【我所認知的BIOS】—>The Big Real Mode
LightSeed
2009-6-23
前面两篇，我们对实模式和保护模式做了比较详细地探讨，说了那么多其实都是为这篇文章服务的。因为在BIOS POST的过程中经常要用到1M以上的内存。但是BIOS本身的code却又都是在实模式中运行的。当然我们可以进入保护模式去访问内存，然后再切会实模式。如此反复我们是可以做到的，但是这样必定是比较麻烦的。有没有一种模式，我们在实模式下就可以直接访问到4G的内存呢？答案是肯定的。它的名字就叫做“Big Real Mode”。
1、Big Real Mode原理
在上一篇文章的far jmp说明段中，我详细说明了一下CPU取段寄存器的值（在保护模式下应该叫做取段选择子的值），然后会改变相应的hidden部分（高速缓冲）。倘若再有程序显示地修改某个段寄存器（段选择子），那么也随之会更新相应的hidden部分。反之，CPU只会从高速缓冲中去取段值（段基地址）。所以当我们在保护模式下加载了FS和GS两个段选择子后，只要不再显示修改FS和GS，那么返回实模式后用FS：esi的形式就访问到1M以上的内存了。其实原理还是用FS已经在保护模式下就加载好了的hidden部分（FS的段基地址）+esi=线性地址来访问的。
2、程序实例
;-------------这段代码从<80X86汇编语言程序设计教程>修改而来-------
;-------------只是一个比较简单的big real mode设置程序-------------
;-------------原理还是进入保护模式显示修改FS和GS返回实模式--------
;-------------切忌，本程序编译连接后生成的exe文件在纯DOS下--------
;-------------才能够执行LGDT这个命令，才能顺利进入保护模式--------
;-------------宏定义区域开始--------------------------------------
;16位偏移的段间直接转移指令的宏定义
JUMP macro selector,offsetv
db 0eah ;操作码 jmp
dw offsetv ;16位偏移
dw selector ;段值(real mode下)或者选择子(protect mode下)
endm
;字符显示宏指令的定义
ECHOCH macro ascii
mov ah, 2 ;选功能号
mov dl, ascii ;填将要显示的ASCII码给DL
int 21h ;调用DOS中断来显示ASCII码
endm
;-------------宏定义区域结束-------------------------------------
;-------------结构体定义区域开始---------------------------------
;存储段描述符结构类型的定义
DESCRIPTOR struc
Limitl dw 0 ;段界限(0~15)
Basel dw 0 ;段基地址(0~15)
Basem db 0 ;段基地址(16~23)
Attributes dw 0 ;段属性
Baseh db 0 ;段基地址(24~31)
DESCRIPTOR ENDS
;伪描述符结果类型的定义
PDESC struc
Limit dw 0 ;16界限
Base dd 0 ;基地址
PDESC ENDS
;-------------结构体定义区域结束---------------------------------
;常量定义
ATDW = 92H ;存在的可读写数据段属性值
ATCE = 98H ;存在的只执行代码段属性值
AT4G = 0CF92H ;
.386P
;--------------实模式下数据段定义开始----------------------------
dseg segment use16
align 16 ;16位段
GDT label byte ;全局描述符表GDT标志
DUMMY DESCRIPTOR <> ;空描述符
Seg4GSelector DESCRIPTOR <0FFFFH,0h,0h,AT4G,0>;FS&GS的描述符
Seg4G_sel = Seg4GSelector - GDT
GDTLEN = $ - GDT ;全局描述符表长度
;
VGDTR PDESC <GDTLEN-1,> ;①伪描述符
;
BUFFERLEN = 256 ;缓冲区字节长度
BUFFER DB BUFFERLEN DUP(0);缓冲区
dseg ends
;---------------实模式下数据段定义结束---------------------------
;---------------实模式下代码段定义开始---------------------------
cseg segment use16 ;16位段
assume cs:cseg,ds:dseg ;声明代码段和数据段
start:
mov ax,dseg
mov ds,ax ;初始化数据段
;准备要加载到GDTR的伪描述符
mov bx,16 ;乘数为16,是为了在实模式中计算地址
mul bx ;计算并设置GDT基地址
add ax,offset GDT ;此时AX中为GDT在实模式中的地址,界限在已定义时设置妥当
adc dx,0 ;如果有进位那么ADC加上
mov word ptr VGDTR.Base,ax ;填入GDT的实际地址的低word到伪描述符结构体中
mov word ptr VGDTR.Base+2,dx ;填入GDT的实际地址的高word到伪描述符结构体中
;加载GDTR
DB 66H ; execute a 32 bit LGDT
LGDT VGDTR ;命令不熟悉的话去查查
cli ;关中断
call EnableA20 ;打开地址线A20
;切换到保护模式
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax
;清指令预取队列，并真正进入保护方式
jmp VIRTUAL ;整个过程没有改变CS的值，那么存在于hidden部分的值也没有被改变
