分页机制和动态页面分配
作者：互联网
分页机制概述
分页其实就是内存块的映射管理。在我们之前的章节中，我们都是使用的分段管理模式，处理器中负责分段的部件是段部件，段管理机制是Intel处理器最基本的处理机制，在任何时候都是无法关闭的。而当开启了分页管理之后，处理器会把4GB的内存分成长度相同的段，也就是说用长度固定的页来代替长度不一的段。页的分配由处理器固件来进行，可以实现非常高效的操作。页的最小单位是4KB，也就是说4GB的内存可以分成1048576个页（页的物理地址的低12位全是0）。
在分页模式下，操作系统可以创建一个为所有任务共用的4GB虚拟内存空间。也可以为每一个任务创建一个独立的4GB虚拟内存空间，当一个程序加载的时候，操作系统既要在虚拟内存空间中分配空间，而且也要在物理内存中分配相应的也页面。另外，如果允许页共享，多个段或者多个程序可以用同一个页来存放各自的数据。4GB虚拟内存空间只是一个用来指示内存使用状况的一个机制，当操作系统加载一个程序并且创建为任务时，操作系统在虚拟内存空间中寻找空闲的段，并映射到空闲的页中取去。然后，到真正加载程序的时候，再把原本属于段的数据按页的尺寸拆分，分开写入相应的页中。页最大的好处就是方便操作系统进行内存管理，特别是虚拟内存管理，每个任务都可以有4GB虚拟内存，但是假如机器没有那么大的内存，操作系统也可以认为确实存在那么大的内存，当一个程序使用的内存超过了实际的物理内存，那么操作系统就会搜索那些暂时用不到的页，并且把他们转移到磁盘中，并且调入马上要使用的页。（当然这种操作非常地花费时间，这就是为什么小内存的电脑会有很严重的卡顿现象）。
Intel处理器的最基础的分页管理机制就是二级管理机制。（当然现在更新的处理器支持更复杂的分页操作，但是教材也没有提及。）如果每个操使用直接分页管理（也就是把4GB的内存直接分成1048576个页），这需要1048576个表项，每个表项是4字节，所以映射表的总大小是4MB。事实上程序往往用不到4GB的内存，所以1级映射是一个很严重的浪费。但是如果采用层次化分页管理，那么就会产生巨大的内存节约。所谓Intel的分页管理，其实就是把页拆成3个部分（页目录，页表和页）。
页目录（Page Directory Table，PDT） 的物理地址由PDBR（Page Directory Base Register，也就是CR3寄存器） 指定，每个任务都可以有自己的页目录。每个任务的TSS段就有自己的CR3的物理地址。每次进行任务切换的时候，CR3的内容都会被替换改为新任务的CR3域中的物理地址。页目录也是一个的页。但是他里面存放的是页表的地址，所以页目录可以指向1024个页表。
页表也可以指向1024个页，每个项也是4个字节，同样页表的大小也是页的大小。
处理器有页部件，专门负责线性地址到物理地址的转换工作。它首先将段部件送来的32位线性地址截成3段，分别是高10位（页目录的索引），中间的10位（页表的索引）和低12位（页内偏移）。操作系统要负责填写页目录和页表地址，然后程序的内存访问就可以像上图那样进行转换了。
页目录、页表和CR3的填写
- P（Present）是存在位，为“1”时，表示页表或者页位于内存中，否则，表示页表或者页不在内存中，必须先予以创建，或者从磁盘调入内存后方可使用。
- RW（Read/Write）是读/写位，为“0”时表示这样的页只能读取，为“1”时，可读可写。
-US（User/Supervisor）是用户/管理位。为“1”时，允许所有特权级别的程序访问；为“0”时，只允许特权级为0,1,2的程序访问，特权级为3的程序不能访问。 - PWT（Page-Level Write-Through）是页级通写位，和高速缓存有关，“通写”是处理器高速缓存的一种工作方式，这意味用来间接决定是否采用此种方式来改善页面的访问效率。
- A（Accessed）是访问位。该位由处理器固件来设置，用来指示此表项所指向的页是否被访问过。（这个坑爹的属性将会在练习题中体现）。
- D（Dirty）是脏位。该位由处理器固件来设置，用来指示此表项所指向的页是否被写入数据。（和A位一样，练习题会有体现）。
- PAT（Page Attribute Table）页属性表支持位。此位涉及更为复杂的分页系统。和页高速缓存有关。
- G（Global）是全局位，用来只是该表项指向的页是否为全局属性。如果页是全局属性的，那么，他将一直在高速缓存中一直保存（地址转换速度会加快）。因为页高速缓存的缓存容量有限，只能存放频繁使用的那些表项。而且，当因为任务切换等原因改变CR3寄存器的内容时，整个页高速缓存的内容都会被刷新。
- AVL位被处理器忽略，软件可以使用。
代码清单
;代码清单16-2
;文件名：c16.asm
;文件说明：用户程序
program_length dd program_end ;程序总长度#0x00
entry_point dd start ;程序入口点#0x04
salt_position dd salt_begin ;SALT表起始偏移量#0x08
salt_items dd (salt_end-salt_begin)/256 ;SALT条目数#0x0C
;-------------------------------------------------------------------------------
;符号地址检索表
salt_begin:
PrintString db '@PrintString'
times 256-($-PrintString) db 0
TerminateProgram db '@TerminateProgram'
times 256-($-TerminateProgram) db 0
;-------------------------------------------------------------------------------
reserved times 256*500 db 0 ;保留一个空白区，以演示分页
;-------------------------------------------------------------------------------
ReadDiskData db '@ReadDiskData'
times 256-($-ReadDiskData) db 0
PrintDwordAsHex db '@PrintDwordAsHexString'
times 256-($-PrintDwordAsHex) db 0
salt_end:
message_0 db 0x0d,0x0a,
