MiniOS64 | (3) 旅程刚刚开始
旅程刚刚开始
能用 64 位吗？
我们已经完成了从 16 位实模式到 32 位保护模式的切换。
如果你就是要编写 32 位操作系统的话，可以就此停下，对其进行完善，比如设置页表、实现中断等，然后开始写内核。
但我们的目标是，遥遥领先。因此，我们要继续完成从 32 位保护模式到 64 位长模式的切换。
我们这里只讨论 x86_64。而 IA-64 和 x86_64 差别巨大，我们暂不做讨论。
和之前的切换类似，64 位长模式相较于 32 位保护模式会带来如下变化：
- 64 位、且更多的寄存器。包括 8 个通用寄存器
rax、rbx、rcx、rdx、rsi、rdi、rbp、rsp和 8 个 SSE 寄存器r8、r9、r10、r11、r12、r13、r14、r15； - 更大的地址空间。64 位长模式下，CPU 可以访问到 2^64 个字节的虚拟内存；物理地址空间也达到了 2^52 个字节；
- 不再支持分段，改为使用分页；
- 不再支持虚拟 8086 模式。如果需要运行 32 位或者 16 位的程序，需要在兼容模式下运行；
- CPU 将支持一些新的指令。
总体来说，切换到 64 位带来的好处是巨大的，可以让我们更好地利用硬件资源，提高程序的性能。
但是，从 32 位切换至 64 位相较于从 16 位切换到 32 位有很大不同。最先需要考虑的就是，部分 CPU 不支持 64 位长模式，在切换前需要检查支持情况。只有支持 64 位的 CPU 才能进入 64 位长模式。
检查支持情况可以直接通过 CPUID 来实现。CPUID 是 x86 架构下的用于查询 CPU 具体信息的指令，可以获取到 CPU 的制造商、型号、指令集、功能特性等。对于完全支持 CPUID 的 CPU，这个指令可以接收这些参数值：
- 基础功能：
-
0：获取厂商标识符； -
1：获取CPU型号、系列号、步进和特性信息； -
2：获取高级处理器缓存描述符； -
3：获取处理器序列号； -
4：获取确定处理器类型的确定位；
-
- 扩展功能：
-
0x80000000：获取最大扩展参数值和厂商标识符； -
0x80000001：获取扩展处理器信息和特性位； -
0x80000002-0x80000004：获取处理器品牌字符串。
-
表明 CPU 是否支持 64 位长模式的标志位就可以用参数 0x80000001 获取得到。然而，有一些 CPU 并不支持扩展功能；更有些 CPU 直接不支持 CPUID 指令！
于是，我们为了检查 CPU 对 64 位长模式的支持情况，需要逐项检查：
-
检查 CPU 是否支持
CPUID指令；标志位寄存器的第 21 位表明了 CPU 是否支持
CPUID指令。如果支持，则其必须为1，否则可以为任意值。我们可以修改这一位，然后观察它是否会被自动该回去。如果被改回去了，就说明 CPU 支持CPUID指令。 -
检查
CPUID指令是否支持扩展功能；CPUID指令的最大参数值可以通过参数0x80000000获取。如果支持扩展功能，那么最大参数值应该大于等于0x80000001。 -
使用
CPUID指令的扩展功能检查是否支持 64 位长模式。如果支持 64 位长模式，那么
CPUID指令的参数0x80000001的第 29 位应该为1。
我们依据以上步骤，可以写出检查 CPU 是否支持 64 位长模式的代码：
boot/protected_mode/check_elevate.asm：
[bits 32]
; @depends print.asm
; @depends print_clear.asm
check_elevate_32:
pusha ; 保存寄存器状态
; 将标志位第 21 位翻转，观察是否会自动恢复，如果恢复了，说明 cpuid 存在
.check_cpuid_exist_32:
pushfd ; 保存标志寄存器
pop eax ; 将标志寄存器保存到 eax
mov ecx, eax ; 复制标志寄存器到 ecx
xor eax, 0x200000 ; 将第 21 位翻转
push eax ; 将修改后的标志寄存器保存到栈中
popfd ; 恢复标志寄存器
pushfd ; 保存修改后的标志寄存器
pop eax ; 将修改后的标志寄存器保存到 eax
push ecx ; 将原始标志寄存器保存到栈中
popfd ; 恢复标志寄存器
cmp eax, ecx ; 比较修改后的标志寄存器和原始标志寄存器
je .no_cpuid_32 ; 如果相等，说明不支持 64 位
; 将 0x80000000 作为参数调用 cpuid，如果 eax 变大了，说明支持扩展功能
.check_cpuid_extend_function_exist_32:
mov eax, 0x80000000 ; 设置 cpuid 的最大功能号
cpuid ; 调用 cpuid
cmp eax, 0x80000000 ; 检查是否支持扩展功能
jle .no_cpuid_extend_function_32
;
.check_cpuid_lm_32:
mov eax, 0x80000001 ; 设置 cpuid 的功能号
cpuid ; 调用 cpuid
test edx, 0x20000000 ; 检查第 29 位是否为 1
jz .no_lm_32
popa ; 恢复寄存器状态
ret
.no_cpuid_32:
call print_clear_32
mov esi, NO_CPUID_MSG_32
call print_32
jmp $
.no_cpuid_extend_function_32:
call print_clear_32
mov esi, NO_EXTEND_MSG_32
call print_32
jmp $
.no_lm_32:
call print_clear_32
mov esi, NO_LM_MSG_32
call print_32
jmp $
NO_CPUID_MSG_32 db "[ERR] CPUID not supported", 0
NO_EXTEND_MSG_32 db "[ERR] Extended functions not supported", 0
NO_LM_MSG_32 db "[ERR] Long mode not supported", 0
页表
页表是一种数据结构，用于将虚拟地址映射到物理地址。你可以把页表理解为之前用过的段寄存器的升级版。它可以更加高效地管理内存，提高内存的利用率，同时支持虚拟内存、内存保护等功能。但在这里，bootloader 的职责只是建立起一个最基本的页表，以便能够加载和运行内核。在内核加载完后，就会将页表移交给内核了。
页表由 4 层组成：
-
PML4（Page Map Level 4）：最顶层的页表，用于将虚拟地址映射到PDPT； -
PDPT（Page Directory Pointer Table）：第二层的页表，用于将虚拟地址映射到PD； -
PD（Page Directory）：第三层的页表，用于将虚拟地址映射到PT； -
PT（Page Table）：最底层的页表，用于将虚拟地址映射到物理地址。
有些还支持更高层级的页表
PML5。但是，页表层数越多，寻址越慢，普通的操作系统一般不会使用。
每层页表都有 512 个项，每个项占用 8 字节。由于 PT 的每个项可以映射 4KB 的内存，因此，理论上整个页表可以处理 48 位虚拟寻址、映射 512 * 512 * 512 * 4KB = 256TB 的内存。
你也许会问，反正是 52 位的地址总线，为什么不直接寻址 53 位的物理内存呢？
通常来讲，页表处理的内存量不会达到最大值，因为页表还有一个更重要的作用：内存保护。通过页表，我们可以将一部分内存设置为只读、只执行、不可访问等，从而保护内存不被恶意程序破坏。页表最大的意义也在于此。
页表每项的结构如下：
初始化页表的步骤如下：
- 初始化页表前，我们需要在
cr3寄存器中记录页表起始位置，并清理页表所需的内存以防发生错误。 - 初始化页表时，对于较高级的
PML4、PDPT、PD，我们只需要给它建立唯一的一个表项即可。这个表项的内容是指向下一级页表的地址，标志位只有最后两位为1——也就是存在位和可写位。对于其它标志位，我们可以设置为0。 - 对于
PT就不能这样做了，因为我们需要访问到所有内存，因此需要它建立尽可能多的表项。这样，对于每个物理地址，我们才都能映射到。 - 初始化页表之后，还需要设置 PAE 标志位。PAE（Physical Address Extension）是一种扩展的物理地址，可以将物理地址扩展到 36 位，从而支持 64 位长模式。我们只需要将
cr4寄存器的第 5 位置1即可。
接下来，我们可以写出初始化页表的代码：
boot/protected_mode/init_pt.asm：
[bits 32]
init_pt_32:
pusha
; 在 cr3 寄存器中设置页表位置并清理需要的内存
.clear_pt_memory_32:
mov edi, 0x1000 ; 页表从 0x1000 开始
