要求澄清“段寄存器继续指向与实地址模式相同的线性地址”

问题描述

问题是关于在英特尔 i386 上从实模式切换到保护模式时代码段选择器的持久有效性。切换代码如下（摘自xv6 x86版本的bootasm.S）：

9138 # Switch from real to protected mode. Use a bootstrap GDT that makes
9139 # virtual addresses map directly to physical addresses so that the
9140 # effective memory map doesn’t change during the transition.
9141 lgdt gdtdesc
9142 movl %cr0,%eax
9143 orl $CR0_PE,%eax
9144 movl %eax,%cr0
9150 # Complete the transition to 32−bit protected mode by using a long jmp
9151 # to reload %cs and %eip. The segment descriptors are set up with no
9152 # translation,so that the mapping is still the identity mapping.
9153 ljmp $(SEG_KCODE<<3),$start32

GDT 布局如下：

9182 gdt:
9183 SEG_NULLASM # null seg
9184 SEG_ASM(STA_X|STA_R,0x0,0xffffffff) # code seg
9185 SEG_ASM(STA_W,0xffffffff) # data seg

在执行第 9144 行后，处理器切换到保护模式，在该模式中启用了仅段内存管理（但尚未启用分页）。我的理解是，由于segment MM已经使能了，接下来的指令的取指应该符合segment MM的规则。然而，此时（紧接在第 9153 行之前），代码选择器仍为 0，在我的理解中，这意味着代码段应该选择 GDT 中的第零个描述符，该描述符为空。但是我的问题自然而然地出现了，这样的空描述符如何加载假设的 ljmp 指令？我试图通过谷歌搜索来回答我的问题，一份文件给出了一些解释如下：http://www.logix.cz/michal/doc/i386/chp10-03.htm#10-03

段寄存器继续指向相同的线性地址 如实地址模式

这句话似乎回答了我的问题：如果段寄存器继续指向相同的线性地址，那么下一条指令应该和实模式下的一样，即ljmp。但是我马上就有了一系列新问题：为什么段选择器可以“继续指向相同的线性地址”？处理器不是已更改为保护模式吗？ %cs 中的 0 值不是指向第零个描述符，而不是第一个（在第 9184 行中设置的），它是获取 ljmp 指令的假定描述符吗？ x86 CPU 如何神奇地知道 ljmp 是它应该执行的下一条指令？描述这种魔法的任何手册中的描述在哪里？我试图说服自己 ljmp 已在处理器的指令队列中预取，但同一网页的第二段告诉我预取的 ljmp（如果有）已失效，因此 CPU 应该重新获取下一条指令。您能否解释一下“段寄存器如何神奇地继续指向与实地址模式中相同的线性地址”？谢谢。

PS，我正在使用的 CPU 兼容 intel i386。

解决方法

现代参考文献是 Intel Software Developer's Manual，第 3A 卷，第 9.9.1 节，“切换到保护模式”。

英特尔并不热衷于解释魔法在内部是如何运作的。它说的是，您需要知道的是，如果您的 movl %eax,%cr0 紧随其后是远跳或远呼叫，那么一切都会正常进行。如果您将任何其他指令放在那里，那么“可能会发生随机故障”（他们的措辞）。

正如它所说，%cs 继续保持其先前的值，并且如果您在 movl %eax,%cr0 之后执行远调用作为指令，那么这可能是将被压入堆栈的值。 （堆栈在哪里是另一个有趣的问题 - 我认为每个人都使用跳转，所以它很少出现。）但是对于这条指令，它显然没有以通常的方式用作选择器。

关于它如何工作的猜测：我们知道在保护模式下，有隐藏的寄存器存储段属性，并在加载段寄存器时从描述符表中重新加载。所以 movl %eax,%cr0 可能会导致对应于 %cs 的隐藏寄存器加载一个段的属性，该段的基地址是当前 16 位段的线性地址：例如如果 %cs 包含 0x1234，则它可能是基地址为 0x12340 的段。但是 %cs 寄存器本身可以单独放置，暂时不匹配其隐藏的对应项。然后，如果 %eip 的高位为零，则将从正确的位置获取下一条指令。该指令必须是将重新加载 %cs 以及隐藏段属性寄存器的长跳转。

也有可能它只是设置了一些内部标志，表示“即使在保护模式下，根据实模式地址转换获取下一条指令”。然后，当发生远跳转时，或在获取一条指令后或类似情况时，此标志会被清除。