db ' ............User task is running with '
db 'paging enabled!............',0x0d,0x0a,0
space db 0x20,0x20,0
;-------------------------------------------------------------------------------
[bits 32]
;-------------------------------------------------------------------------------
start:
mov ebx,message_0
call far [PrintString]
xor esi,esi
mov ecx,88
.b1:
mov ebx,space
call far [PrintString]
mov edx,[esi*4]
call far [PrintDwordAsHex]
inc esi
loop .b1
call far [TerminateProgram] ;退出，并将控制权返回到核心
;-------------------------------------------------------------------------------
program_end:
;代码清单16-1
;文件名：c16_core.asm
;文件说明：保护模式微型核心程序
;以下常量定义部分。内核的大部分内容都应当固定
core_code_seg_sel equ 0x38 ;内核代码段选择子
core_data_seg_sel equ 0x30 ;内核数据段选择子
sys_routine_seg_sel equ 0x28 ;系统公共例程代码段的选择子
video_ram_seg_sel equ 0x20 ;视频显示缓冲区的段选择子
core_stack_seg_sel equ 0x18 ;内核堆栈段选择子
mem_0_4_gb_seg_sel equ 0x08 ;整个0-4GB内存的段的选择子
;-------------------------------------------------------------------------------
;以下是系统核心的头部，用于加载核心程序
core_length dd core_end ;核心程序总长度#00
sys_routine_seg dd section.sys_routine.start
;系统公用例程段位置#04
core_data_seg dd section.core_data.start
;核心数据段位置#08
core_code_seg dd section.core_code.start
;核心代码段位置#0c
core_entry dd start ;核心代码段入口点#10
dw core_code_seg_sel
;===============================================================================
[bits 32]
;===============================================================================
SECTION sys_routine vstart=0 ;系统公共例程代码段
;-------------------------------------------------------------------------------
;字符串显示例程
put_string: ;显示0终止的字符串并移动光标
;输入：DS:EBX=串地址
push ecx
.getc:
mov cl,[ebx]
or cl,cl
jz .exit
call put_char
inc ebx
jmp .getc
.exit:
pop ecx
retf ;段间返回
;-------------------------------------------------------------------------------
put_char: ;在当前光标处显示一个字符,并推进
;光标。仅用于段内调用
;输入：CL=字符ASCII码
pushad
;以下取当前光标位置
mov dx,0x3d4
mov al,0x0e
out dx,al
inc dx ;0x3d5
in al,dx ;高字
mov ah,al
dec dx ;0x3d4
mov al,0x0f
out dx,al
inc dx ;0x3d5
in al,dx ;低字
mov bx,ax ;BX=代表光标位置的16位数
cmp cl,0x0d ;回车符？
jnz .put_0a
mov ax,bx
mov bl,80
div bl
mul bl
mov bx,ax
jmp .set_cursor
.put_0a:
cmp cl,0x0a ;换行符？
jnz .put_other
add bx,80
jmp .roll_screen
.put_other: ;正常显示字符
push es
mov eax,video_ram_seg_sel ;0x800b8000段的选择子
mov es,eax
shl bx,1
mov [es:bx],cl
pop es
;以下将光标位置推进一个字符
shr bx,1
inc bx
.roll_screen:
cmp bx,2000 ;光标超出屏幕？滚屏
jl .set_cursor
push ds
push es
mov eax,video_ram_seg_sel
mov ds,eax
mov es,eax
cld
mov esi,0xa0 ;小心！32位模式下movsb/w/d
mov edi,0x00 ;使用的是esi/edi/ecx
mov ecx,1920
rep movsd
mov bx,3840 ;清除屏幕最底一行
mov ecx,80 ;32位程序应该使用ECX
.cls:
mov word[es:bx],0x0720
add bx,2
loop .cls
pop es
pop ds
mov bx,1920
.set_cursor:
mov dx,0x3d4
mov al,0x0e
out dx,al
inc dx ;0x3d5
mov al,bh
out dx,al
dec dx ;0x3d4
mov al,0x0f
out dx,al
inc dx ;0x3d5
mov al,bl
out dx,al
popad