mov cr3, edi ; 设置 PML4T 的基地址
xor eax, eax ; 清零 eax
mov ecx, 4096 ; 页表大小 4096 字节
rep stosd ; 清零整个页表
mov edi, cr3 ; 将 edi 设置为 PML4T 的地址
; 设置各级页表入口
.set_pt_entry_32:
mov dword[edi], 0x2003 ; 向 PML4T 写入第一个 PDPT 的地址及 flag
add edi, 0x1000 ; 将 edi 设置为第一个 PDPT 的地址
mov dword[edi], 0x3003 ; 向 PDPT 写入第一个 PD 的地址及 flag
add edi, 0x1000 ; 将 edi 设置为第一个 PD 的地址
mov dword[edi], 0x4003 ; 向 PD 写入第一个 PT 的地址及 flag
add edi, 0x1000 ; 将 edi 设置为第一个 PT 的地址
; 设置页表属性
.set_pt_attr_32:
mov ebx, 0x00000003 ; 默认地址 0x0000，flag 0x0003
mov ecx, 512 ; 下面进行 512 次循环，设置 512 个页表项
.set_pt_attr_loop_32:
mov dword[edi], ebx ; 写入第一个 PT 指向的第一个物理地址
add ebx, 0x1000 ; 下一个 PT 指向的第一个物理地址
add edi, 8 ; 下一个写入的位置
loop .set_pt_attr_loop_32 ; 循环
; 启用 PAE
.enable_pae_32:
mov eax, cr4 ; 读取 cr4
or eax, 0x20 ; 设置 PAE 位
mov cr4, eax ; 写入 cr4
popa
ret
Another GDT
尽管我们之前讲过，在 64 位长模式下不再使用分段，但是，我们还是需要设置 GDT。这是因为，GDT 里面还有一些和位数有关的标志位，我们需要调整它们。
在 64 位长模式下，GDT 的结构和 32 位保护模式下的一样。但是，64 位长模式下，GDT 的基址和限制都会被忽略，所有的段都会覆盖整个内存。此外，我们还需要调整一下和位数有关的标志位。代码如下：
[bits 32]
align 4
gdt_start_64:
dd 0x00000000 ; 空描述符（32 bit）
dd 0x00000000 ; 空描述符（32 bit）
; 代码段
gdt_code_64:
dw 0xffff ; 段长 00-15（16 bit）
dw 0x0000 ; 段基址 00-15（16 bit）
db 0x00 ; 段基址16-23（8 bit）
db 0b10011010 ; flags（8 bit）
db 0b10101111 ; flags（4 bit）+ 段长 16-19（4 bit）
db 0x00 ; 段基址 24-31（8 bit）
; 数据段
gdt_data_64:
dw 0x0000 ; 段长 00-15（16 bit）
dw 0x0000 ; 段基址 00-15（16 bit）
db 0x00 ; 段基址16-23（8 bit）
db 0b10010010 ; flags（8 bit）
db 0b10100000 ; flags（4 bit）+ 段长 16-19（4 bit）
db 0x00 ; 段基址 24-31（8 bit）
gdt_end_64:
; GDT 描述符
gdt_descriptor_64:
dw gdt_end_64 - gdt_start_64 - 1 ; 比真实长度少 1（16 bit）
dd gdt_start_64 ; 基址（32 bit）
; 常量
CODE_SEG_64 equ gdt_code_64 - gdt_start_64
DATA_SEG_64 equ gdt_data_64 - gdt_start_64
切换
现在，我们已经准备好从 32 位保护模式切换到 64 位长模式了。我们需要做的是：
-
将
IA32_EFER的第 8 位置1：IA32_EFER是一个 MSR（Model Specific Register），地址为0xc0000080，用于控制 CPU 的一些特性。第 8 位是LME（Long Mode Enable）位，用于控制是否启用 64 位长模式。读取和写入 MSR 需要使用rdmsr和wrmsr指令； -
将
CR0寄存器的第 31 位置1：这个位是
