实模式 BIOS 例程和保护模式

Question

我正在做一些操作系统实验。到目前为止，我所有的代码都使用实模式 BIOS 中断来操作硬盘和软盘。但是一旦我的代码启用了 CPU 的保护模式，所有的实模式 BIOS 中断服务程序都将不可用。我怎样才能读/写硬盘和软盘？ 我现在需要做一些硬件驱动程序吗？我该如何开始？这是操作系统如此难以开发的原因之一吗？

我知道硬件都是通过读取和写入某些控制或数据寄存器来控制的。例如，我知道硬盘的命令块寄存器范围从 0x1F0 到 0x1F7。 但是我想知道这么多不同硬件的寄存器地址在PC平台上是否相同？还是我必须在使用它们之前检测到这一点？如何检测它们？？

由于我不确定如何在保护模式下读/写软盘或硬盘，我现在必须使用 BIOS 中断将所有必要的内核文件从软盘加载到内存中。但是如果我的内核文件超过实模式 1M 空间限制怎么办？

对于任何回复，我深表感谢。

更新

我隐约记得有一种方法可以先切换保护模式，然后再切换回实模式。然后我们可以在保护模式下使用 BIOS 例程。也许我记错了。有人没记错吗？

Answer 1

V86：是的，但如果设置操作系统：

试试这个（专为长模式设计，但应该可以工作。我还没有测试过这个，我看不出它不能工作的原因。问题不是 nasm，它的 ld。）

LD H8s 16 位 ELF/aout 参考。这是从 GRUB 加载的标准。

我知道 32 位 CS 已关闭，我需要仔细检查它的位置。否则看起来没问题。

这很难找到代码。

-- ;修改为32位？？

;this code is placed somewhere after 10000h
;-----we're in LONG MODE-----
  mov          dword [.stckptr], esp   ;first of all save stack
  sgdt         [.gdtv32]               ;save your gdt pointer
  lgdt         [.gdtv16]               ;load a new one
  sidt         [.idt32]                ;save your idt pointer
  lidt         [.idt16]                ;load real mode idt
  ;far jump in long mode is not possible, do a trick
  push         DESC_REAL
  push         @f-10000h               ;this is CS*10h, modify if needed!
  retfd
.stckptr:
  dd           0
  align        16
.gdtv32:
  dw           0
  dd           0
  align        16
.gdtv16:
  dw           .gdtend-.gdt-1
  dd           .gdt,0
  align        16
.gdt:
  dd           0,0                      ;null descriptor
DESC_DATA=8                                 ;descriptor in YOUR GDT (modify)
DESC_LONG=$-.gdt
  dd           00000000h,00209800h      ;32 bit  mode cs -MOD ME
DESC_REAL=$-.gdt
  dd           0000FFFFh,00009801h      ;16 bit real mode cs (modify base if needed!)
.gdtend:
  align        16
.idt32:
  dw           0
  dd           0
  align        16
.idt16:
  dw           3FFh
  dd           0
  USE16

;-----we're in COMPATIBLITY MODE-----
  ;disable paging and protmode at once
@@:   mov          eax, cr0
  and          eax, 7FFFFFFEh   
  mov          cr0, eax

  ;set up real mode segment registers and stack
  mov          esp, realmode_stack_top          ;modify it to your needs!
  xor          ax, ax
  mov          ds, ax
  mov          es, ax
  mov          fs, ax
  mov          gs, ax
  mov          ss, ax
  ;convert long mode rip to real mode cs:ip
  ;jmp CS:(pmode address)-CS*10h

  jmp          1000h:@f-10000h                  ;modify if needed!
;-----we're in REAL MODE-----
@@:   ;***********call some BIOS interrupt here**********
  mov          ax, 3
  int          10h


  ;switch back to long mode
  mov          eax, cr0
  or           eax, 80000001h
  mov          cr0, eax                         ;enable protmode and paging

  ;jmp         DESC_LONG:@f
  db           66h
  db           0EAh
  dd           @f
  dw           DESC_LONG
  USE32
;-----we're in protected MODE-----
@@:   lgdt         [cs:.gdtv32]                    ;restore gdt
  mov          ax, DESC_DATA                   ;read YOUR DATA descriptor to selectors
  mov          ds, ax
  mov          es, ax
  mov          fs, ax
  mov          gs, ax
  mov          ss, ax
  lidt         [.idt32]                        ;restore idt
  mov          rsp, qword [.stckptr]           ;restore stack
  ;must be a non rip-relative jump
  mov          eax, @f
  jmp          eax
@@:

  ;AS WE WERE!

