] 的方式，但是CPU的对地址的计算方法不再使用上面的公式，而是把寄存器中的值当做访问GDT的索引，在GDT中找到对应的描述符，从描述符中获得要访问内存的基地址，然后将基地址加上偏移，进而得到要访问的具体地址。
由此，就突破了上面寻址公式的1M范围限制。如果我们在GDT中设置一个描述符，这个描述符所描述的基地址设置为5M,那么当我们用寄存器指向这个描述符时，系统就能够读取5M以上的内存了
2.3 构建指向5M内存地址描述符
接上节的部分
我们可以构造一个指向5M内存地址的描述符：
LABEL_DESC_5M: Descriptor 0500000h, 0ffffh, DA_DRW
0500000h = 5 * (2^20), 2^20 相当于1M,
于是0500000h相当于5M.接下来我们做一个实验，先将一段数据写入到5M的内存地址，然后再读取写入的数据，将读到的数据显示到屏幕上。
下面就是我们要写的内核代码(boot_read5M.asm)：
%include "pm.inc" org 0x7c00 jmp LABEL_BEGIN [SECTION .gdt] ; 段基址 段界限 属性 LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32 LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW LABEL_DESC_5M: Descriptor 0500000h, 0ffffh, DA_DRW GdtLen equ $ - LABEL_GDT GdtPtr dw GdtLen - 1 dd 0 SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT Selector5M equ LABEL_DESC_5M - LABEL_GDT [SECTION .s16] [BITS 16] LABEL_BEGIN: mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, 0100h 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 xor eax, eax mov ax, ds shl eax, 4 add eax, LABEL_GDT mov dword [GdtPtr + 2], eax lgdt [GdtPtr] cli ;关中断 in al, 92h or al, 00000010b out 92h, al mov eax, cr0 or eax , 1 mov cr0, eax jmp dword SelectorCode32: 0 [SECTION .s32] [BITS 32] LABEL_SEG_CODE32: mov ax, SelectorVideo mov gs, ax mov si, msg mov ax, Selector5M ;用 es 指向5M内存描述符 mov es, ax mov edi, 0 write_msg_to_5M: ;将si指向的字符一个个写到5M内存处 cmp byte [si], 0 je prepare_to_show_char mov al, [si] mov [es:edi], al add edi, 1 add si, 1 jmp write_msg_to_5M prepare_to_show_char: mov ebx, 10 mov ecx, 2 mov si, 0 showChar: mov edi, (80*11) add edi, ebx mov eax, edi mul ecx mov edi, eax mov ah, 0ch mov al, [es:si] ;由于es指向描述符LABEL_DESC_5M， 所以es:si 表示的地址是从5M开始的内存,si表示从5M开始后的偏移 cmp al, 0 je end add ebx,1 add si, 1 mov [gs:edi], ax jmp showChar end: jmp $ msg: DB "This string is writeen to 5M memory", 0 SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32
再上节的基础上 我们增加了一个描述符Selector5M 用来指向5M以外的内存地址 在 write_msg_to_5M 中
由于es存储的是描述符LABEL_DESC_5M在GDT中的偏移 同时edi 初始化为0
因此[es:edi]表示从5M开始 偏移为0处的地址 mov [es:edi] , al, 就是将al的内容写入到5M偏移为0处的内存
也就是0500000h处的内存 每次循环edi都加1 于是第二次循环便将al的内容写入到内存0500001h处 依次类推
在showChar中，语句al, [es:si] 就是将5M内存处的数据读入到al中，一开始si初始化为0，所以第一次运行showChar代码，这一句将0500000h内存处的1字节数据存入al, 然后si加1，那么第二次运行时，该语句将0500001h内存处的字节信息写入到al, 依次类推
3.编译
nasm -o boot.bat boot_read5M.asm
生成 system.img
载入运行：
