操作系统实现之路：保护模式初始化

Minker.bin模块是完全运行在保护模式之下的模块。严格来说，这个模块是一个历史遗留模块。当初在设计Hello China的时候，是希望把键盘驱动程序、字符显示驱动程序等内容放到这个模块里实现，同时在这个模块内实现一个最简单的shell，完成用户交互。通过Miniker即可独立操作计算机，无需进一步加载master等模块，这也是miniker（Mini-Kernel）名称的由来。但随着Hello China结构的转变，miniker中的大部分功能都被独立出来单独实现。比如键盘驱动程序，用C语言做了更加完善的实现。这样Miniker的功能就退化为初始化中断描述符表（IDT）和全局描述符表（GDT）的功能。这两个表项的初始化代码不多，后续会移植到realinit中实现（实际上realinit已经初始化了GDT，但是比较简单，miniker又做了更加完整的初始化），这样miniker会慢慢消失。但在V1.75版本里，这个模块还是存在的。

实模式下的初始化完成之后，CPU已经进入保护模式，并跳转到MINIKER.BIN模块的开始处继续执行。下面是MINIKER.BIN模块的开始部分代码。

上述代码明确地指示编译器编译成32位指令代码，即保护模式下的指令，且偏移地址设定为1MB开始处。MINIKER.BIN模块也被编译成纯二进制可执行文件格式，没有任何特定的文件头部信息。

代码重新初始化DS和ES寄存器，在REALINIT.BIN中，转换到保护模式之后，仅仅初始化了CS寄存器（JMP指令完成），此处对DS和ES寄存器进行初始化，为代码的继续执行建立环境。需要注意的是，对于DS/ES等寄存器的初始化，使用的是全局描述符表中的第三个表项（偏移0x10处）。然后，又通过一条跳转指令跳转到标号为gl_sysredirect的指令处开始执行。在上述代码和gl_sysredirect标号之间，定义了一些全局的数据结构，包括全局描述表、中断描述表等。

下面是gl_sysredirect标号处的代码。

上述代码首先把MINIKER.BIN和MASTER.BIN两个模块从最初位置（加载后的位置，位于低端的1MB内存范围内）重新搬移到1MB物理内存开始处（此时CPU工作在32位模式下，可以访问32位地址空间的任何位置）。其中，con_mini_size和con_mast_size是两个预定义的宏，分别指出了MINIKER.BIN和MASTER.BIN两个模块的长度，把这两个模块的长度相加，便是要搬移的大小。然后执行movsd（转移32比特的字符串）指令，并以rep为前缀，一次性把MINIKER.BIN和MASTER.BIN搬移到指定位置。搬移完成后，内存的布局如图3-8所示。

图3-8 模块搬移完成后的内存布局

上述搬移完成之后，紧接着又通过一条跳转指令（绝对位置跳转），跳转到标号为gl_initgdt位置开始运行。需要注意的是，这时候MINIKER.BIN已经被搬移到1MB开始处，因此，后续的执行也必须相应地调整到新的MINIKER.BIN所在的位置。若通过通常的跳转指令，直接以标号为参数，则不能正常工作。因为标号为参数，只能是一个相对位置的跳转，即以当前位置为基础，在EIP寄存器上加上当前位置到标号的偏移量，而不是跳转到标号的绝对位置。因此，必须采用绝对跳转，即直接跳转到标号所在位置。这样，采用寄存器作为参数，来执行JMP指令，可以实现绝对跳转。详细信息，可参考Intel CPU的指令手册。

顾名思义，gl_initgdt标号开始的代码，应该是用来完成初始化GDT的，如下所示：(www.xing528.com)

这段代码重新初始化了GDT寄存器，这时候的初始化，不但对DS、ES等寄存器做了初始化，而且还初始化了SS寄存器和ESP寄存器，这样后续代码就可以执行函数调用（CALL）指令了。需要注意的是，上述对各段寄存器的初始化，虽然采用了不同的段描述符，但所有段描述符的基址和长度都是相同的，因为目前Hello China的实现采用了平展模式，每个段都可以完整覆盖整个线性地址空间。详细信息可参考第5章。

对于堆栈寄存器（ESP）的初始化，是直接把一个预先定义的值DEF_INIT_ESP装入ESP寄存器，这个值目前定义为0x13FFFFFF，即物理内存20MB地址处。

完成GDT的初始化，以及相关寄存器的初始化后，又通过一条远跳转指令，跳转到gl_sysinit处继续执行。这条指令不但完成了执行路径的转移，而且更新了CS寄存器，并更新了CPU的内部上下文，包括指令预取队列、CACHE等。下面是gl_sysinit的实现。

上述代码调用一个本地过程np_fill_idt，用来完成中断描述符表的初始化，然后初始化idtr寄存器（lidt指令），并重新初始化8259中断控制寄存器。这样做是因为在实模式下，中断控制器的中断向量是从0开始的，而一旦转移到保护模式下，外部中断却是从32开始，因此，必须对中断控制器进行重新编程，以产生新的中断向量。对于中断描述符表（IDT）的初始化，在第8章中有详细介绍，在此不作赘述。

完成上述功能后，该过程使能中断（sti指令），并采用一个绝对跳转指令跳转到con_mast_start处开始执行。con_mast_start是一个预定义的宏，指明了MASTER.BIN模块所在的内存位置（物理内存位置）。至此，MINIKER.BIN模块执行完毕，控制转移到MASTER.BIN模块。

至此，采用汇编语言部分实现的功能已经执行完毕，这部分也是与特定硬件平台相关的。后续所有功能，都是采用C语言实现的与机器无关部分功能。

在嵌入式开发领域，往往把整个软件分成两部分：BSP和应用代码部分，其中BSP是单板支撑包的缩写。一般情况下，在BSP中，实现了特定硬件相关的初始化代码，以及特定硬件的驱动程序，这样是为了提升整个系统的可移植性。因为在把代码移植到不同的硬件平台的时候，从理论上说，只需要修改BSP部分就可以了（实际上远没有这么方便）。在Hello China的实现中，可以把REALINIT.BIN和MINIKER.BIN两个模块看作BSP，因为在这两个模块中，完成了对特定硬件平台（PC）的硬件初始化功能，而且在MINIKER.BIN中，还实现了针对标准PC显示器和PC键盘的驱动程序，这样在MASTER.BIN模块中，就不用考虑这些硬件的差异，而直接通过特定的接口，调用硬件提供的服务。

MASTER.BIN模块是Hello China的核心模块。该模块也完成一些初始化工作，但这些初始化工作不是特定硬件的初始化，而是操作系统正常工作的核心数据结构和核心数据对象的初始化。在完成这些初始化工作后，操作系统启动一个shell线程，用来完成与用户的交互，到达这一步后，操作系统才算成功启动完毕。