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
read_hard_disk_0: ;从硬盘读取一个逻辑扇区
;EAX=逻辑扇区号
;DS:EBX=目标缓冲区地址
;返回：EBX=EBX+512
push eax
push ecx
push edx
push eax
mov dx,0x1f2
mov al,1
out dx,al ;读取的扇区数
inc dx ;0x1f3
pop eax
out dx,al ;LBA地址7~0
inc dx ;0x1f4
mov cl,8
shr eax,cl
out dx,al ;LBA地址15~8
inc dx ;0x1f5
shr eax,cl
out dx,al ;LBA地址23~16
inc dx ;0x1f6
shr eax,cl
or al,0xe0 ;第一硬盘 LBA地址27~24
out dx,al
inc dx ;0x1f7
mov al,0x20 ;读命令
out dx,al
.waits:
in al,dx
and al,0x88
cmp al,0x08
jnz .waits ;不忙，且硬盘已准备好数据传输
mov ecx,256 ;总共要读取的字数
mov dx,0x1f0
.readw:
in ax,dx
mov [ebx],ax
add ebx,2
loop .readw
pop edx
pop ecx
pop eax
retf ;段间返回
;-------------------------------------------------------------------------------
;汇编语言程序是极难一次成功，而且调试非常困难。这个例程可以提供帮助
put_hex_dword: ;在当前光标处以十六进制形式显示
;一个双字并推进光标
;输入：EDX=要转换并显示的数字
;输出：无
pushad
push ds
mov ax,core_data_seg_sel ;切换到核心数据段
mov ds,ax
mov ebx,bin_hex ;指向核心数据段内的转换表
mov ecx,8
.xlt:
rol edx,4
mov eax,edx
and eax,0x0000000f
xlat
push ecx
mov cl,al
call put_char
pop ecx
loop .xlt
pop ds
popad
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
set_up_gdt_descriptor: ;在GDT内安装一个新的描述符
;输入：EDX:EAX=描述符
;输出：CX=描述符的选择子
push eax
push ebx
push edx
push ds
push es
mov ebx,core_data_seg_sel ;切换到核心数据段
mov ds,ebx
sgdt [pgdt] ;以便开始处理GDT
mov ebx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov es,ebx
movzx ebx,word [pgdt] ;GDT界限
inc bx ;GDT总字节数，也是下一个描述符偏移
add ebx,[pgdt+2] ;下一个描述符的线性地址
mov [es:ebx],eax
mov [es:ebx+4],edx
add word [pgdt],8 ;增加一个描述符的大小
lgdt [pgdt] ;对GDT的更改生效
mov ax,[pgdt] ;得到GDT界限值
xor dx,dx
mov bx,8
div bx ;除以8，去掉余数
mov cx,ax
shl cx,3 ;将索引号移到正确位置
pop es
pop ds
pop edx
pop ebx
pop eax
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
make_seg_descriptor: ;构造存储器和系统的段描述符
;输入：EAX=线性基地址
; EBX=段界限
; ECX=属性。各属性位都在原始
; 位置，无关的位清零
;返回：EDX:EAX=描述符
mov edx,eax
shl eax,16
or ax,bx ;描述符前32位(EAX)构造完毕
and edx,0xffff0000 ;清除基地址中无关的位
rol edx,8
bswap edx ;装配基址的31~24和23~16 (80486+)
xor bx,bx
or edx,ebx ;装配段界限的高4位
or edx,ecx ;装配属性
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
make_gate_descriptor: ;构造门的描述符（调用门等）
;输入：EAX=门代码在段内偏移地址
; BX=门代码所在段的选择子
; CX=段类型及属性等（各属
; 性位都在原始位置）
;返回：EDX:EAX=完整的描述符
push ebx
push ecx
mov edx,eax
and edx,0xffff0000 ;得到偏移地址高16位
or dx,cx ;组装属性部分到EDX
and eax,0x0000ffff ;得到偏移地址低16位
shl ebx,16
or eax,ebx ;组装段选择子部分
pop ecx
pop ebx
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
allocate_a_4k_page: ;分配一个4KB的页
;输入：无
;输出：EAX=页的物理地址
push ebx
push ecx
push edx
push ds
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
xor eax,eax
.b1:
bts [page_bit_map],eax
jnc .b2
inc eax
cmp eax,page_map_len*8
jl .b1
mov ebx,message_3
call sys_routine_seg_sel:put_string
hlt ;没有可以分配的页，停机
.b2:
shl eax,12 ;乘以4096（0x1000）
pop ds
pop edx
pop ecx
pop ebx
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
alloc_inst_a_page: ;分配一个页，并安装在当前活动的
