进入32位保护模式

有一说一 x86是有点恶心。

进入保护模式很简单，只需要将cr0寄存器的PE位置1就行了。但是进入之前以及进入后需要一些额外的工作。

16位实模式和32位保护模式有几点不同：

16位实模式只能寻址最多1MB内存（段+偏移），32位则可以使用4GB内存，不开启分页的话可以直接线性寻址
16位里面的段寄存器在32位里面变成了段选择器，32位扩展了段寄存器，低16为仍然可以直接操作，高位由CPU自己使用
32位下访问内存需要通过段描述符和段选择器实现
32位下的中断不再是从0x0000开始的中断向量表（high 16 bits:段地址 low 16 bits:偏移）

由于这些不同，在进入保护模式前我们需要一些准备工作。

设置GDTR寄存器

GDTR

gdtr是一个48位的寄存器，高32位用来存放段描述符地址，低16位用来存放段描述符的界限，由于段描述符占8个字节，所以低16位最多可以存放\(2^{16} \div 8 = 8192\)个段描述符，界限为（0～8191）。

GDT (Global Descriptor Table)

前面提到的段描述符就是对要使用段的描述，比如数据段ds可以给它一些属性，属性描述如下：

                                        high 32 bits

                31             24 23 22 21 20 19     16 15  14  13 12        7             0
                +----------------+--+--+--+--+--------+--+----+--+--------+----------------+
                | base 24~31     |G |DB|L |A |seg16~19|P |DPL |S |  TYPE  |   base 16~23   | 
                +----------------+--+--+--+--+--------+--+----+--+--------+----------------+

                                        low 32 bits

                31                                 16 15                                   0
                +------------------------------------+-------------------------------------+
                |            base 0~15               |            seg 0~15                 |
                +------------------------------------+-------------------------------------+

如你所见，基地址（base）和段大小（seg）被分割成了好几块，实在是恶心（兼容性的锅）。下面解释下：

seg: 段大小，即段可用内存的范围（栈段向下），共20位
base: 基地址，共32位，被分割成了3份
G：粒度，如果为0，表示段以为1字节扩展，否则以4KB为单位扩展，由于段大小为20位，所以当G置0时最多能使用1MB内存，置1时则为4GB（\(2^{20} \cdot 4096\))
D/B： Default Operation Size 或 Upper Bound，表示是否用32位偏移地址、操作数、栈指针，总之32位保护模式总是置1就对了
L：留给64位用的，这里总是置0
A： Available, 多出来的位，CPU不用，留给OS用的，我们不用，总是置0
P：Segment Present,给CPU判断通过描述符访问的对象是否在内存中，我们还没用分页，总是在内存中，所以置1
DPL： Descriptor Privilege Level，表示描述符的特权等级，总共有4级特权（0~3）所以占两个位，某些指令只能由0特权的程序跑（比如OS），我们就是在写OS,所以总是用0特权级
S：表示描述符的类型，置1时表示代码段或数据段，置0时表示系统段和门描述符(同样根据TYPE细分)
TYPE：这个就有点复杂了，对数据段来说这4位分别表示

X 可执行，显然，数据段不能执行
E 扩展方向，0表示向上扩展，即普通的数据段，1表示向下扩展，即栈
W 0表示只读，1表示可读可写
A Accessed，表示段是否最近被访问过，操作系统记账用，比如内存紧张时可以看看哪些没用过的（置0的）把它们交换到磁盘上

对代码段来说这4位分别表示

X 同数据段，不过代码段总是可执行的
C 表示是否允许低特权级的程序执行当前特权的代码，置1时表示允许，置0时则只允许高于或等于当前特权的执行
R 0表示只能执行，1表示可执行且可读
A 同数据段

准备GDT

我们的bootloader会加载到0x7c00这里，并且这个bootloader会用掉512字节，我们会把GDT给放在这个0x7c00 + 512后面，即物理地址0x00007e00（当然GDT可以随便放，只要不影响使用）。这里我们会用到3个段，数据段、代码段、栈段，所以GDT应该有3个条目，但是，CPU规定第零个条目必须是空的，即填0，所以，实际上会有4个条目，一共占用 \(4 \cdot 8 = 32\) 字节，也就是说gdtr的低16位的界限就是31 （0～31共32字节)。

根据上面对段描述符的解释，我们可以得到，数据段的高位是 0x004920b 即：段基地址的17～31位为0，16位为b（显示地址的最高位）,
粒度是字节(G=1)，
不是系统段(S=1)，
是32位的段(D=1)，
在内存中(P=1)，
特权为0(DPL=00)，
可读写的数据段(TYPE=0010)，

这里我们直接把数据段其实放在了0xb8000（文本模式的显示地址）大小是64KB，所以低位是 0x8000ffff 画个图就是这样：

注意：第一个条目应该是空的，这里只是演示
         +-----------+ -> 0x00007e08
         | 0x004920b |
         +-----------+ -> 0x00007e04
         | 0x8000fff |
         +-----------+ -> 0x00007e00
         |bootloader |
         +-----------+ -> 0x00007c00
         ~           ~
         ~           ~
         |           |
         +-----------+ -> 0x00000000

同样的，我们可以得到代码段为：

high: 0x00409800
low : 0x7c0001ff

栈段为：

high: 0x00409600
low : 0x00007a00

所以准备GDT的代码就是：

; ds is set to logic base of 0x00007e00
; bx is set to offset of 0x00007e00

; empty descriptor
mov dword [bx+0x00], 0x0
mov dword [bx+0x04], 0x0

; data seg descriptor
mov dword [bx+0x08], 0x8000ffff
mov dword [bx+0x0c], 0x0040920b

; code seg descriptor
mov dword [bx+0x10], 0x7c0001ff
mov dword [bx+0x14], 0x00409800

; stack seg descriptor
mov dword [bx+0x18], 0x00007a00
mov dword [bx+0x1c], 0x00409600

设置GDTR

设置gdtr需要设置高32位的基地址和低16位的界限，这里我们把这两个放在一起

gdt_bound dw 0 ; 2 bytes
gdt_base dd 0x00007e00 ; 4 bytes

这连续的6个字节刚好可以放进gdtr，由于已经设置了基地址为0x00007e00这里只需要设置界限即可

mov word [cs:gdt_bound+0x7c00], 31

注意，这里必须加上0x7c00（因为bootloader代码地址在这里开始）。
接下来就是设置gdtr寄存器了：

lgdt [cs:gdt_boud+0x7c00]

这样lgdt就会从[cs:gdt_boud+0x7c00]出读取连续的6个字节，完成设置。

进入保护模式

只需要

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

好了，现在就是保护模式了。接下来的代码必须按32位编译了，因此需要加上 bits 32，原因是32下指令的机器码都不一样了。

进入之前

前面提到，保护模式下访问内存的方式变了，拿0x0000:0x7c00举例，以前是逻辑地址（段地址+偏移），现在是段选择器+偏移，同样的段寄存器，但使用方式变了。下面是段选择器（即扩展后段寄存器的低16位）的描述：

         15                    3  2    0 
         +----------------------+--+----+
         | descriptor index     |TI| RPL|
         +----------------------+--+----+

其中descriptor index即前文GDT中条目的索引，TI即 table indicator，为1时表示描述符在LDT（后面再说）中，为0时表示在GDT中，RPL表示特权，现在填0即可（即00)。

还有点需要注意的是，在进入32位保护模式前，我们的代码是按照16位模式编译的，在为进入时很多指令可能进到了流水线，一旦进到32位保护模式，这些已经缓存的指令还是16位的，这样会对后续的执行造成影响，甚至出错。所以，我们需要清空这些东西，最简单的办法就是做一个远跳转。

有了这些前置准备，下面可以写代码了

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

jmp dword 0x0010:start

bits 32

start:
 ; do something

代码中段选择器是0x0010，按照上面的描述，换成2进制表示为0000_0000_0010_000表示代码段（见准备GDT处）的索引。

演示

完整代码protect_mode.asm