环境
- Time 2022-11-12
- WSL-Ubuntu 22.04
- QEMU 6.2.0
- NASM 2.15.05
前言
说明
参考：https://os.phil-opp.com/entering-longmode
目标
从保护模式切换到长模式。
定位代码段
因为当前还是执行的 32 的指令，所以需要执行跳转，重新选择 GDT，这里给代码段加了一个标记。
gdt64:
dq 0 ; 和之前一样，第一段为 0
.code: equ $ - gdt64 ; 需要跳转到代码段
; 43 表示代码段，44 同样为 1，47 表示可用，53 表示 64 位
dq (1<<43) | (1<<44) | (1<<47) | (1<<53) ; 代码段
跳转指令
和之前一样，如果模式切换了，需要执行远跳指令，刷新流水线，重新加载指令。
...
extern long_mode_start
...
; 远跳指令，清空流水线，执行 64 位指令
jmp gdt64.code:long_mode_start
同时增加了一个 extern 64 位的入口。
64 位汇编
global long_mode_start
section .text
bits 64
long_mode_start:
; 清空所有的段寄存器，因为当前为平坦模式，不需要段选择器
mov ax, 0
mov ss, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
; print `OKAY` to screen
mov rax, 0x2f592f412f4b2f4f
mov qword [0xb8000], rax
hlt
修改编译和链接
#! /usr/bin/bash
nasm -f elf32 -g boot.asm
nasm -f elf32 -g long_mode.asm
ld -T linker.ld -m elf_i386 boot.o long_mode.o -o kernel.elf
qemu-system-x86_64 -kernel kernel.elf -display curses -s -S
效果
总结
从之前的保护模式，经过一系列的操作，进入了长模式，即 64 位模式。
附录
long_mode.asm
global long_mode_start
section .text
bits 64
long_mode_start:
; 清空所有的段寄存器，因为当前为平坦模式，不需要段选择器
mov ax, 0
mov ss, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
; 打印 `OKAY` 到屏幕
mov rax, 0x2f592f412f4b2f4f
mov qword [0xb8000], rax
hlt
boot.asm
section .multiboot_header
header_start:
dd 0x1BADB002 ; 魔法数字，固定值
dd 0
dd -0x1BADB002 ; 定义的这三个数字相加需要等于0
header_end:
global start
extern long_mode_start
section .text
bits 32
start:
; 栈是否高地址往低地址增长
mov esp, stack_top
call check_cpuid
call check_long_mode
call set_up_page_tables
call enable_paging
lgdt [gdt64.pointer]
; 远跳指令，清空流水线，执行 64 位指令
jmp gdt64.code:long_mode_start
; print `OK` to screen
mov dword [0xb8000], 0x2f4b2f4f
hlt
check_cpuid:
; 检查 CPUID 是否支持可以通过翻转 ID 位，即第 21 位。
; 如果在 FLAGS 标志寄存器中，我们能够翻转它，CPUID 就是可用的。
; 通过栈拷贝 FLAGS 寄存器的值到 EAX 寄存器
pushfd
pop eax
; 将 EAX 的值拷贝到 ECX，后面要用
mov ecx, eax
; 翻转第 21 位
xor eax, 1 << 21
; 把 EAX 的值拷贝回 FLAGS 寄存器
push eax
popfd
; 拷贝 FLAGS 寄存器的值回 EAX 寄存器，检查是否翻转成功，成功翻转则支持 CPUID
pushfd
pop eax
; 通过 ECX 还原 EFLAGS 中的值
push ecx
popfd
; 比较，如果两个一样，则翻转不成功，不支持CPUID；如果翻转成功，则支持CPUID
cmp eax, ecx
je .no_cpuid
ret
.no_cpuid:
mov al, "1"
jmp error
check_long_mode:
; 检查是否有扩展的处理器信息可用
mov eax, 0x80000000 ; CPUID 的隐式参数
cpuid ; 获取最高支持的参数
cmp eax, 0x80000001 ; 如果支持长模式，至少是 0x80000001
jb .no_long_mode ; 如果小于，则不支持长模式
; 使用扩展信息验证是否支持长模式
mov eax, 0x80000001 ; 扩展处理器参数信息
cpuid ; 将各种特征标记位返回到 ECX 和 EDX
test edx, 1 << 29 ; 第 29 位是 long mode 长模式标记位，检查是否支持
jz .no_long_mode ; 如果为 0，表示不支持长模式
ret
.no_long_mode:
mov al, "2"
jmp error
set_up_page_tables:
; 将 P4 的第一个地址设置成 P3 的起始地址
mov eax, p3_table
or eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写
mov [p4_table], eax
; 将 P3 的第一个地址设置成 P2 的起始地址
mov eax, p2_table
or eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写
mov [p3_table], eax
; 将 P2 设置成 2M 的巨型页
mov ecx, 0 ; 循环的计数器
.map_p2_table:
; 使用 EAX 初始化 P2 的每一项，并且映射到物理地址最低的 1G 空间
mov eax, 0x200000 ; 2MiB
mul ecx ; 每一项对应的物理地址 EAX * counter
or eax, 0b10000011 ; 存在，可写，巨型页
mov [p2_table + ecx * 8], eax ; 将地址记录到 P2 的每一项
inc ecx ; 计数器加 1
cmp ecx, 512 ; 是否存满，最大 512 项
jne .map_p2_table ; 不相等继续下次循环
ret
enable_paging:
; 将 CR3 寄存器指向 P4 的起始地址
mov eax, p4_table
mov cr3, eax
; 在 CR4 中启用物理地址扩展(Physical Address Extension)，第五位
mov eax, cr4
or eax, 1 << 5
mov cr4, eax
; 将 EFER MSR（model specific register）寄存器中的第八位设置成长模式
mov ecx, 0xC0000080
rdmsr
or eax, 1 << 8
wrmsr
; 将 CR0 的最高位分页开启位设置成 1
mov eax, cr0
or eax, 1 << 31
mov cr0, eax
ret
; 打印 `ERR: ` 和一个错误代码并停住。
; 错误代码在 al 寄存器中
error:
mov dword [0xb8000], 0x4f524f45
mov dword [0xb8004], 0x4f3a4f52
mov dword [0xb8008], 0x4f204f20
mov byte [0xb800a], al
hlt
section .rodata
gdt64:
dq 0 ; 和之前一样，第一段为 0
.code: equ $ - gdt64 ; 需要跳转到代码段
; 43 表示代码段，44 同样为 1，47 表示可用，53 表示 64 位
dq (1<<43) | (1<<44) | (1<<47) | (1<<53) ; 代码段
.pointer:
dw $ - gdt64 - 1
dq gdt64
section .bss
align 4096
p4_table:
resb 4096
p3_table:
resb 4096
p2_table:
resb 4096
stack_bottom:
resb 64
stack_top: