0178-开启四级分页

环境

• Time 2022-11-12
• WSL-Ubuntu 22.04
• QEMU 6.2.0
• NASM 2.15.05

前言

说明

参考：https://os.phil-opp.com/entering-longmode

目标

如果要进入长模式，则必须要进行分页。在 64 位系统中，采用 4 级分页。
关于分页的信息，需要找其它的资料另外了解，这里不做详细介绍。

介绍

一共四级分页，原文中将其称为 P4，P3，P2，P1，这里也直接使用这种方式。
最初出发点为 CR3 寄存器，然后到 P4，直到 P1，最后是页偏移。
一个页表包含 512 项，每一项 8 个字节，一共 4K。
地址中的 48-63 必须满足和第 47 位一致，才是合法的地址。
具体的对应如下图：

低地址位的状态

因为至少是 4K 分页，所以低 12 位默认都是 0，可以用它们来表示一些额外的信息。

Bit(s)	Name	Meaning
0	present	the page is currently in memory
1	writable	it’s allowed to write to this page
2	user accessible	if not set, only kernel mode code can access this page
3	write through caching	writes go directly to memory
4	disable cache	no cache is used for this page
5	accessed	the CPU sets this bit when this page is used
6	dirty	the CPU sets this bit when a write to this page occurs
7	huge page/null	must be 0 in P1 and P4, creates a 1GiB page in P3, creates a 2MiB page in P2
8	global	page isn’t flushed from caches on address space switch (PGE bit of CR4 register must be set)
9-11	available	can be used freely by the OS
52-62	available	can be used freely by the OS
63	no execute	forbid executing code on this page (the NXE bit in the EFER register must be set)

巨型页

除了可以使用 4K 分页，也可以使用 1G 或者 2M 分页。
为了保证从保护模式的虚拟地址到分页的正确映射，下面使用了 2M 分页。

section .bss
align 4096
p4_table:resb 4096
p3_table:resb 4096
p2_table:resb 4096

分页首先需要 4K 对其，然后建立了 P4，P3，P2 三个页表。

关联多级分页

; 将 P4 的第一个地址设置成 P3 的起始地址
mov eax, p3_table
or eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写
mov [p4_table], eax; 将 P3 的第一个地址设置成 P2 的起始地址
mov eax, p2_table
or eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写
mov [p3_table], eax

初始化巨型页

    mov ecx, 0         ; 循环的计数器
.map_p2_table:; 使用 EAX 初始化 P2 的每一项，并且映射到物理地址最低的 1G 空间mov eax, 0x200000  ; 2MiBmul ecx            ; 每一项对应的物理地址 EAX * counteror eax, 0b10000011 ; 存在，可写，巨型页mov [p2_table + ecx * 8], eax ; 将地址记录到 P2 的每一项inc ecx            ; 计数器加 1cmp ecx, 512       ; 是否存满，最大 512 项jne .map_p2_table  ; 不相等继续下次循环ret

开启分页

如果要开启分页，需要完成以下几步：

1. 将 P4 的起始地址存放到 CR3，因为分页从 CR3 开始找。
2. 启用物理地址扩展（PAE）。
3. 扩展特性启用寄存器（Extended Feature Enable Register）需要设置长模式。
4. 启用分页，由 CR0 的最高位控制。

enable_paging:; 将 CR3 寄存器指向 P4 的起始地址mov eax, p4_tablemov cr3, eax; 在 CR4 中启用物理地址扩展(Physical Address Extension)，第五位mov eax, cr4or eax, 1 << 5mov cr4, eax; 将 EFER MSR（model specific register）寄存器中的第八位设置成长模式mov ecx, 0xC0000080rdmsror eax, 1 << 8wrmsr; 将 CR0 的最高位分页开启位设置成 1mov eax, cr0or eax, 1 << 31mov cr0, eaxret

