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第16課 - 保護模式中的特權級（中）

阿新 • • 發佈：2018-12-02
pro 啟用 add 應用場景 ima 不同 http == sas

一種新的描述符：門描述符（Gate Descriptor）

通過門描述符在不同特權級的代碼間進行跳轉 根據應用場景的不同，門描述符分為： 調用門（Call Gates） 中斷門（Interrupt Gates） 陷阱門（Trap Gate） 任務門（Task Gate）

門描述符的內存結構

每一個門描述符占用8字節內存 不同類項門描述的內存含義不同 技術分享圖片技術分享圖片

調用門描述符（Call Gates）的定義

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調用門描述符的工作原理

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調用門描述符的使用

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匯編小貼士

匯編語言中的跳轉方式 段內跳轉：call，jmp
參數為響度地址，函數調用時只需要保存當前偏移地址 段間跳轉：call far, jmp far 參數為選擇子和偏移地址 函數調用時需要同時保存段基地址和偏移地址

實驗結論

門描述符是一種特殊的描述符，需要註冊於段描述符表 調用門可以看作一個函數指針（保存具體函數的入口地址） 通過調用門選擇子對相應的函數進行遠調用（call far) 可以直接使用選擇子：偏移地址的方式調用其它段的函數 使用調用門時偏移地址無意義，僅僅是語法需要

如何復用14課的PrintString函數？

將不同代碼段需要復用的函數定義到獨立的段中（retf） 計算每一個可復用函數的偏移量（FuncName - $$） 通過段選擇子：偏移地址的方式對目標函數進行遠調用

小結

門描述符是一種特殊的描述符，需要註冊於段描述符表 門描述符分為：調用門，中斷門，陷阱門，任務門 調用門可以看作一個函數指針（保存具體函數的入口地址） 調用門選擇子對應的函數調用方式為遠調用（call far）

代碼

// inc.asm
; Segment Attribute     ; 一致性是指高特權不能訪問低特權，但是低特權能訪問高特權，不過特權級別不變
DA_32    equ    0x4000  ;
 
 保護模式32位段
DA_DR    equ    0x90    ; 只讀數據段
DA_DRW   equ    0x92    ; 可讀寫數據段
DA_DRWA  equ    0x93    ; 已訪問可讀寫數據段
DA_C     equ    0x98    ; 只執行代碼段
DA_CR    equ    0x9A    ; 可執行可讀代碼段
DA_CCO   equ    0x9C    ; 只執行一致代碼段
DA_CCOR  equ    0x9E    ; 可執行可讀一致代碼段
 
; Segment Privilege
DA_DPL0        equ        0x00    ; DPL = 0
DA_DPL1        equ        0x20    ; DPL = 1
DA_DPL2        equ        0x40    ; DPL = 2
DA_DPL3        equ        0x60    ; DPL = 3
 
; Special Attribute
DA_LDT        equ 0x82
DA_TaskGate    equ 0x85    ; 任務門類型值
DA_386TSS      equ 0x89    ; 可用 386 任務狀態段類型值
DA_386CGate    equ 0x8C    ; 386 調用門類型值
DA_386IGate    equ 0x8E    ; 386 中斷門類型值
DA_386TGate    equ 0x8F    ; 386 陷阱門類型值
 
; Selector Attribute
SA_RPL0    equ    0        ; 高特權，內核級
SA_RPL1    equ    1        ; 中高特權，服務級
SA_RPL2    equ    2        ; 中低特權，服務級
SA_RPL3    equ    3        ; 低特權，用戶級
 
SA_TIG    equ    0         ; GDT
SA_TIL    equ    4         ; LDT，本質是1，因為後面還有2bit的RPL標誌位
 
; 描述符
; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;         Base: dd
;         Limit:dd (low 20 bits available)
;         Attr: dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3                            ; 段基址，段界限，段屬性
    dw    %2 & 0xFFFF                          ; 段界限1
    dw    %1 & 0xFFFF                          ; 段基址1
    db    (%1 >> 16) & 0xFF                    ; 段基址2
    dw    ((%2 >> 8) & 0xF00) | (%3 & 0xF0FF)  ; 屬性1 + 段界限2 + 屬性2
    db    (%1 >> 24) & 0xFF                    ; 段基址3
%endmacro                                      ; 共8字節
 
; 門
; usage: Gate Selector, Offset, DCount, Attr
;            Selector:    dw
;            Offset:      dd
;            DCount:      db
;            Attr:        db
%macro Gate 4
    dw (%2 & 0xFFFF)                         ; 偏移地址1
    dw %1                                    ; 選擇子
    dw (%3 & 0x1F) | ((%4 << 8) & 0xFF00)    ; 屬性
    dw ((%2 >> 16) & 0xFFFF)                 ; 偏移地址2
%endmacro
 
