第七回 | 六行代码就进入了保护模式 - 哈喽比特

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新读者看这里，老读者直接跳过。

本系列会以一个读小说的心态，从开机启动后的代码执行顺序，带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码，了解操作系统的技术细节和设计思想。

你会跟着我一起，看着一个操作系统从啥都没有开始，一步一步最终实现它复杂又精巧的设计，读完这个系列后希望你能发出感叹，原来操作系统源码就是这破玩意。

以下是已发布文章的列表，详细了解本系列可以先从开篇词看起。

[开篇词]

[第一回 | 最开始的两行代码]

[第二回 | 自己给自己挪个地儿]

[第三回 | 做好最最基础的准备工作‍]

[第四回 | 把自己在硬盘里的其他部分也放到内存来]

[第五回 | 进入保护模式前的最后一次折腾内存]

[第六回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题]

------- 正文开始 -------

书接上回，上回书咱们说到，操作系统设置了个全局描述符表 gdt。为后面切换到保护模式后，能去那里寻找到段描述符，然后拼凑成最终的物理地址。而此时我们的内存布局变成了这个样子。这仅仅是进入保护模式前准备工作的其中一个，我们接着往下看。代码仍然是 setup.s 中的。

mov al,#0xD1        ; command write
out #0x64,al
mov al,#0xDF        ; A20 on
out #0x60,al

这段代码的意思是，打开 A20 地址线。

说人话就是，打开 A20 地址线。哈哈，开玩笑，到底什么是 A20 地址线呢？

简单理解，这一步就是为了突破地址信号线 20 位的宽度，变成 32 位可用。这是由于 8086 CPU 只有 20 位的地址线，所以如果程序给出 21 位的内存地址数据，那多出的一位就被忽略了，比如如果经过计算得出一个内存地址为

1 0000 00000000 00000000

那实际上内存地址相当于 0，因为高位的那个 1 被忽略了，地方不够。

当 CPU 到了 32 位时代之后，由于要考虑兼容性，还必须保持一个只能用 20 位地址线的模式，所以如果你不手动开启的话，即使地址线已经有 32 位了，仍然会限制只能使用其中的 20 位。

简单吧？我们继续。

接下来的一段代码，你完全完全不用看，但为了防止你一直记挂在心上，我给你截出来说道说道，这样以后我说完全不用看的代码时，你就真的可以放宽心完全不看了。

就是这一大坨，还有 Linus 自己的注释。

; well, that went ok, I hope. Now we have to reprogram the interrupts :-(
; we put them right after the intel-reserved hardware interrupts, at
; int 0x20-0x2F. There they won't mess up anything. Sadly IBM really
; messed this up with the original PC, and they haven't been able to
; rectify it afterwards. Thus the bios puts interrupts at 0x08-0x0f,
; which is used for the internal hardware interrupts as well. We just
; have to reprogram the 8259's, and it isn't fun.

    mov al,#0x11        ; initialization sequence
    out #0x20,al        ; send it to 8259A-1
    .word   0x00eb,0x00eb       ; jmp $+2, jmp $+2
    out #0xA0,al        ; and to 8259A-2
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0x20        ; start of hardware int's (0x20)
    out #0x21,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0x28        ; start of hardware int's 2 (0x28)
    out #0xA1,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0x04        ; 8259-1 is master
    out #0x21,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0x02        ; 8259-2 is slave
    out #0xA1,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0x01        ; 8086 mode for both
    out #0x21,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    out #0xA1,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    mov al,#0xFF        ; mask off all interrupts for now
    out #0x21,al
    .word   0x00eb,0x00eb
    out #0xA1,al

这里是对可编程中断控制器 8259 芯片进行的编程。

因为中断号是不能冲突的， Intel 把 0 到 0x19 号中断都作为保留中断，比如 0 号中断就规定为除零异常，软件自定义的中断都应该放在这之后，但是 IBM 在原 PC 机中搞砸了，跟保留中断号发生了冲突，以后也没有纠正过来，所以我们得重新对其进行编程，不得不做，却又一点意思也没有。这是 Linus 在上面注释上的原话。

所以我们也不必在意，只要知道重新编程之后，8259 这个芯片的引脚与中断号的对应关系，变成了如下的样子就好。

PIC 请求号	中断号	用途
IRQ0	0x20	时钟中断
IRQ1	0x21	键盘中断
IRQ2	0x22	接连从芯片
IRQ3	0x23	串口2
IRQ4	0x24	串口1
IRQ5	0x25	并口2
IRQ6	0x26	软盘驱动器
IRQ7	0x27	并口1
IRQ8	0x28	实时钟中断
IRQ9	0x29	保留
IRQ10	0x2a	保留
IRQ11	0x2b	保留
IRQ12	0x2c	鼠标中断
IRQ13	0x2d	数学协处理器
IRQ14	0x2e	硬盘中断
IRQ15	0x2f	保留

好了，接下来的一步，就是真正切换模式的一步了，从代码上看就两行。

mov ax,#0x0001  ; protected mode (PE) bit
lmsw ax      ; This is it;
jmpi 0,8     ; jmp offset 0 of segment 8 (cs)

前两行，将 cr0 这个寄存器的位 0 置 1，模式就从实模式切换到保护模式了。

所以真正的模式切换十分简单，重要的是之前做的准备工作。

再往后，又是一个段间跳转指令 jmpi，后面的 8 表示 cs（代码段寄存器）的值，0 表示偏移地址。请注意，此时已经是保护模式了，之前也说过，保护模式下内存寻址方式变了，段寄存器里的值被当做段选择子。

回顾下段选择子的模样。

8 用二进制表示就是

00000,0000,0000,1000 对照上面段选择子的结构，可以知道描述符索引值是 1，也就是要去全局描述符表（gdt）中找第一项段描述符。

还记得上一讲中的全局描述符的具体内容么？

gdt:
    .word   0,0,0,0     ; dummy

    .word   0x07FF      ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
    .word   0x0000      ; base address=0
    .word   0x9A00      ; code read/exec
    .word   0x00C0      ; granularity=4096, 386

    .word   0x07FF      ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
    .word   0x0000      ; base address=0
    .word   0x9200      ; data read/write
    .word   0x00C0      ; granularity=4096, 386

我们说了，第 0 项是空值，第一项被表示为代码段描述符，是个可读可执行的段，第二项为数据段描述符，是个可读可写段，不过他们的段基址都是 0。

所以，这里取的就是这个代码段描述符，段基址是 0，偏移也是 0，那加一块就还是 0 咯，所以最终这个跳转指令，就是跳转到内存地址的 0 地址处，开始执行。

零地址处是什么呢？还是回顾之前的内存布局图。

就是操作系统全部代码的 system 这个大模块，system 模块怎么生成的呢？由 Makefile 文件可知，是由 head.s 和 main.c 以及其余各模块的操作系统代码合并来的，可以理解为操作系统的全部核心代码编译后的结果。

tools/system: boot/head.o init/main.o \
    $(ARCHIVES) $(DRIVERS) $(MATH) $(LIBS)
    $(LD) $(LDFLAGS) boot/head.o init/main.o \
    $(ARCHIVES) \
    $(DRIVERS) \
    $(MATH) \
    $(LIBS) \
    -o tools/system > System.map

所以，接下来，我们就要重点阅读 head.s 了。