Answer 2

有一组关于保护模式的教程here。 Tut15 和 tut16 在 v86 模式下有效运行 DOS 和 BIOS，所有中断都有效。

Answer 3

如果您想要从 32 位模式读取硬盘驱动器（或 USB 密钥）的代码，您可以从我的操作系统项目 PwnOS 中找到一些代码。它不支持 DMA 或任何东西，但基本工作。具体来说，trunk/Core/IO/ATA Driver.asm 包含用于读取 ATA 设备的代码，例如硬盘驱动器（没有幻数！：D）

我决定不编写用于编写设备的代码，因为我不想冒险，但它非常相似。这些规范可以在谷歌第一次搜索“cottontail os dev”时找到（你会想要 ATA/ATAPI-6 文档），但它们有点难以理解。

如果您对此还有任何疑问，请随时提出。我也有设置为 64 位模式的代码，以及我专门为 OS 开发设计的汇编语言编辑器（搜索 Inventor IDE），因为它具有 16 个内置的汇编和链接位、32 位和 64 位代码在定义的地址和文件偏移量。这样一来，您就可以专注于您感兴趣的部分，而不是一无是处。

Answer 4

该项目现在是一个旧项目，但犹他州的 OSKit 项目可能仍然在现代机器上运行，因为其他 1990 年代后期的操作系统仍然可以在今天的 PC 上找到 RAM 和磁盘驱动器？ — 是与任何特定操作系统分开构建的设备驱动程序堆栈，因此您只需编写 C 代码即可开发自己的内核。

这有点整洁；你可以编译“你好，世界”。在 C 中针对 OSKit 并获得一个可以启动并打印“Hello, world”的操作系统。然后停了下来。 :-)

无论如何，如果您真的在做“操作系统实验”，您可能想尝试一下——或者至少使用它的代码作为如何启动和运行某些驱动程序的指南。当然，如果你真的做的不是“操作系统实验”而是更多的是“学习关于 x86 的晦涩事实”，那么它可能会做的比你想要的更多。 :-)

http://www.cs.utah.edu/flux/oskit/

Answer 5

虽然可以在保护模式和实模式之间切换，但几乎可以肯定不是您想要做的。这就是 286 上的操作方式（相当笨拙，因为它并没有刻意支持从保护模式切换回实模式）。但是，从 386 开始，他们添加了 V86 模式，可以在受保护模式下作为任务运行。

如果您想在保护模式下使用 BIOS，这几乎可以肯定是做事的方式。您基本上可以创建一个 V86 任务，切换到它以使用 BIOS，然后切换回另一个任务以执行保护模式代码。

如果你想玩这个，你可能想看看DJGPP，它是一个 DOS 扩展器（基本上，像我刚刚描述的一个程序，用于根据需要处理切换到/退出 V86 任务处理磁盘 I/O 等）以及一个相当旧版本的 gcc 的端口，以便您可以编写在其上运行的代码。

DOS 扩展器的商业市场现在基本上已经死了，因此至少有一个以前的商业 DOS 扩展器 (HX) 现在可以作为开源使用。如果您打算使用它，您可能希望将它与OpenWatcom 编译器一起使用。

编辑：就您如何读取超过 1 MB 的文件（例如）而言，它很简单但很笨拙：以块的形式读取数据，当您完成读取后，您可以重新映射内存，或者复制内容，把你读到的内容放到你真正想要的地方，然后再读另一个块。

就硬件而言：很大程度上取决于您是否只是想要在某种程度上可以工作的东西，或者您是否想充分利用现有的硬件。只需使用基本的 IDE 端口，您就可以与几乎所有并非真正古老的硬盘进行通信——但要充分利用硬件还需要更多的工作。 IDE/ATAPI 驱动器使用了大约六种不同的 DMA 模式，每种模式的设置都略有不同。其中相当一部分已经足够老了，您可能并不关心它们，因此您可能只想直接支持几个最新的，而对于其他任何东西都回退到基本（非 DMA）传输。

Answer 6

您的问题似乎不是如何与硬件通信（设备驱动程序会解决的问题），因为 BIOS 接口对您来说已经足够了。

相反，您需要知道如何在保护模式环 0（它可以无限制地访问 BIOS 调用和所有其他特权指令）和保护模式环 3 之间进行通信，其中应用程序代码通常存在于此。这是一个系统调用。几乎所有架构都在特权模式下运行中断处理程序，因此软件中断是实现系统调用的一种方式，x86 还提供了为此目的优化的syscall 指令。

当然，您可以使用平面内存模型运行环 0 中的所有内容，您可以直接访问所有内存。

Ring 0/ring 3 是 x86 术语，但所有具有 MPU 的系统都支持特权模式的一些概念，它允许通过物理地址访问内存（对于拆分内存 I/O 架构，访问所有 I /O 空间）。

Answer 7

如果您使用旧版 IDE，所有硬件都将以相同的方式进行通信 - 您不必担心编写自定义驱动程序（尽管如果您走得够远，您会发现即使他们都说他们遵循相同的规格，他们都有自己有趣的怪癖）

http://www.t13.org/ 和 http://www.t10.org 是您可以找到相关规格的地方 - 如果您有勇气，也可以编写一个 SATA 驱动程序 - 您可以在英特尔网站 (http://www.intel.com/technology/serialata/ahci.htm) 上找到 AHCI 规格

Answer 8

如果您正在编写一个操作系统，它确实需要为它需要使用的任何硬件配备设备驱动程序，包括存储设备。如果您想避免在这么早的阶段需要驱动程序，您可以考虑使用现有的引导加载程序，例如 grub，但最终您还是需要它们。

Answer 9

ATAPI 设备使用相同的端口。您可以模拟 DPMI 以超过 1MB+64k 的限制，但是，学习保护模式。