 
 
// loader.asm
%include "inc.asm"
 
org 0x9000
 
jmp ENTRY_SEGMENT
 
[section .gdt]                                ; 全局描述符表，部分段基址暫未知地址需使用時再調節
; GDT definition
;                        "函數名"    段基址        段界限                    段屬性
GDT_ENTRY       :        Descriptor    0,            0,                        0                ; 全局段描述符表第0項不使用
CODE32_DESC     :        Descriptor    0,            Code32SegLen - 1,        DA_C    + DA_32
VIDEO_DESC      :        Descriptor    0xB8000,      0x07FFF,                 DA_DRWA + DA_32
STACK32_DESC    :        Descriptor    0,            TopOfStack32,            DA_DRW  + DA_32
FUNCTION_DESC   :        Descriptor    0,            FunctionSegLen - 1,      DA_C + DA_32
; Gate Descriptor
; Call Gate                            選擇子            偏移    參數個數    屬性
FUNC_CG_ADD_DESC        Gate    FunctionSelector,    CG_Add,        0,        DA_386CGate
FUNC_CG_SUB_DESC        Gate    FunctionSelector,    CG_Sub,        0,        DA_386CGate
; GDT end
 
GdtLen    equ    $ - GDT_ENTRY
 
GdtPtr:                                        ; 全局描述符表指針
        dw    GdtLen - 1    ; 偏移，記錄描述符數量
        dd    0             ; 全局描述符起始地址，先初始化為0
 
 
; GDT Selector
;                                TI：全局、局部    RPL：請求權限級別
Code32Selector       equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0    ; 0x0001==第二個選擇子
VideoSelector        equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Stack32Selector      equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
FunctionSelector     equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
FuncCGAddSelector    equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
FuncCGSubSelector    equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
 
; end of [section .gdt]
 
TopOfStack16 equ 0x7c00
 
[section .s16]    ; 實模式代碼段（16bit）
[bits 16]         ; 使用16位編譯
ENTRY_SEGMENT:                                ; 16位保護模式入口段
    mov ax, cs                    ; 初始化相關寄存器
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, TopOfStack16
 
            ; initialize GDT for 32 bits code segment
    mov esi, CODE32_SEGMENT        ; 初始化32位保護模式32位代碼段描述符
    mov edi, CODE32_DESC
 
    call InitDescItem
        
    mov esi, STACK32_SEGMENT       ; 初始化32位保護模式32位棧段描述符
    mov edi, STACK32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, FUNCTION_SEGMENT     ; 初始化函數段描述符
    mov edi, FUNCTION_DESC
 
    call InitDescItem
 
            ; initialize GDT pointer struct
    mov eax, 0                     ; 代碼段地址左移4位
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, GDT_ENTRY             ; 代碼段偏移地址==> 左移過後的代碼段+全局描述符表入口地址偏移量
    mov dword [GdtPtr + 2], eax    ; 寫入全局描述符表指針
 
            ; 1. load GDT
    lgdt [GdtPtr]                  ; 加載全局描述符表
 
            ; 2. close interrupt
    cli                            ; 關閉中斷
 
            ; 3. open A20
    in al, 0x92                    ; 通過0x92端口開啟A20地址線開關
    or al, 00000010b
    out 0x92, al
 
            ; 4. enter protect mode
    mov eax, cr0                   ; 設置cr0寄存器，進入保護模式
    or eax, 0x01
    mov cr0, eax
 
            ; 5. jump to 32 bits code
    jmp dword Code32Selector : 0  ; 使用jmp跳轉到32位代碼段選擇子的0偏移處
 
 
; esi    --> code segment label
; edi    --> descriptor label
InitDescItem:                                ; 初始化描述符項目
    push eax
    
    mov eax, 0                        ; 代碼段地址左移4位
    mov ax, cs
    shl eax, 4                        ; 實地址=段寄存器地址左移4位+偏移地址
    add eax, esi
    mov word [edi + 2], ax            ; 將段基址寫入描述符2個字節（16位寄存器），低32位的16-31bit（偏移2字節）
    shr eax, 16                       ; 移除eax實地址中已經寫入段基址的2字節數據
    mov byte [edi + 4], al            ; 將段基址寫入描述符1個字節(8位寄存器)，高32位的0-7bit（偏移4+0=4字節）
    mov byte [edi + 7], ah            ; 將段基址寫入描述符1個字節(8位寄存器)，高32位的24-31bit（偏移4+3=7字節）
 