;层级分页结构中
;输入：EBX=页的线性地址
push eax
push ebx
push esi
push ds
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel
mov ds,eax
;检查该线性地址所对应的页表是否存在
mov esi,ebx
and esi,0xffc00000
shr esi,20 ;得到页目录索引，并乘以4
or esi,0xfffff000 ;页目录自身的线性地址+表内偏移
test dword [esi],0x00000001 ;P位是否为“1”。检查该线性地址是
jnz .b1 ;否已经有对应的页表
;创建该线性地址所对应的页表
call allocate_a_4k_page ;分配一个页做为页表
or eax,0x00000007
mov [esi],eax ;在页目录中登记该页表
.b1:
;开始访问该线性地址所对应的页表
mov esi,ebx
shr esi,10
and esi,0x003ff000 ;或者0xfffff000，因高10位是零
or esi,0xffc00000 ;得到该页表的线性地址
;得到该线性地址在页表内的对应条目（页表项）
and ebx,0x003ff000
shr ebx,10 ;相当于右移12位，再乘以4
or esi,ebx ;页表项的线性地址
call allocate_a_4k_page ;分配一个页，这才是要安装的页
or eax,0x00000007
mov [esi],eax
pop ds
pop esi
pop ebx
pop eax
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
create_copy_cur_pdir: ;创建新页目录，并复制当前页目录内容
;输入：无
;输出：EAX=新页目录的物理地址
push ds
push es
push esi
push edi
push ebx
push ecx
mov ebx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov ds,ebx
mov es,ebx
call allocate_a_4k_page
mov ebx,eax
or ebx,0x00000007
mov [0xfffffff8],ebx
mov esi,0xfffff000 ;ESI->当前页目录的线性地址
mov edi,0xffffe000 ;EDI->新页目录的线性地址
mov ecx,1024 ;ECX=要复制的目录项数
cld
repe movsd
pop ecx
pop ebx
pop edi
pop esi
pop es
pop ds
retf
;-------------------------------------------------------------------------------
terminate_current_task: ;终止当前任务
;注意，执行此例程时，当前任务仍在
;运行中。此例程其实也是当前任务的
;一部分
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
pushfd
pop edx
test dx,0100_0000_0000_0000B ;测试NT位
jnz .b1 ;当前任务是嵌套的，到.b1执行iretd
jmp far [program_man_tss] ;程序管理器任务
.b1:
iretd
sys_routine_end:
;===============================================================================
SECTION core_data vstart=0 ;系统核心的数据段
;-------------------------------------------------------------------------------
pgdt dw 0 ;用于设置和修改GDT
dd 0
page_bit_map db 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0x55,0x55,0xff
db 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff
db 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff
db 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff
db 0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55
db 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
db 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
db 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
page_map_len equ $-page_bit_map
;符号地址检索表
salt:
salt_1 db '@PrintString'
times 256-($-salt_1) db 0
dd put_string
dw sys_routine_seg_sel
salt_2 db '@ReadDiskData'
times 256-($-salt_2) db 0
dd read_hard_disk_0
dw sys_routine_seg_sel
salt_3 db '@PrintDwordAsHexString'
times 256-($-salt_3) db 0
dd put_hex_dword
dw sys_routine_seg_sel
salt_4 db '@TerminateProgram'
times 256-($-salt_4) db 0
dd terminate_current_task
dw sys_routine_seg_sel
salt_item_len equ $-salt_4
salt_items equ ($-salt)/salt_item_len
message_0 db ' Working in system core,protect mode.'