总结

在保护模式下，开启了四级分页。

附录

源码

section .multiboot_header
header_start:dd 0x1BADB002  ; 魔法数字，固定值dd 0dd -0x1BADB002 ; 定义的这三个数字相加需要等于0
header_end:global start
section .text
bits 32
start:; 栈是否高地址往低地址增长mov esp, stack_topcall check_cpuidcall check_long_modecall set_up_page_tablescall enable_paging; print `OK` to screenmov dword [0xb8000], 0x2f4b2f4fhltcheck_cpuid:; 检查 CPUID 是否支持可以通过翻转 ID 位，即第 21 位。; 如果在 FLAGS 标志寄存器中，我们能够翻转它，CPUID 就是可用的。; 通过栈拷贝 FLAGS 寄存器的值到 EAX 寄存器pushfdpop eax; 将 EAX 的值拷贝到 ECX，后面要用mov ecx, eax; 翻转第 21 位xor eax, 1 << 21; 把 EAX 的值拷贝回 FLAGS 寄存器push eaxpopfd; 拷贝 FLAGS 寄存器的值回 EAX 寄存器，检查是否翻转成功，成功翻转则支持 CPUIDpushfdpop eax; 通过 ECX 还原 EFLAGS 中的值push ecxpopfd; 比较，如果两个一样，则翻转不成功，不支持CPUID；如果翻转成功，则支持CPUIDcmp eax, ecxje .no_cpuidret
.no_cpuid:mov al, "1"jmp errorcheck_long_mode:; 检查是否有扩展的处理器信息可用mov eax, 0x80000000    ; CPUID 的隐式参数cpuid                  ; 获取最高支持的参数cmp eax, 0x80000001    ; 如果支持长模式，至少是 0x80000001jb .no_long_mode       ; 如果小于，则不支持长模式; 使用扩展信息验证是否支持长模式mov eax, 0x80000001    ; 扩展处理器参数信息cpuid                  ; 将各种特征标记位返回到 ECX 和 EDXtest edx, 1 << 29      ; 第 29 位是 long mode 长模式标记位，检查是否支持jz .no_long_mode       ; 如果为 0，表示不支持长模式ret
.no_long_mode:mov al, "2"jmp errorset_up_page_tables:; 将 P4 的第一个地址设置成 P3 的起始地址mov eax, p3_tableor eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写mov [p4_table], eax; 将 P3 的第一个地址设置成 P2 的起始地址mov eax, p2_tableor eax, 0b11 ; 二进制数，表示当前页存在，并且可写mov [p3_table], eax; 将 P2 设置成 2M 的巨型页mov ecx, 0         ; 循环的计数器
.map_p2_table:; 使用 EAX 初始化 P2 的每一项，并且映射到物理地址最低的 1G 空间mov eax, 0x200000  ; 2MiBmul ecx            ; 每一项对应的物理地址 EAX * counteror eax, 0b10000011 ; 存在，可写，巨型页mov [p2_table + ecx * 8], eax ; 将地址记录到 P2 的每一项inc ecx            ; 计数器加 1cmp ecx, 512       ; 是否存满，最大 512 项jne .map_p2_table  ; 不相等继续下次循环retenable_paging:; 将 CR3 寄存器指向 P4 的起始地址mov eax, p4_tablemov cr3, eax; 在 CR4 中启用物理地址扩展(Physical Address Extension)，第五位mov eax, cr4or eax, 1 << 5mov cr4, eax; 将 EFER MSR（model specific register）寄存器中的第八位设置成长模式mov ecx, 0xC0000080rdmsror eax, 1 << 8wrmsr; 将 CR0 的最高位分页开启位设置成 1mov eax, cr0or eax, 1 << 31mov cr0, eaxret; 打印 `ERR: ` 和一个错误代码并停住。
; 错误代码在 al 寄存器中
error:mov dword [0xb8000], 0x4f524f45mov dword [0xb8004], 0x4f3a4f52mov dword [0xb8008], 0x4f204f20mov byte  [0xb800a], alhltsection .bss
align 4096
p4_table:resb 4096
p3_table:resb 4096
p2_table:resb 4096
stack_bottom:resb 64
stack_top: