assembly-在组装/编译/链接时构建静态IDT和GDT所需的解决方案

Michael Petch 2020-10-16 01:44:27

我最常用的一种解决方案是实际使用GNU链接器（ld）为我构建IDT和GDT。这个答案不编写GNU链接脚本底漆，但它确实让使用的BYTE，SHORT和LONG链接器脚本指令建IDT，对GDT，IDT的记录，而GDT记录。所述接头可以使用涉及表达式<<，>>，&，|等等，以及做这些上的符号它最终做出决议的虚拟存储器地址（VMA）。

问题在于链接描述文件很笨。它们没有宏语言，因此你最终不得不编写如下的IDT和GDT条目：

. = ALIGN(4);
gdt = .;
NULL_SEL = ABSOLUTE(. - gdt);
SHORT(0);
SHORT(0);
BYTE(0 >> 16);
BYTE(0);
BYTE((0 >> 16 & 0x0f) | (0 << 4)); BYTE(0 >> 24);

CODE32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt);
SHORT(0x000fffff);
SHORT(0);
BYTE(0 >> 16);
BYTE(10011010b);
BYTE((0x000fffff >> 16 & 0x0f) | (1100b << 4));
BYTE(0 >> 24);

DATA32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt);
SHORT(0x000fffff);
SHORT(0);
BYTE(0 >> 16);
BYTE(10010010b);
BYTE((0x000fffff >> 16 & 0x0f) | (1100b << 4));
BYTE(0 >> 24);
gdt_size = ABSOLUTE(. - gdt);

. = ALIGN(4);
idt = .;
SHORT(exc0 & 0x0000ffff);
SHORT(CODE32_SEL);
BYTE(0x00);
BYTE(10001110b);
SHORT(exc0 >> 16);
SHORT(exc1 & 0x0000ffff);
SHORT(CODE32_SEL);
BYTE(0x00);
BYTE(10001110b);
SHORT(exc1 >> 16);
SHORT(exc2 & 0x0000ffff);
SHORT(CODE32_SEL);
BYTE(0x00);
BYTE(10001110b);
SHORT(exc2 >> 16);
SHORT(exc3 & 0x0000ffff);
SHORT(CODE32_SEL);
BYTE(0x00);
BYTE(10001110b);
SHORT(exc3 >> 16);
idt_size = ABSOLUTE(. - idt);

exc0，exc1，exc2，和exc3定义了与从对象文件中导出的异常的功能。你可以看到IDT条目正在CODE32_SEL用于代码段。建立GDT时，告诉链接器计算选择器编号。显然，这非常混乱，并且随着GDT（尤其是IDT）的增长而变得更加笨拙。

你可以使用宏处理器m4来简化操作，但是我更喜欢使用C预处理器（cpp），因为它对许多开发人员来说都很熟悉。尽管C预处理器通常用于预处理C / C ++文件，但它不仅限于这些文件。你可以在任何类型的文本文件（包括链接器脚本）上使用它。

你可以创建一个宏文件并定义几个宏，例如MAKE_IDT_DESC和MAKE_GDT_DESC创建GDT和IDT描述符条目。我使用扩展名命名约定，其中的ldh缩写为（Linker Header），但是你可以根据需要命名这些文件：

macros.ldh：

#ifndef MACROS_LDH
#define MACROS_LDH

/* Linker script C pre-processor macros */

/* Macro to build a IDT descriptor entry */
#define MAKE_IDT_DESC(offset, selector, access) \
    SHORT(offset & 0x0000ffff); \
    SHORT(selector); \
    BYTE(0x00); \
    BYTE(access); \
    SHORT(offset >> 16);

/* Macro to build a GDT descriptor entry */
#define MAKE_GDT_DESC(base, limit, access, flags) \
    SHORT(limit); \
    SHORT(base); \
    BYTE(base >> 16); \
    BYTE(access); \
    BYTE((limit >> 16 & 0x0f) | (flags << 4));\
    BYTE(base >> 24);
#endif

为了减少主链接程序脚本中的混乱情况，你可以创建另一个头文件来构建GDT和IDT（及相关记录）：

gdtidt.ldh

#ifndef GDTIDT_LDH
#define GDTIDT_LDH

#include "macros.ldh"

/* GDT table */
. = ALIGN(4);
gdt = .;
    NULL_SEL   = ABSOLUTE(. - gdt); MAKE_GDT_DESC(0, 0, 0, 0);
    CODE32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); MAKE_GDT_DESC(0, 0x000fffff, 10011010b, 1100b);
    DATA32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); MAKE_GDT_DESC(0, 0x000fffff, 10010010b, 1100b);
    /* TSS structure tss_entry and TSS_SIZE are exported from an object file */
    TSS32_SEL  = ABSOLUTE(. - gdt); MAKE_GDT_DESC(tss_entry, TSS_SIZE - 1, \
                                                  10001001b, 0000b);
gdt_size = ABSOLUTE(. - gdt);

/* GDT record */
. = ALIGN(4);
SHORT(0);                      /* These 2 bytes align LONG(gdt) on 4 byte boundary */
gdtr = .;
    SHORT(gdt_size - 1);
    LONG(gdt);

/* IDT table */
. = ALIGN(4);
idt = .;
    MAKE_IDT_DESC(exc0, CODE32_SEL, 10001110b);
    MAKE_IDT_DESC(exc1, CODE32_SEL, 10001110b);
    MAKE_IDT_DESC(exc2, CODE32_SEL, 10001110b);
    MAKE_IDT_DESC(exc3, CODE32_SEL, 10001110b);
idt_size = ABSOLUTE(. - idt);

/* IDT record */
. = ALIGN(4);
SHORT(0);                      /* These 2 bytes align LONG(idt) on 4 byte boundary */
idtr = .;
    SHORT(idt_size - 1);
    LONG(idt);

#endif

现在，你只需要gdtidt.ldh在链接脚本中包含要放置结构的一点（在节内）即可：

link.ld.pp：

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386");
ENTRY(_start);

REAL_BASE = 0x00007c00;

SECTIONS
{
    . = REAL_BASE;

    .text : SUBALIGN(4) {
        *(.text*);
    }

    .rodata : SUBALIGN(4) {
        *(.rodata*);
    }

    .data : SUBALIGN(4) {
        *(.data);
/* Place the IDT and GDT structures here */
#include "gdtidt.ldh"
    }

    /* Disk boot signature */
    .bootsig : AT(0x7dfe) {
        SHORT (0xaa55);
    }

    .bss : SUBALIGN(4) {
        *(COMMON);
        *(.bss)
    }

    /DISCARD/ : {
        *(.note.gnu.property)
        *(.comment);
    }
}

这个链接描述文件是我用于引导扇区的典型脚本，但是我所做的只是包含了gdtidt.ldh允许链接描述文件生成结构的文件。剩下要做的就是对link.ld.pp文件进行预处理。我将.pp扩展名用于预处理程序文件，但你可以使用任何扩展名。要从中创建link.ld，link.ld.pp可以使用以下命令：

