★PART1：進入保護模式

1. 全域性描述符表（Global Descriptor Table，GDT）

       32位保護模式下，如果要使用一個段，必須先登記，登記的資訊包括段的起始地址，段的界限和各種訪問屬性，如果偏移地址超過了段的界限，就會引發異常中斷。和一個段有關的資訊需要8個位元組來描述，這被稱為段的描述符（Segement Descriptor），每個段都需要一個描述符，為了存放描述符，需要在記憶體中開闢一段空間。這些描述符集中存放，構成了一個描述符表。

       為了跟蹤全域性描述符表，處理器內部有一個48位的暫存器，稱為全域性描述符暫存器（GDTR）。這個暫存器分為兩個部分，前16位為全域性描述表的邊界，後32位為全域性描述表的線性基地址。GDT的界限是16位的，所以GDT的最大是2¹⁶

       因為進入保護模式之前，是真實模式，真實模式只能訪問最多1MB的記憶體，所以GDT通常都是定義在1MB以下的記憶體範圍中，允許進入保護模式之後換個地方定義GDT。

       因為在進入保護模式之前處理器初始化為真實模式，同樣的，主載入程式是在0x0000:0x7c00這個地方載入的，而主載入程式最大也就512位元組，所以我們把GDT放在主載入程式之後，也就是0x7e00後面，GDT的界限可以到0x17DFF（64KB最大）。

       棧段暫存器SS被初始化為0x0000，棧是向下拓展的，我們可以把SP段定義到0x7c00處，然後向下拓展（要注意大小不能太大，因為BIOS資料區和中斷向量表都在下面）。

       描述符不是由使用者程式自己建立的，都是由作業系統建立的，如果使用者程式對段的訪問超過了作業系統所規定的範圍，或者訪問了一個不屬於它的段，那麼這些操作都會被處理器阻止。

2. 32位保護模式下GDT每個位置的定義

   每個描述符在GDT佔8個位元組，每個位置及其定義見下圖：

       在32位保護模式下，如果未開始頁功能，那麼段地址就是實體地址，注意描述符段儲存器的段界限和基地址是不連續的（其實是為了相容80286）。另外需要注意的是，段基地址最好是16位元組對齊，雖然80386原則上是可以選取任何位置作為段基地址的，但是如果不進行16位元組對齊，那麼將會對效能產生很大的影響。因為32位CPU的匯流排是32位的，所以CPU一次會從記憶體中讀取32個位元組的資料（而且是從地址4倍數的位元組開始讀，比如0x00，0x04，0x08….等4倍數地址），然後進行剔除資料不要的部分，然後進行拼合，位移到暫存器裡，這個過程是很花費時間的，但這是為了保證傳輸到暫存器裡的內容總是正確的。讀取一個字的時候總是可以正確讀到，但是讀取兩個字的時候就可能跨越4倍數的界限，然後CPU必須讀取48位數（花費兩個時鐘週期），才能正確讀取資料。（注意CPU的16位元組對齊和程式設計時候的align16是不一樣的，程式設計時的align16是直接在記憶體上組織資料，和CPU讀取資料無關。）

       GDT每個位置的意義如下：

       G位（Granularity，粒度）：

　　 這個位用於解釋界限的含義，當G=0，段界限是以位元組為單位的，這個時候，段的拓展範圍是1B-1MB（段描述符的段界限是20位的）；如果G=1，則段界限是以4KB為單位的，範圍4KB-4GB。

       S位（Descriptor Type，描述符型別）:

      當S=0，說明這是一個系統段，當S=1，說明這是一個程式碼段或者是資料段（棧段是特殊的資料段）。

DPL位（Descriptor Privilege Level，DPL特權級）

      32位處理器的DPL位有四種，分別是0,1,2,3（就是特權級0123），不同特權級的程式是相互隔離的，其訪問是嚴格限制的，而且有些處理器指令（特權指令）只能由0特權級的程式來執行。在這裡，DPL直的是訪問該段所必須擁有的最低特權級，如果這裡的數值是2，那麼特權級0,1,2可以訪問這個段，特權級3訪問這個段會被處理器阻止。

       P位（Segement Present，存在位）

       P位用於描述描述符對應的段是否存在，一般來說，描述符所指示的段都是存在於記憶體中的，但是，當記憶體空間緊張的時候，有可能只是建立了描述符，對應的記憶體空間並不存在，這個時候就應該把P位清零。表示段並不 存在，另外，同樣是在內從空間緊張的情況下，會把很少用到的段換出到硬碟中，騰出空間給當前急需記憶體的程式使用（當前正在執行的），這時，同樣要把段的描述符P位清零，當再次輪到它執行時，P=1.