    pop eax
    
    ret
 
[section .s32]    ; 32位代碼段
[bits 32]        ; 使用32位編譯
CODE32_SEGMENT:                                ; 32位代碼段數據
    mov ax, VideoSelector            ; 把視頻段選擇子放到gs全局段寄存器
    mov gs, ax
 
    mov ax, Stack32Selector
    mov ss, ax
 
    mov eax, TopOfStack32
    mov esp, eax
 
    mov ax, 2
    mov bx, 1
 
    call FuncCGAddSelector : 0        ; call FunctionSelector : CG_Add    ；選擇子：偏移量
    call FuncCGSubSelector : 0        ; call FunctionSelector : CG_Sub
 
    jmp $
 
Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT
 
[section .func]
[bits 32]
FUNCTION_SEGMENT:
 
; ax --> a
; bx --> b
;
; return:
;        cx --> a + b
AddFunc:
    mov cx, ax
    add cx, bx
    retf
 
CG_Add equ AddFunc - $$
 
; ax --> a
; bx --> b
;
; return:
;        cx --> a - b
SubFunc:
    mov cx, ax
    sub cx, bx
    retf
 
CG_Sub equ SubFunc - $$
 
FunctionSegLen    equ $ - FUNCTION_SEGMENT
 
[section .gs]
[bits 32]
STACK32_SEGMENT:                            ; 32位棧段定義
    times 1024 * 4 db 0
 
Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT
TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1
 
 
 
// loader.asm    修改復用的PrintString(loader.asm - Lesson 14)
%include "inc.asm"
 
org 0x9000
 
jmp ENTRY_SEGMENT
 
[section .gdt]                                ; 全局描述符表，部分段基址暫未知地址需使用時再調節
; GDT definition
;                        "函數名"    段基址        段界限                    段屬性
GDT_ENTRY         :        Descriptor    0,            0,                        0                ; 全局段描述符表第0項不使用
CODE32_DESC       :        Descriptor    0,            Code32SegLen - 1,       DA_C    + DA_32
VIDEO_DESC        :        Descriptor    0xB8000,      0x07FFF,                DA_DRWA + DA_32
DATA32_DESC       :        Descriptor    0,            Data32SegLen - 1,       DA_DR   + DA_32
STACK32_DESC      :        Descriptor    0,            TopOfStack32,           DA_DRW  + DA_32
CODE16_DESC       :        Descriptor    0,            0xFFFF,                 DA_C
UPDATE_DESC       :        Descriptor    0,            0xFFFF,                 DA_DRW            ; 回到保護模式
TASK_A_LDT_DESC   :        Descriptor    0,            TaskALdtLen - 1,        DA_LDT            ; 全局描述符表中的局部描述符
FUNCTION_DESC     :        Descriptor    0,            FunctionSegLen - 1,     DA_C    + DA_32   ; 選擇門描述符
; GDT end
 
GdtLen    equ    $ - GDT_ENTRY
 
GdtPtr:                                        ; 全局描述符表指針
        dw    GdtLen - 1    ; 偏移，記錄描述符數量
        dd    0             ; 全局描述符起始地址，先初始化為0
 
 
; GDT Selector
;                            TI：全局、局部    RPL：請求權限級別
Code32Selector    equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0    ; 0x0001==第二個選擇子
VideoSelector     equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Stack32Selector   equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Code16Selector    equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
UpdateSelector    equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0    ; 回到保護模式
TaskALdtSelector  equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0    ; 局部描述符表選擇子A
FunctionSelector  equ (0x0008 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0    ; 選擇門
; end of [section .gdt]
 
TopOfStack16 equ 0x7c00
 
[section .dat]                                ; 32位數據段
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
    DTOS                db "D.T.OS!", 0    ; 註意添加字符串結束標記0
    DTOS_OFFSET            equ DTOS - $$
    HELLO_WORLD            db "Hello World!", 0
    HELLO_WORLD_OFFSET    equ HELLO_WORLD - $$
 
Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT
 
[section .s16]    ; 實模式代碼段（16bit）
[bits 16]         ; 使用16位編譯
ENTRY_SEGMENT:                                ; 16位保護模式入口段
    mov ax, cs                    ; 初始化相關寄存器
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, TopOfStack16
 
    mov [BACK_TO_REAL_MODE + 3], ax
 
            ; initialize GDT for 32 bits code segment
    mov esi, CODE32_SEGMENT        ; 初始化32位保護模式32位代碼段描述符
    mov edi, CODE32_DESC
 
    call InitDescItem
        
    mov esi, DATA32_SEGMENT        ; 初始化32位保護模式32位數據段描述符
    mov edi, DATA32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, STACK32_SEGMENT       ; 初始化32位保護模式32位棧段描述符
    mov edi, STACK32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, CODE16_SEGMENT        ; 初始化32位保護模式16位代碼段描述符
    mov edi, CODE16_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, TASK_A_LDT_ENTRY      ; 初始化局部描述符表
    mov edi, TASK_A_LDT_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, TASK_A_CODE32_SEGMENT
    mov edi, TASK_A_CODE32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, TASK_A_DATA32_SEGMENT
    mov edi, TASK_A_DATA32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, TASK_A_STACK32_SEGMENT
    mov edi, TASK_A_STACK32_DESC
 
    call InitDescItem
 
    mov esi, FUNCTION_SEGMENT
    mov edi, FUNCTION_DESC
 
    call InitDescItem
 
            ; initialize GDT pointer struct
    mov eax, 0                    ; 代碼段地址左移4位
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, GDT_ENTRY             ; 代碼段偏移地址==> 左移過後的代碼段+全局描述符表入口地址偏移量
    mov dword [GdtPtr + 2], eax    ; 寫入全局描述符表指針
 
            ; 1. load GDT
    lgdt [GdtPtr]                 ; 加載全局描述符表
 
            ; 2. close interrupt
    cli                            ; 關閉中斷
 
            ; 3. open A20
    in al, 0x92                    ; 通過0x92端口開啟A20地址線開關
    or al, 00000010b
    out 0x92, al
 
            ; 4. enter protect mode
    mov eax, cr0                   ; 設置cr0寄存器，進入保護模式
    or eax, 0x01
    mov cr0, eax
 
            ; 5. jump to 32 bits code
    jmp dword Code32Selector : 0  ; 使用jmp跳轉到32位代碼段選擇子的0偏移處
 
BACK_ENTRY_SEGMENT:               ; 返回入口段（保護模式返回實模式）
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, TopOfStack16          ; 設置16位棧頂指針
 
    in al, 0x92                                ; 關閉A20地址線
    and al, 11111101b
    out 0x92, al
 
    sti                                        ; 開啟中斷
 
    mov bp, HELLO_WORLD                        ; 使用實模式打印提示語句，註意bp指向的是字符串而不是段起始地址
    mov cx, 12                    ; 字符串長度
    mov dx, 0                     ; 打印於第0行
    mov ax, 0x1301                ; 在電傳打字機模式輸出，字符串只含字符，啟用BL屬性
    mov bx, 0x0007                ; 打印第0頁，輸出白色前景色
    int 0x10
 
    jmp $
 
; esi    --> code segment label
; edi    --> descriptor label
InitDescItem:                                ; 初始化描述符項目
    push eax
    
    mov eax, 0                        ; 代碼段地址左移4位
    mov ax, cs
    shl eax, 4                        ; 實地址=段寄存器地址左移4位+偏移地址
    add eax, esi
    mov word [edi + 2], ax            ; 將段基址寫入描述符2個字節（16位寄存器），低32位的16-31bit（偏移2字節）
    shr eax, 16                       ; 移除eax實地址中已經寫入段基址的2字節數據
    mov byte [edi + 4], al            ; 將段基址寫入描述符1個字節(8位寄存器)，高32位的0-7bit（偏移4+0=4字節）
    mov byte [edi + 7], ah            ; 將段基址寫入描述符1個字節(8位寄存器)，高32位的24-31bit（偏移4+3=7字節）
 
    pop eax
    
    ret
 
 
[section .s16]
[bits 16]
CODE16_SEGMENT:                                ; 保護模式返回實模式
    mov ax, UpdateSelector            ; 註意不要操作CS寄存器，因為當前還是保護模式
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax
 
    mov eax, cr0                      ; 進入保護模式
    and al, 11111110b
    mov cr0, eax
 
BACK_TO_REAL_MODE:
    jmp 0 : BACK_ENTRY_SEGMENT        ; 註意使用段基地址 + 偏移量的方式
 
Code16SegLen equ $ - CODE16_SEGMENT
 
[section .func]
[bits 32]
FUNCTION_SEGMENT:
 
