Lab 002 · 进入保护模式

这个 lab 配套 002 · 进入保护模式。目标是在 Lab 001 的 Stage2 末尾(VESA 之后)接上一段代码,把机器从实模式切到 32 位保护模式,并用 0xE9 debugcon 验证自己真的进去了。GDT 自己拼位、CR0 自己拨、远跳自己写,不给现成答案。

实验目标

• 写一张 3 项的扁平 GDT(null / code / data,base=0,limit=4GB)和配套的 gdt_ptr。
• 在实模式里 lgdt、置 CR0.PE、远跳,正式进入 32 位 PM。
• 在 pm_entry 里装载新段选择子、换栈,并往 0xE9 吐一个 P。
• 验证:build/debug.log 里出现 P。

前置条件

• 已完成 Lab 001:Stage2 能配好 VESA、屏幕能切图形模式。
• 理解段描述符的位布局(access byte / flags nibble / base / limit 三段拆分),不清楚就先翻 002 章的设计图。

任务分解

分四块走。

第一块:写 GDT 和 gdt_ptr

在 stage2.S 末尾开一个 .section .gdt,"a" + .align 8。填三项:.quad 0 空段;代码段(limit 0xFFFF、base 三段全 0、access 0x9A、flags+limit高 0xCF);数据段(同样,access 换成 0x92)。再写 gdt_ptr:16 位 limit(表长 − 1,自己算该是多少)、32 位 base(gdt 标号)。

注意 CMakeLists.txt 里 Stage2 的链接脚本要放一个 .gdt ALIGN(8) 段——GDT 必须 8 字节对齐。

第二块:DS=0 再 lgdt

在 VESA 配屏代码之后、原来 hlt 的位置接上:cli → DS=0 → lgdt gdt_ptr。想清楚为什么必须先 DS=0(实模式寻址是 DS<<4+偏移,不归零 lgdt 会读错地址)。

第三块:CR0.PE + 远跳

movl %cr0,%eax; orb $0x1,%al; movl %eax,%cr0 置 PE 位;紧接着 ljmp $0x08, $pm_entry。这条远跳必须在 .code16 区段里(那时 CPU 还在 16 位译码),别手拼 ea 机器码——交给 GAS。

第四块:pm_entry 里收拾干净

.code32 pm_entry::把 DS=ES=FS=GS=SS 全设成 0x10,ESP 设成 0x90000,movb $0x50,%al; outb %al,$0xE9 吐个 P,然后 cli; hlt 循环。

接口约束

这些得自己保证对、但 lab 不给现成代码:

• 选择子:代码 0x08(第 1 项)、数据 0x10(第 2 项),RPL=0。
• 描述符字节:access 代码 0x9A、数据 0x92;flags+limit高 0xCF(G=1、D=1、limit19:16=0xF);base 三段全是 0(扁平模型,不是源码注释里写的 0x8000——核一下你写的 base 是不是 0)。
• CR0.PE:bit 0,用 orb $0x1 而不是 movl $1(后者会把 CR0 其它位清零,后果不可预期)。
• 链接地址:Stage2 必须 . = 0x8000(=载入地址),这是绝对寻址/lgdt 的前提。从 001 的 . = 0x0 改过来。
• 全程 cli:从 lgdt 到 pm_entry 之间不许 sti——没有 IDT,开中断必三重故障。
• 段宽度:实模式段一律 pushw/popw,别混 pushl;16 位 call/ret。
• 0xE9:是 QEMU debugcon(写进 build/debug.log),不是串口。

验证步骤

第一道:构建冒烟。

cmake -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -S .
cmake --build build -j$(nproc)

第二道:QEMU 两段看。 cmake --build build --target run:

• 切 PM 前:QEMU 窗口里 001 那几行文本照常出现,屏幕切图形(和 001 一样)。
• 切 PM 后:屏幕/串口都没输出,去看 build/debug.log:

cat build/debug.log    # 期望有个 'P'

有 P 就说明 pm_entry 跑到了,PM 切换成功。

第三道:GDB 旁证。 cmake --build build --target run-debug,另一终端:

(gdb) file build/boot/stage2          # 用 ELF,别用 bin
(gdb) target remote :1234
(gdb) b *pm_entry
(gdb) c

停在 pm_entry、寄存器名从 ip 变 eip,就是真进了 32 位 PM。

常见故障

几个几乎必踩的:

lgdt 后就崩。 DS 没清零,lgdt 从错地址读了 GDTR。lgdt 前补 DS=0。

置了 PE 就三重故障重启。 漏了远跳,或远跳手拼机器码拼错。CPU 还在 16 位译码,后面的 32 位指令被错解。老实写 ljmp $0x08, $pm_entry,别手拼。

GDB 报 Invalid register ip / 反汇编一堆 (bad)。 译码宽度对不上,或喂了 bin 没喂 ELF。file build/boot/stage2 用 ELF;检查 .code16/.code32 是不是放对了远跳两侧。

一访问段就 #GP。 描述符位算错了。lgdt 不校验内容,错要到用选择子时才爆。对着 SDM 段描述符位定义核 base/limit/access/flags,limit 记得是表长 − 1。

栈一压就炸。 忘了在 pm_entry 里换栈,ESP 还是实模式遗留的小值。补 movl $0x90000, %esp,并把 SS 刷成 0x10。

通过标准

• cmake --build build 成功,stage2.bin 产出。
• make run 后:QEMU 窗口先显示 001 的文本、切图形;build/debug.log 里出现 P。
• GDB 能断在 pm_entry、寄存器变 32 位。
• 全程没有 sti、没有 IDT、没有碰任何 paging/PAE/EFER——那是 Lab 003 的事。