PG（Paging）位，用于启用分页机制。在 64 位长模式下，分页是必须的； -
加载 GDT；
-
刷掉 CPU 的管道队列，这和之前的切换一样，需要执行一个长距离的
jmp； -
禁用中断；
-
更新所有段寄存器，让它们指向数据段。
接下来，我们可以写出切换到 64 位长模式的代码：
boot/protected_mode/elevate.asm：
[bits 32]
elevate_64:
mov ecx, 0xc0000080 ; 设置 IA32_EFER 的第 8 位为 1
rdmsr
or eax, 1 << 8
wrmsr
mov eax, cr0 ; 将 CR0 寄存器的第 31 位置 1
or eax, 1 << 31
mov cr0, eax
lgdt [gdt_descriptor_64] ; 加载 GDT
jmp CODE_SEG_64:.init_lm_64 ; 长距离的 jmp
[bits 64]
.init_lm_64:
cli ; 禁用中断
mov ax, DATA_SEG_64 ; 更新段寄存器
mov ds, ax
mov ss, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
call BEGIN_LM_64 ; 去执行接下来的代码
合体
在 64 位长模式下，我们同样去实现一下打印函数玩玩。和之前的区别在于，64 位长模式下，我们的寄存器需要使用 64 位的寄存器。此外，64 位下不再有 pusha 和 popa 指令，我们需要手动保存和恢复寄存器。代码如下：
[bits 64]
; @param rdi: 打印样式
; @param rsi: 指向字符串的指针
print_64:
push rdi ; 保存 rdi 寄存器状态
push rsi ; 保存 rsi 寄存器状态
push rax ; 保存 rax 寄存器状态
push rdx ; 保存 rdx 寄存器状态
mov rdx, VGA_BASE_64 ; 设置显存地址
shl rdi, 8 ; 将打印样式左移 8 位
.print_loop_64:
cmp byte[rsi], 0 ; 判断是否为字符串结尾
je .print_done_64 ; 如果是，结束循环
cmp rdx, VGA_BASE_64 + VGA_LIMIT_64 ; 判断是否到达显示内存地址限制
je .print_done_64 ; 如果是，结束循环
mov rax, rdi ; 设置样式
mov al, byte[rsi] ; 取出 rsi 指向的数据
mov word[rdx], ax ; 将 ax 中的数据写入显存
add rsi, 1 ; 指向下一个字符
add rdx, 2 ; 指向下一个字符的显存位置
jmp .print_loop_64 ; 继续循环
.print_done_64:
pop rdx ; 恢复 rdx 寄存器状态
pop rax ; 恢复 rax 寄存器状态
pop rsi ; 恢复 rsi 寄存器状态
pop rdi ; 恢复 rdi 寄存器状态
ret ; 返回
boot/long_mode/print_clear.asm：
[bits 64]
; @param rdi: 打印样式
print_clear_64:
push rdi ; 保存 rdi 寄存器状态
push rax ; 保存 rax 寄存器状态
push rdx ; 保存 rdx 寄存器状态
shl rdi, 8 ; 将打印样式左移 8 位
mov rax, rdi ; 设置样式
mov al, SPACE_CHAR_64 ; 设置空格字符
mov rdi, VGA_BASE_64 ; 设置显存地址
mov rcx, VGA_LIMIT_64 / 2 ; 显示内存地址限制
rep stosw ; 将 ax 中的数据写入显存
pop rdx ; 恢复 rdx 寄存器状态
pop rax ; 恢复 rax 寄存器状态
pop rdi ; 恢复 rdi 寄存器状态
ret
SPACE_CHAR_64 equ 0x20 ; 空格字符
[org 0x7c00]
jmp BEGIN_RM_16
KERNEL_SIZE db 0 ; 内核大小
; 16 位实模式
BEGIN_RM_16:
[bits 16]
mov bp, 0x0500 ; 将栈指针移动到安全位置
mov sp, bp ; 使其向着 256 字节的 BIOS Data Area 增长
mov [BOOT_DRIVE], dl
mov bx, 0x7e00 ; 将数据存储在 512 字节的 Loaded Boot Sector
mov cl, 0x02 ; 从第 2 个扇区开始
mov dh, [KERNEL_SIZE] ; 读取 n 个扇区
add dh, 2 ; 加上 2 个扇区
mov dl, [BOOT_DRIVE] ; 读取的驱动器号
call disk_load_16 ; 读取磁盘数据
mov bx, MSG_REAL_MODE ; 打印模式信息
call print_16
call elevate_32 ; 进入 32 位保护模式
.boot_hold_16:
jmp $ ; 根本执行不到这里
%include "real_mode/print.asm"
%include "real_mode/disk.asm"
%include "real_mode/gdt.asm"
%include "real_mode/elevate.asm"
BOOT_DRIVE db 0
MSG_REAL_MODE db "Started 16-bit real mode", 0
times 510-($-$$) db 0 ; 填充 0
dw 0xaa55 ; 结束标志
BOOT_SECTOR_EXTENDED_32:
; 32 位保护模式
BEGIN_PM_32:
[bits 32]
call print_clear_32 ; 清屏
mov esi, MSG_PROT_MODE ; 打印模式信息
call print_32
call check_elevate_32 ; 检查是否支持 64 位
; call print_clear_32
; mov esi, MSG_LM_SUPPORTED ; 打印信息
; call print_32
call init_pt_32 ; 初始化页表
call elevate_64 ; 进入 64 位长模式
.boot_hold_32:
jmp $ ; 根本执行不到这里
%include "protected_mode/print.asm"
%include "protected_mode/print_clear.asm"
%include "protected_mode/check_elevate.asm"
%include "protected_mode/init_pt.asm"
%include "protected_mode/gdt.asm"
%include "protected_mode/elevate.asm"
VGA_BASE_32 equ 0x000b8000 ; VGA 显示内存地址
VGA_LIMIT_32 equ 80 * 25 * 2 ; VGA 显示内存地址限制
WHITE_ON_BLACK_32 equ 0x0f ; 白色文本，黑色背景
MSG_PROT_MODE db "Loaded 32-bit protected mode", 0
; MSG_LM_SUPPORTED db "64-bit long mode supported", 0
times 512 - ($ - BOOT_SECTOR_EXTENDED_32) db 0 ; 填充 0
BOOT_SECTOR_EXTENDED_64:
; 64 位长模式
BEGIN_LM_64:
[bits 64]
mov rdi, WHITE_ON_BLUE_64
call print_clear_64
mov rsi, MSG_LONG_MODE
call print_64
.boot_hold_64:
jmp $
%include "long_mode/print.asm"
%include "long_mode/print_clear.asm"
VGA_BASE_64 equ 0x000b8000 ; VGA 显示内存地址
VGA_LIMIT_64 equ 80 * 25 * 2 ; VGA 显示内存地址限制
WHITE_ON_BLUE_64 equ 0x1f ; 白色文本，蓝色背景
MSG_LONG_MODE db "Jumped to 64-bit long mode", 0
times 512 - ($ - BOOT_SECTOR_EXTENDED_64) db 0 ; 填充 0
现在编译运行，你应该可以看到：
现在，我们已经完成了从 16 位实模式到 64 位长模式的切换。当然，bootloader 的写法有很多，我们这里只是提供了一种较为容易理解的写法。
接下来，我们就可以开始写内核了。
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