       P位是處理器負責檢查的，每當通過描述符訪問記憶體的段中時，如果P位是0，則處理器會產生一個異常中斷，通常，這個中斷處理過程是作業系統提供的。該處理過程的任務是負責將該段從硬碟中換回記憶體，並將P=1。在多使用者，多工的系統中，這是一種常用的虛擬記憶體排程策略。

       D/B位（Default Operation Size，預設的運算元大小）

              對於程式碼段，當D=0表示指令的偏移地址或者運算元是16位的；D=1表示偏移地址或者運算元是32位的.

              對於棧段，當D=0，表示使用SP暫存器，棧段上界是0xFFFF；當D=1，表示使用ESP暫存器，棧段上界是0xFFFFFFFF。

       L位（64-bit Code Segement）

              這個位用於保留給64位處理器使用，當L=0，表示是32位處理器，當L=1，表示是64位處理器。

       TYPE位（描述符類別）

      X表示是否可執行（eXecutable）。資料段總是不可執行的，X=0，程式碼段可執行，X=1。

      E是對資料段而言，指示段的擴充套件方向，E=0表示向上拓展，E=1表示向下拓展。

      W段指示讀寫屬性，W=0指示不可寫入，否則會引發處理器異常中斷，W=1表示允許寫入。

      對程式碼段而言，C表示是否特權級依從（Conforming），C=0表示非依從的程式碼段，這樣的程式碼段可以和他特權級相同的程式碼段呼叫。或者通過們呼叫，C=1表示允許從低特權級的程式轉移到該段執行。程式碼段總是可以    執行，但是總是不允許被修改（如果要修改程式碼段，可以指定一個可以讀寫的資料段指向這個程式碼段）。，至於能不能讀出，由R位決定，R=0表示不能讀出，R=1表示可以讀出。（相當於一個ROM）（R位不是指示處理器能   否讀取指令的，而是限制程式和指令的行為，比如使用超越字首CS：訪問程式碼段的內容）。

       A位是已訪問位（Assessed），指示這個段最近有沒有被訪問過，在描述符建立後，這個位置應該被置零。之後，每當這個段被訪問的時候，處理器都會將這個位變成1，對這個位清零是作業系統做的，通過定期監視該段  的位置，可以統計出該段的使用頻率，當記憶體空間緊張的時候，可以不經常用的段退到硬碟上，從而實現虛擬記憶體管理。

       AVL位（Available）

              通常由作業系統用，處理器並不會使用它。

3. 安裝儲存器的段描述符並載入到GDTR中

       處理器規定，全域性描述表的第一個表必須是0，相當於是NULL

       在這裡，lgdt就是load GDT的簡稱，意圖也很明顯，就是載入GDT的意思，這個指令的運算元是一個48位的記憶體單位，低16位是GDT的界限，高32位是GDT的線性基地址，這個指令的運算元在16位模式下是16位的，在32位保護模式下是32位的，這個指令在保護模式和16位模式都可以執行。（注意段界限一定是大小-1，不要錯了）。

       在初始化狀態下，GDTR的基地址被初始化為0x00000000，界限被初始化為0xFFFF，這個指令不會影響任何標誌位。

       注意：在進入主載入程式的時候，段暫存器和GDTR的內容和處理器剛加電的時候不再相同。因為BIOS加電自檢程式在執行的時候要進入保護模式，進行相應的測試，這會改變相關段的內容。

4. 關於A20（第21個地址線）開啟問題

       8086只有20根地址線，只能訪問1MB的記憶體，到了80386有32根地址線，這裡就會出現一個問題，在8086時代，很多程式都會利用20位地址迴繞特性（當實體地址超過0xFFFFF就會迴繞到0x00000），而到了80286以後，由於地址線加多了，這個進位不會被丟棄，所以就會引發很多問題。

       Intel想了一個方法，他們在80286和80386在A20處使用一個與門控制，並且把這個與門的控制閥門放在鍵盤上，埠號是0x60，向這個埠寫入資料的時候，如果這個第一位是1，那麼鍵盤控制器通向與門的輸出就是1，與門的輸出決定於A20是0還是1（在真實模式下，只要強制與門的輸出為0，那麼真實模式的迴繞特性將會被保留）。

       我們先來看這種老式方法的操作，程式碼From:    http://hengch.blog.163.com/blog/static/107800672009013104623747/

       這種方法非常麻煩，後來到了80486，這個問題被得到簡化。在80486以後，處理器本身就有了A20M#引腳（A20 Mask，A20遮蔽），這個引腳低電平有效。在ICH上，有一個用於相容老式裝置的埠0x92，第7-2位保留，第0位叫做INIT_NOW，用於初始化處理器，當它從0到1過渡的，ICH會使INIT#引腳電平變為低電平有效，並保持至少16個PCI時鐘週期，也就是說，如果向0x92寫入1，那麼就會讓處理器復位，導致計算機強制重啟。

       當INIT_NOW從0到1，ALT_A20_GATE將會被置為1，這就是說，計算機啟動的時候，第21個根引線是自動啟用的（但是A20#M是僅用於單處理器系統，多核系統一般是不用的）。現在基本都是USB裝置了。

       快速開啟A20的方法，非常簡單。

5. 32位保護模式下的記憶體訪問

       要開啟保護模式，除了載入GDT，開啟A20還不夠，我們必須還要對CR0開關進行操作，CR0也是一個處理器內部的控制暫存器（Control Register，RD）。這樣的控制器還有CR1，CR2，CR3等。CR0是一個32位的暫存器，他的第一位（0位）是保護模式允許位（Protection Enable，PE），如果把這個位置為1，那麼處理器將會進入保護模式，按保護模式的規則開始執行。在保護模式下，真實模式下的中斷向量表不再適用，且我們不能再使用BIOS中斷，這就是為什麼我們之前要把中斷關掉的原因。

       在8086下，執行到第三行時，處理器先將ds的內容左4位，然後加上偏移地址0xc0，然後再把al的內容寫入，實際寫入的內容的位置是0x200c0。

       在32位處理器下的真實模式下，首先如果處理器要引用一個段（也就是執行將段地址傳到段暫存器的指令），處理器會自動將段地址左移4位，然後傳到描述符快取記憶體器，這以後，就一直使用描述符快取記憶體器的內容作為段地址。只要不改變段暫存器DS的內容，以後每次訪問記憶體都直接使用DS描述符快取記憶體器中的內容，在真實模式下段暫存器只能傳送16位的邏輯地址。（這個時候處理器不會把他看成是段的選擇子），處理器也只能訪問1MB的記憶體。

       PS：這裡書上有句話是錯的，作者說快取記憶體器是32位的，顯然是錯的，用bochs一看就知道是64位的，而且即使在真實模式下，描述符快取記憶體器的各個位置的定義都是一樣的，並不存在像書上說的那樣會把高位填充為0，看圖。）

（dl和dh分別是描述符快取記憶體器的低32位和高32位）

       而在32位處理器下的保護模式下，傳入段暫存器的內容不再是邏輯地址，而是段的選擇子，所謂段的選擇子，其實就是段描述符在描述符表（GDT，LDT）的索引號。

       第一部分（0~1）是RPL特權級，表示給出當前選擇該選擇子的那個程式的特權級，第二部分是TI（2）（Table Indicator），當TI=0，表示描述表在GDT中；當TI=1，表示描述符在LDT中。第三部分（3~15）是描述符索引號，這個部分是隻有13位的，正好和2¹³=8192個描述符對應。

       比如，我們要載入第一個在GDT中的段，可以這麼寫：

       這表示我們想載入在GDT的第一個段，特權級是0

       GDT的線性基地址在GDTR中，每個描述符佔用8個位元組，黨處理器在執行改變段選擇器的指令的時候，就將指令中的索引號乘以8得到偏移地址，和GDTR中的線性地址相加，以此訪問GDT，處理器會根據GDT的界限以及特權級檢查，如果沒有問題，那麼處理器就會將在對應描述符的內容的一部分（線性基地址，段界限和段的訪問屬性）載入到快取記憶體中。此後，每當有訪問記憶體的指令，就不會再訪問GDT的描述符，而是直接用當前段暫存器的快取記憶體的內容提供線性基地址。，訪問程式碼段遺失一樣如此訪問的（EIP+快取記憶體中的線性基地址）。

6. 清空流水線並且序列化處理器

       在進入保護模式之前的最後一個步驟，就是要清空流水線，因為在真實模式下，快取記憶體器也被用來直接訪問記憶體，但是這些內容在保護模式下是無效的；並且，在進入保護模式之前，已經有很多指令進入流水線了，在真實模式下他們都是按照16位運算元或者16位地址長度編譯的，即使用bits32編譯的指令，進入保護模式之後，因為CS的描述符快取記憶體中還有真實模式殘留的內容，可能會導致指令執行結果不正確，並且亂序執行得到的中間結果也是無效的，所以我們必須在進入保護模式之前把CS，SS，DS，ES，FS和GS的內容，包括段選擇器和描述符快取記憶體器的內容清除。

       建議的做法就是在設定了CR0的PE位後，立馬使用直接遠轉移指令jmp，當處理器遇到jmp時，一般會清空流水線，並且序列化執行。不僅如此，CS還會被重新載入，描述符快取記憶體器的內容會被重新整理。

       當然也可以使用dword來描述偏移地址，這樣的話flush對應標號有所不同（因為偏移地址和段的選擇子的長度變了，變成32位，不加dword這兩個長度都是16位），但是不影響執行。

　　需要注意的是，在保護模式下，不允許直接用mov指令改變段暫存器CS的內容，企圖這樣操作會引發無效操作碼的異常中斷。

       注意：在跳轉指令之前，處理器雖然進入了保護模式，但是，這個時候描述符快取記憶體器的內容沒有被重新整理，但是處理器任然是可以繼續執行下去的，因為檢查描述符是否有效，通常是在載入段暫存器（選擇器），並重新整理描述符快取記憶體器的時候進行的，比如jmp 0x0008:flush這條指令，而對於資料段來說，是載入段選擇子的時候，比如mov ds,cx，但是現在因為是剛進入保護模式，描述符的很多位，是在真實模式下都是無效的。

　　如圖，在執行跳轉指令之前，CS是個資料段，這顯然是錯的，描述符裡面的資料只是真實模式遺留下來的而已。只有跳轉指令執行後，CS的描述符快取記憶體器的內容才會被重新整理。

★PART2：進入保護模式例程

;---------------------保護模式主引導扇區程式---------------------
    mov ax,0x00 
    mov ss,ax
    mov sp,0x7c00
    
    mov ax,[cs:gdt_base+0x7c00]
    mov dx,[cs:gdt_base+0x7c00+0x02]
    mov bx,0x10
    div bx
    
    mov ds,ax                        ;得到base基地址，讓ds指向這個地址
    mov bx,dx                        ;得到偏移地址

;---------------------安裝描述符---------------------
    ;描述符0
    mov dword [ebx+0x00],0x00        ;第一個描述符必須是0
    mov dword [ebx+0x04],0x00        
    
    ;描述符1
    mov dword [ebx+0x08],0x7c0001FF
    mov dword [ebx+0x0c],0x00409800    ;基地址0x00007c00,段界限0x001FF,粒度是位元組，
                                    ;長度是512位元組，在記憶體中的32位段，特權級為0，只能執行的程式碼段
    ;描述符2
    mov dword [ebx+0x10],0x8000FFFF    
    mov dword [ebx+0x14],0x0040920B ;基地址0x000B8000,段界限0x0FFFF,粒度是位元組，
                                    ;長度是64KB，在記憶體中的32位段，特權級為0，可以讀寫的向上拓展的資料段
    ;描述符3                                
    mov dword [ebx+0x18],0x00007A00    
    mov dword [ebx+0x2c],0x00409600 ;基地址0x00000000,段界限0x07A00,粒度是位元組，
                                    ;在記憶體中的32位段，特權級為0，可以讀寫的向下拓展的棧段
                                    
    mov word [cs:gdt_size+0x7c00],31;寫入GDT段界限，4個描述符是32個位元組，所以界限就是31
    lgdt [cs:gdt_size+0x7c00]        ;load gdt
    
    mov dx,0x92                        ;南橋ICH晶片內的埠0x92
    in al,dx
    or al,0x02
    out dx,al                        ;開啟A20
    
    cli                                ;關閉中斷
    
    mov eax,cr0
    or eax,0x01
    mov cr0,eax                        ;設定PE位，處理器進入保護模式
    
    ;保護模式
    jmp 0x0008:flush                ;現在是在16位保護模式下，0x0008依然是段的選擇子，而flush則是偏移地址
    [bits 32]
flush:    
    mov cx,0x0010                    
    mov ds,cx
    
    ;以下在螢幕上顯示"Protect mode OK." 
         mov byte [0x00],'P'  
         mov byte [0x02],'r'
         mov byte [0x04],'o'
         mov byte [0x06],'t'
         mov byte [0x08],'e'
         mov byte [0x0a],'c'
         mov byte [0x0c],'t'
         mov byte [0x0e],' '
         mov byte [0x10],'m'
         mov byte [0x12],'o'
         mov byte [0x14],'d'
         mov byte [0x16],'e'
         mov byte [0x18],' '
         mov byte [0x1a],'O'
         mov byte [0x1c],'K'

　　hlt


;-------------------------------------------------------------------------------
     
    gdt_size    dw 0
    gdt_base    dd 0x00007e00        ;GDT的實體地址,主引導扇區是512個位元組，這個地址剛好在主引導扇區之後 
                             
    times 510-($-$$) db 0
                     db 0x55,0xaa