db 0x0d,0x0a,0
message_1 db ' Paging is enabled.System core is mapped to'
db ' address 0x80000000.',0x0d,0x0a,0
message_2 db 0x0d,0x0a
db ' System wide CALL-GATE mounted.',0x0d,0x0a,0
message_3 db '********No more pages********',0
message_4 db 0x0d,0x0a,' Task switching...@_@',0x0d,0x0a,0
message_5 db 0x0d,0x0a,' Processor HALT.',0
bin_hex db '0123456789ABCDEF'
;put_hex_dword子过程用的查找表
core_buf times 512 db 0 ;内核用的缓冲区
cpu_brnd0 db 0x0d,0x0a,' ',0
cpu_brand times 52 db 0
cpu_brnd1 db 0x0d,0x0a,0x0d,0x0a,0
;任务控制块链
tcb_chain dd 0
;内核信息
core_next_laddr dd 0x80100000 ;内核空间中下一个可分配的线性地址
program_man_tss dd 0 ;程序管理器的TSS描述符选择子
dw 0
core_data_end:
;===============================================================================
SECTION core_code vstart=0
;-------------------------------------------------------------------------------
fill_descriptor_in_ldt: ;在LDT内安装一个新的描述符
;输入：EDX:EAX=描述符
; EBX=TCB基地址
;输出：CX=描述符的选择子
push eax
push edx
push edi
push ds
mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov ds,ecx
mov edi,[ebx+0x0c] ;获得LDT基地址
xor ecx,ecx
mov cx,[ebx+0x0a] ;获得LDT界限
inc cx ;LDT的总字节数，即新描述符偏移地址
mov [edi+ecx+0x00],eax
mov [edi+ecx+0x04],edx ;安装描述符
add cx,8
dec cx ;得到新的LDT界限值
mov [ebx+0x0a],cx ;更新LDT界限值到TCB
mov ax,cx
xor dx,dx
mov cx,8
div cx
mov cx,ax
shl cx,3 ;左移3位，并且
or cx,0000_0000_0000_0100B ;使TI位=1，指向LDT，最后使RPL=00
pop ds
pop edi
pop edx
pop eax
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
load_relocate_program: ;加载并重定位用户程序
;输入: PUSH 逻辑扇区号
; PUSH 任务控制块基地址
;输出：无
pushad
push ds
push es
mov ebp,esp ;为访问通过堆栈传递的参数做准备
mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel
mov es,ecx
;清空当前页目录的前半部分（对应低2GB的局部地址空间）
mov ebx,0xfffff000
xor esi,esi
.b1:
mov dword [es:ebx+esi*4],0x00000000
inc esi
cmp esi,512
jl .b1
;以下开始分配内存并加载用户程序
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax ;切换DS到内核数据段
mov eax,[ebp+12*4] ;从堆栈中取出用户程序起始扇区号
mov ebx,core_buf ;读取程序头部数据
call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
;以下判断整个程序有多大
mov eax,[core_buf] ;程序尺寸
mov ebx,eax
and ebx,0xfffff000 ;使之4KB对齐
add ebx,0x1000
test eax,0x00000fff ;程序的大小正好是4KB的倍数吗?
cmovnz eax,ebx ;不是。使用凑整的结果
mov ecx,eax
shr ecx,12 ;程序占用的总4KB页数
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;切换DS到0-4GB的段
mov ds,eax
mov eax,[ebp+12*4] ;起始扇区号
mov esi,[ebp+11*4] ;从堆栈中取得TCB的基地址
.b2:
mov ebx,[es:esi+0x06] ;取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
push ecx
mov ecx,8
.b3:
call sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0
inc eax
loop .b3
pop ecx
loop .b2
;在内核地址空间内创建用户任务的TSS
mov eax,core_data_seg_sel ;切换DS到内核数据段
mov ds,eax
mov ebx,[core_next_laddr] ;用户任务的TSS必须在全局空间上分配
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
add dword [core_next_laddr],4096
mov [es:esi+0x14],ebx ;在TCB中填写TSS的线性地址
mov word [es:esi+0x12],103 ;在TCB中填写TSS的界限值
;在用户任务的局部地址空间内创建LDT
mov ebx,[es:esi+0x06] ;从TCB中取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
mov [es:esi+0x0c],ebx ;填写LDT线性地址到TCB中
;建立程序代码段描述符
mov eax,0x00000000
mov ebx,0x000fffff
mov ecx,0x00c0f800 ;4KB粒度的代码段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+76],cx ;填写TSS的CS域
;建立程序数据段描述符
mov eax,0x00000000
mov ebx,0x000fffff
mov ecx,0x00c0f200 ;4KB粒度的数据段描述符，特权级3
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0011B ;设置选择子的特权级为3
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+84],cx ;填写TSS的DS域
mov [es:ebx+72],cx ;填写TSS的ES域
mov [es:ebx+88],cx ;填写TSS的FS域
mov [es:ebx+92],cx ;填写TSS的GS域
;将数据段作为用户任务的3特权级固有堆栈
mov ebx,[es:esi+0x06] ;从TCB中取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+80],cx ;填写TSS的SS域
mov edx,[es:esi+0x06] ;堆栈的高端线性地址
mov [es:ebx+56],edx ;填写TSS的ESP域
;在用户任务的局部地址空间内创建0特权级堆栈
mov ebx,[es:esi+0x06] ;从TCB中取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
mov eax,0x00000000
mov ebx,0x000fffff
mov ecx,0x00c09200 ;4KB粒度的堆栈段描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0000B ;设置选择子的特权级为0
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+8],cx ;填写TSS的SS0域
mov edx,[es:esi+0x06] ;堆栈的高端线性地址
mov [es:ebx+4],edx ;填写TSS的ESP0域
;在用户任务的局部地址空间内创建1特权级堆栈
mov ebx,[es:esi+0x06] ;从TCB中取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
mov eax,0x00000000
mov ebx,0x000fffff
mov ecx,0x00c0b200 ;4KB粒度的堆栈段描述符，特权级1
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0001B ;设置选择子的特权级为1
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+16],cx ;填写TSS的SS1域
mov edx,[es:esi+0x06] ;堆栈的高端线性地址
mov [es:ebx+12],edx ;填写TSS的ESP1域
;在用户任务的局部地址空间内创建2特权级堆栈
mov ebx,[es:esi+0x06] ;从TCB中取得可用的线性地址
add dword [es:esi+0x06],0x1000
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
mov eax,0x00000000
mov ebx,0x000fffff
mov ecx,0x00c0d200 ;4KB粒度的堆栈段描述符，特权级2
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
mov ebx,esi ;TCB的基地址
call fill_descriptor_in_ldt
or cx,0000_0000_0000_0010B ;设置选择子的特权级为2
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+24],cx ;填写TSS的SS2域
mov edx,[es:esi+0x06] ;堆栈的高端线性地址
mov [es:ebx+20],edx ;填写TSS的ESP2域
;重定位SALT
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;访问任务的4GB虚拟地址空间时用
mov es,eax
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
cld
mov ecx,[es:0x0c] ;U-SALT条目数
mov edi,[es:0x08] ;U-SALT在4GB空间内的偏移
.b4:
push ecx
push edi
mov ecx,salt_items
mov esi,salt
.b5:
push edi
push esi
push ecx