;CPU取指令时不管在实模式还是保护模式下都取到的是实模式下的指令
;这个jmp在这里只是起个形式而已，实质上没有做任何动作
VIRTUAL:
;--------设置可以访问4G的段选择子-------
mov ax,Seg4G_sel ;准备要加载的段选择子(for 4G)
mov fs,ax ;显示修改fs，使得fs在保护模式下重新加载
mov gs,ax
;--------设置完成，只要不修改fs和gs的值，那么返回real mode后，仍然可以用fs和gs来访问1M以上4G以下的内存
;切回到实方式
mov eax,cr0
and eax,0fffffffeh
mov cr0,eax
;清指令预取队列，进入实方式
jmp REAL ;整个过程没有改变CS的值，那么存在于hidden部分的值也没有被改变
;CPU取指令时不管在实模式还是保护模式下都取到的是实模式下的指令
;这个jmp在这里只是起个形式而已，实质上没有做任何动作
REAL: ;现在又回到实方式
sti ;开中断
mov esi,208each ;源数据pointer
mov di,offset BUFFER
cld ;显示缓冲区内容
mov bp,BUFFERLEN/16 ;bp作为显示的行数的计数器
Nextline:
mov cx,16 ;每行只显示16*2个字符
NextCH:
mov al,fs:[esi]
inc esi
mov ds:[di],al
inc di ;存到buffer中去
push ax ;保存ax
shr al,4 ;准备显示高4bit中的值
call ToASCII ;把al中的值转换成ASCII
ECHOCH al ;显示之
pop ax ;回复ax
call ToASCII
ECHOCH al
ECHOCH ' ' ;在字符于字符之间显示空格
loop NextCH ;处理下一个字符
ECHOCH 0dh
ECHOCH 0ah ;显示这两个ASCII回车+换行
dec bp ;显示完了否?
jnz Nextline ;bp = 0显示完了
mov ax,4c00h ;结束
int 21h
;---------------实模式下代码段定义结束--------------------------
;---------------子程式定义开始----------------------------------
;***************************************************************
;子程序名 ：HtoASC
;功 能 ：十六进制数转换成 ASCII
;入口参数 ：al=8位二进制数
;出口参数 ：无
;说 明 ：无
;***************************************************************
toASCII proc
and al,0fh ;屏蔽al的高4 bits
cmp al,9 ;compare 9
jbe toASCII1 ;小于9，直接+30H
add al,37h ;否则，al+37H
ret
toASCII1:
add al,30h
ret
toASCII endp
;***************************************************************
;打开a20地址线
;***************************************************************
EnableA20 proc
push ax
in al,92h
or al,00000010b
out 92h,al
pop ax
ret
EnableA20 endp
;***************************************************************
;关闭a20地址线
;***************************************************************
DisableA20 proc
push ax
in al,92h
and al,11111101b
out 92h,al
pop ax
ret
DisableA20 endp
;---------------子程式定义结束----------------------------------
cseg ends
;---------------实模式下代码段定义结束--------------------------
end start ;指明程序入口
对于这个程序，我要说三点。
①这个程序其实我是把上一章的那个实例修改了一下，就成了可以用FS和GS两个段寄存器（其实准确地说应该叫做段选择子）来访问高于1M的内存了。但是我做了很多的简化。比如说我没有在进入实模式前加载CS，只单单加载了GDT（因为GDT是保护模式下必须要用的）。然而，不改变CS是因为我们在保护模式下也还想继续执行实模式下的那三句指令
“ mov ax,Seg4G_sel
mov fs,ax
mov gs,ax”
所以我只用了一个段跳跃（只是形式上看上去像是一个实际进入实模式的过程。其实连jmp这句都是可以省略的。留在这里只是为了让大家容易理解而已。）
②大家肯定都会发现，当我返回实模式的时候没有关A20。这是因为我要在实模式下通过FS和GS去访问1M以上的空间，所以我必须要让A20一直都处于打开状态。
③于是我们也可以很清楚地看到，看到big real mode其实是介于实模式和保护模式之间的一种模式。如图1
图1 实模式，big real mode，保护模式的比较
至此关于实模式和保护模式的切换，以及big real mode的探讨就暂时告一段落了。如果有兴趣的话，还可以把上面的程序精简。（笔者：比如说去掉其中的量个短jmp，因为他们在程序没有任何的存在的意义，笔者把他们注掉后编译连接仍然是可以访问到4G内存的。）好像csdn论坛里面就有人摆擂台用最短的语句来实现big real mode。不过如果有人和我一章懒的话，其实直接用上一章实例加上一个描述符，再在保护模式下加上两句话就可是实现big real mode了。