; ds:ebp    --> string address
; bx        --> attribute
; dx        --> dh : row, dl : col
PrintStringFunc:                            ; 打印字符串函數
    push ebp
    push eax
    push edi
    push cx
    push dx
 
print:
    mov cl, [ds:ebp]                  ; cl記錄要打印的字符
    cmp cl, 0                         ; 對比字符串結束符號
    je end
    mov eax, 80                       ; 每行字符數
    mul dh                            ; 乘以行數
    add al, dl                        ; 加上列數，最終計算出要顯示的位置
    shl eax, 1                        ; 左移乘以2，計算字節偏移
    mov edi, eax                      ; 寫入顯示的偏移地址到edi
    mov ah, bl                        ; 字符屬性寫入高位
    mov al, cl                        ; 字符寫入低位
    mov [gs:edi], ax                  ; 寫入顯存對應地址
    inc ebp                           ; 指向下一個字符
    inc dl                            ; 指向屏幕的下一列
    jmp print
 
end:
    pop dx
    pop cx
    pop edi
    pop eax
    pop ebp
 
    retf
 
PrintString        equ        PrintStringFunc - $$
 
FunctionSegLen    equ        $ - FUNCTION_SEGMENT
 
[section .s32]    ; 32位代碼段
[bits 32]        ; 使用32位編譯
CODE32_SEGMENT:                                ; 32位代碼段數據
    mov ax, VideoSelector            ; 把視頻段選擇子放到gs全局段寄存器
    mov gs, ax
 
    mov ax, Stack32Selector
    mov ss, ax
 
    mov eax, TopOfStack32
    mov esp, eax
 
    mov ax, Data32Selector
    mov ds, ax
 
    mov ebp, DTOS_OFFSET              ; 在保護模式輸出字符串，地址為段偏移
    mov bx, 0x0C                      ; 黑底淡紅字
    mov dh, 12                        ; 指定行地址，註意行列都是從0開始
    mov dl, 33                        ; 指定列地址
 
    call FunctionSelector : PrintString
 
    mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET       ; 打印另一個字符串
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 13
    mov dl, 31
 
    call FunctionSelector : PrintString
 
    mov ax, TaskALdtSelector           ; 使用局部描述符表
    
    lldt ax
 
    jmp TaskACode32Selector : 0
 
    ; jmp Code16Selector : 0             ; 返回到16位實模式
 
Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT
 
[section .gs]
[bits 32]
STACK32_SEGMENT:                          ; 32位棧段定義
    times 1024 * 4 db 0
 
Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT
TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1
 
 
; =======================================
;
;            Task A code Segment
;
; =======================================
 
[section .task-a-ldt]
; Task A LDT definition
;                                段基址，            段界限，                段屬性
TASK_A_LDT_ENTRY:
TASK_A_CODE32_DESC        :    Descriptor    0,        TaskACode32SegLen - 1,        DA_C   + DA_32
TASK_A_DATA32_DESC        :    Descriptor    0,        TaskAData32SegLen - 1,        DA_DR  + DA_32
TASK_A_STACK32_DESC       :    Descriptor    0,        TaskAStack32SegLen - 1,       DA_DRW + DA_32
 
TaskALdtLen    equ $ - TASK_A_LDT_ENTRY
 
; Task A LDT Selector
TaskACode32Selector     equ (0x0000 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0
TaskAData32Selector     equ (0x0001 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0
TaskAStack32Selector    equ (0x0002 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0
 
[section .task-a-dat]
[bits 32]
TASK_A_DATA32_SEGMENT:
    TASK_A_STRING            db "This is Task A!", 0
    TASK_A_STRING_OFFSET    equ TASK_A_STRING - $$
 
TaskAData32SegLen equ $ - TASK_A_DATA32_SEGMENT
 
[section .task-a-gs]
[bits 32]
TASK_A_STACK32_SEGMENT:
    times 1024 db 0
 
TaskAStack32SegLen equ $ - TASK_A_STACK32_SEGMENT
TaskATopOfStack32 equ TaskAStack32SegLen - 1
 
[section .task-a-s32]
[bits 32]
TASK_A_CODE32_SEGMENT:
    mov ax, VideoSelector
    mov gs, ax
    
    mov ax, TaskAStack32Selector
    mov ss, ax
 
    mov eax, TaskATopOfStack32
    mov esp, eax
 
    mov ax, TaskAData32Selector
    mov ds, ax
 
    mov ebp, TASK_A_STRING_OFFSET
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 14
    mov dl, 29
 
    call FunctionSelector : PrintString
 
    jmp Code16Selector : 0                        ; 返回16位保護模式
; 刪除原有TaskAPrintString函數
TaskACode32SegLen    equ    $ - TASK_A_CODE32_SEGMENT

輸出

ndisasm -o 0x9000 loader > loader.txt反匯編查看兩個函數的調用情況，可從16位實模式跳轉到32位保護模式的地方開始（包含jmp指令），下圖是采用調用門調用兩個函數的結果 技術分享圖片 采用段選擇子：偏移地址的方式調用PrintString函數 技術分享圖片技術分享圖片

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