mov ecx,64 ;检索表中，每条目的比较次数
repe cmpsd ;每次比较4字节
jnz .b6
mov eax,[esi] ;若匹配，则esi恰好指向其后的地址
mov [es:edi-256],eax ;将字符串改写成偏移地址
mov ax,[esi+4]
or ax,0000000000000011B ;以用户程序自己的特权级使用调用门
;故RPL=3
mov [es:edi-252],ax ;回填调用门选择子
.b6:
pop ecx
pop esi
add esi,salt_item_len
pop edi ;从头比较
loop .b5
pop edi
add edi,256
pop ecx
loop .b4
;在GDT中登记LDT描述符
mov esi,[ebp+11*4] ;从堆栈中取得TCB的基地址
mov eax,[es:esi+0x0c] ;LDT的起始线性地址
movzx ebx,word [es:esi+0x0a] ;LDT段界限
mov ecx,0x00408200 ;LDT描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov [es:esi+0x10],cx ;登记LDT选择子到TCB中
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov [es:ebx+96],cx ;填写TSS的LDT域
mov word [es:ebx+0],0 ;反向链=0
mov dx,[es:esi+0x12] ;段长度（界限）
mov [es:ebx+102],dx ;填写TSS的I/O位图偏移域
mov word [es:ebx+100],0 ;T=0
mov eax,[es:0x04] ;从任务的4GB地址空间获取入口点
mov [es:ebx+32],eax ;填写TSS的EIP域
pushfd
pop edx
mov [es:ebx+36],edx ;填写TSS的EFLAGS域
;在GDT中登记TSS描述符
mov eax,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的起始线性地址
movzx ebx,word [es:esi+0x12] ;段长度（界限）
mov ecx,0x00408900 ;TSS描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov [es:esi+0x18],cx ;登记TSS选择子到TCB
;创建用户任务的页目录
;注意！页的分配和使用是由页位图决定的，可以不占用线性地址空间
call sys_routine_seg_sel:create_copy_cur_pdir
mov ebx,[es:esi+0x14] ;从TCB中获取TSS的线性地址
mov dword [es:ebx+28],eax ;填写TSS的CR3(PDBR)域
pop es ;恢复到调用此过程前的es段
pop ds ;恢复到调用此过程前的ds段
popad
ret 8 ;丢弃调用本过程前压入的参数
;-------------------------------------------------------------------------------
append_to_tcb_link: ;在TCB链上追加任务控制块
;输入：ECX=TCB线性基地址
push eax
push edx
push ds
push es
mov eax,core_data_seg_sel ;令DS指向内核数据段
mov ds,eax
mov eax,mem_0_4_gb_seg_sel ;令ES指向0..4GB段
mov es,eax
mov dword [es: ecx+0x00],0 ;当前TCB指针域清零，以指示这是最
;后一个TCB
mov eax,[tcb_chain] ;TCB表头指针
or eax,eax ;链表为空？
jz .notcb
.searc:
mov edx,eax
mov eax,[es: edx+0x00]
or eax,eax
jnz .searc
mov [es: edx+0x00],ecx
jmp .retpc
.notcb:
mov [tcb_chain],ecx ;若为空表，直接令表头指针指向TCB
.retpc:
pop es
pop ds
pop edx
pop eax
ret
;-------------------------------------------------------------------------------
start:
mov ecx,core_data_seg_sel ;令DS指向核心数据段
mov ds,ecx
mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel ;令ES指向4GB数据段
mov es,ecx
mov ebx,message_0
call sys_routine_seg_sel:put_string
;显示处理器品牌信息
mov eax,0x80000002
cpuid
mov [cpu_brand + 0x00],eax
mov [cpu_brand + 0x04],ebx
mov [cpu_brand + 0x08],ecx
mov [cpu_brand + 0x0c],edx
mov eax,0x80000003
cpuid
mov [cpu_brand + 0x10],eax
mov [cpu_brand + 0x14],ebx
mov [cpu_brand + 0x18],ecx
mov [cpu_brand + 0x1c],edx
mov eax,0x80000004
cpuid
mov [cpu_brand + 0x20],eax
mov [cpu_brand + 0x24],ebx
mov [cpu_brand + 0x28],ecx
mov [cpu_brand + 0x2c],edx
mov ebx,cpu_brnd0 ;显示处理器品牌信息
call sys_routine_seg_sel:put_string
mov ebx,cpu_brand
call sys_routine_seg_sel:put_string
mov ebx,cpu_brnd1
call sys_routine_seg_sel:put_string
;准备打开分页机制
;创建系统内核的页目录表PDT
;页目录表清零
mov ecx,1024 ;1024个目录项
mov ebx,0x00020000 ;页目录的物理地址
xor esi,esi
.b1:
mov dword [es:ebx+esi],0x00000000 ;页目录表项清零
add esi,4
loop .b1
;在页目录内创建指向页目录自己的目录项
mov dword [es:ebx+4092],0x00020003
;在页目录内创建与线性地址0x00000000对应的目录项
mov dword [es:ebx+0],0x00021003 ;写入目录项（页表的物理地址和属性）
;创建与上面那个目录项相对应的页表，初始化页表项
mov ebx,0x00021000 ;页表的物理地址
xor eax,eax ;起始页的物理地址
xor esi,esi
.b2:
mov edx,eax
or edx,0x00000003
mov [es:ebx+esi*4],edx ;登记页的物理地址
add eax,0x1000 ;下一个相邻页的物理地址
inc esi
cmp esi,256 ;仅低端1MB内存对应的页才是有效的
jl .b2
.b3: ;其余的页表项置为无效
mov dword [es:ebx+esi*4],0x00000000
inc esi
cmp esi,1024
jl .b3
;令CR3寄存器指向页目录，并正式开启页功能
mov eax,0x00020000 ;PCD=PWT=0
mov cr3,eax
mov eax,cr0
or eax,0x80000000
mov cr0,eax ;开启分页机制
;在页目录内创建与线性地址0x80000000对应的目录项
mov ebx,0xfffff000 ;页目录自己的线性地址
mov esi,0x80000000 ;映射的起始地址
shr esi,22 ;线性地址的高10位是目录索引
shl esi,2
mov dword [es:ebx+esi],0x00021003 ;写入目录项（页表的物理地址和属性）
;目标单元的线性地址为0xFFFFF200
;将GDT中的段描述符映射到线性地址0x80000000
sgdt [pgdt]
mov ebx,[pgdt+2]
or dword [es:ebx+0x10+4],0x80000000
or dword [es:ebx+0x18+4],0x80000000
or dword [es:ebx+0x20+4],0x80000000
or dword [es:ebx+0x28+4],0x80000000
or dword [es:ebx+0x30+4],0x80000000
or dword [es:ebx+0x38+4],0x80000000
add dword [pgdt+2],0x80000000 ;GDTR也用的是线性地址
lgdt [pgdt]
jmp core_code_seg_sel:flush ;刷新段寄存器CS，启用高端线性地址
flush:
mov eax,core_stack_seg_sel
mov ss,eax
mov eax,core_data_seg_sel
mov ds,eax
mov ebx,message_1
call sys_routine_seg_sel:put_string
;以下开始安装为整个系统服务的调用门。特权级之间的控制转移必须使用门
mov edi,salt ;C-SALT表的起始位置
mov ecx,salt_items ;C-SALT表的条目数量
.b4:
push ecx
mov eax,[edi+256] ;该条目入口点的32位偏移地址
mov bx,[edi+260] ;该条目入口点的段选择子
mov cx,1_11_0_1100_000_00000B ;特权级3的调用门(3以上的特权级才
;允许访问)，0个参数(因为用寄存器
;传递参数，而没有用栈)
call sys_routine_seg_sel:make_gate_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov [edi+260],cx ;将返回的门描述符选择子回填
add edi,salt_item_len ;指向下一个C-SALT条目
pop ecx
loop .b4
;对门进行测试
mov ebx,message_2
call far [salt_1+256] ;通过门显示信息(偏移量将被忽略)
;为程序管理器的TSS分配内存空间
mov ebx,[core_next_laddr]
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
add dword [core_next_laddr],4096
;在程序管理器的TSS中设置必要的项目
mov word [es:ebx+0],0 ;反向链=0
mov eax,cr3
mov dword [es:ebx+28],eax ;登记CR3(PDBR)
mov word [es:ebx+96],0 ;没有LDT。处理器允许没有LDT的任务。
mov word [es:ebx+100],0 ;T=0
mov word [es:ebx+102],103 ;没有I/O位图。0特权级事实上不需要。
;创建程序管理器的TSS描述符，并安装到GDT中
mov eax,ebx ;TSS的起始线性地址
mov ebx,103 ;段长度（界限）
mov ecx,0x00408900 ;TSS描述符，特权级0
call sys_routine_seg_sel:make_seg_descriptor
call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
mov [program_man_tss+4],cx ;保存程序管理器的TSS描述符选择子
;任务寄存器TR中的内容是任务存在的标志，该内容也决定了当前任务是谁。
;下面的指令为当前正在执行的0特权级任务“程序管理器”后补手续（TSS）。
ltr cx
;现在可认为“程序管理器”任务正执行中
;创建用户任务的任务控制块
mov ebx,[core_next_laddr]
call sys_routine_seg_sel:alloc_inst_a_page
add dword [core_next_laddr],4096
mov dword [es:ebx+0x06],0 ;用户任务局部空间的分配从0开始。
mov word [es:ebx+0x0a],0xffff ;登记LDT初始的界限到TCB中
mov ecx,ebx
call append_to_tcb_link ;将此TCB添加到TCB链中
push dword 50 ;用户程序位于逻辑50扇区
push ecx ;压入任务控制块起始线性地址
call load_relocate_program
mov ebx,message_4
call sys_routine_seg_sel:put_string
call far [es:ecx+0x14] ;执行任务切换。
mov ebx,message_5
call sys_routine_seg_sel:put_string
hlt
core_code_end:
;-------------------------------------------------------------------------------
SECTION core_trail
;-------------------------------------------------------------------------------
core_end:
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