cpp -P link.ld.pp >link.ld

生成的结果link.ld文件如下所示：

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386");
ENTRY(_start);
REAL_BASE = 0x00007c00;
SECTIONS
{
    . = REAL_BASE;
    .text : SUBALIGN(4) {
        *(.text*);
    }
    .rodata : SUBALIGN(4) {
        *(.rodata*);
    }
    .data : SUBALIGN(4) {
        *(.data);
. = ALIGN(4);
gdt = .;
    NULL_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); SHORT(0); SHORT(0); BYTE(0 >> 16); BYTE(0); BYTE((0 >> 16 & 0x0f) | (0 << 4)); BYTE(0 >> 24);;
    CODE32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); SHORT(0x000fffff); SHORT(0); BYTE(0 >> 16); BYTE(10011010b); BYTE((0x000fffff >> 16 & 0x0f) | (1100b << 4)); BYTE(0 >> 24);;
    DATA32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); SHORT(0x000fffff); SHORT(0); BYTE(0 >> 16); BYTE(10010010b); BYTE((0x000fffff >> 16 & 0x0f) | (1100b << 4)); BYTE(0 >> 24);;
    TSS32_SEL = ABSOLUTE(. - gdt); SHORT(TSS_SIZE - 1); SHORT(tss_entry); BYTE(tss_entry >> 16); BYTE(10001001b); BYTE((TSS_SIZE - 1 >> 16 & 0x0f) | (0000b << 4)); BYTE(tss_entry >> 24);;
gdt_size = ABSOLUTE(. - gdt);
. = ALIGN(4);
SHORT(0);
gdtr = .;
    SHORT(gdt_size - 1);
    LONG(gdt);
. = ALIGN(4);
idt = .;
    SHORT(exc0 & 0x0000ffff); SHORT(CODE32_SEL); BYTE(0x00); BYTE(10001110b); SHORT(exc0 >> 16);;
    SHORT(exc1 & 0x0000ffff); SHORT(CODE32_SEL); BYTE(0x00); BYTE(10001110b); SHORT(exc1 >> 16);;
    SHORT(exc2 & 0x0000ffff); SHORT(CODE32_SEL); BYTE(0x00); BYTE(10001110b); SHORT(exc2 >> 16);;
    SHORT(exc3 & 0x0000ffff); SHORT(CODE32_SEL); BYTE(0x00); BYTE(10001110b); SHORT(exc3 >> 16);;
idt_size = ABSOLUTE(. - idt);
. = ALIGN(4);
SHORT(0);
idtr = .;
    SHORT(idt_size - 1);
    LONG(idt);
    }
    .bootsig : AT(0x7dfe) {
        SHORT (0xaa55);
    }
    .bss : SUBALIGN(4) {
        *(COMMON);
        *(.bss)
    }
    /DISCARD/ : {
        *(.note.gnu.property)
        *(.comment);
    }
}

boot.asm对问题中的示例文件进行少量修改后，我们得到的结果是：

boot.asm：

PM_MODE_STACK      EQU 0x10000 ; Protected mode stack address
RING0_STACK        EQU 0x11000 ; Stack address for transitions to ring0
TSS_IO_BITMAP_SIZE EQU 0       ; Size 0 disables IO port bitmap (no permission)

global _start
; Export the exception handler addresses so the linker can access them
global exc0
global exc1
global exc2
global exc3

; Export the TSS size and address of the TSS so the linker can access them
global TSS_SIZE
global tss_entry

; Import the IDT/GDT and selector values generated by the linker
extern idtr
extern gdtr
extern CODE32_SEL
extern DATA32_SEL
extern TSS32_SEL

bits 16

section .text
_start:
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, ax                  ; Stack grows down from physical address 0x00010000
                                ; SS:SP = 0x0000:0x0000 wraps to top of 64KiB segment

    cli
    cld
    lgdt [gdtr]                 ; Load our GDT
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax                ; Set protected mode flag
    jmp CODE32_SEL:start32      ; FAR JMP to set CS

bits 32
start32:
    mov ax, DATA32_SEL          ; Setup the segment registers with data selector
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov esp, PM_MODE_STACK      ; Set protected mode stack pointer

    mov fs, ax                  ; Not currently using FS and GS
    mov gs, ax

    lidt [idtr]                 ; Load our IDT

    ; This TSS isn't used in this code since everything is running at ring 0.
    ; Loading a TSS is for demonstration purposes in this case.
    mov eax, TSS32_SEL
    ltr ax                      ; Load default TSS (used for exceptions, interrupts, etc)

    ; xchg bx, bx                 ; Bochs magic breakpoint

    ; Test the first 4 exception handlers
    int 0
    int 1
    int 2
    int 3

.loop:
    hlt
    jmp .loop

exc0:
    mov word [0xb8000], 0x5f << 8 | '0'   ; Print '0'
    iretd
exc1:
    mov word [0xb8002], 0x5f << 8 | '1'   ; Print '1'
    iretd
exc2:
    mov word [0xb8004], 0x5f << 8 | '2'   ; Print '2'
    iretd
exc3:
    mov word [0xb8006], 0x5f << 8 | '3'   ; Print '3'
    iretd

section .data
; Generate a functional TSS structure
ALIGN 4
tss_entry:
.back_link: dd 0
.esp0:      dd RING0_STACK     ; Kernel stack pointer used on ring0 transitions
.ss0:       dd DATA32_SEL      ; Kernel stack selector used on ring0 transitions
.esp1:      dd 0
.ss1:       dd 0
.esp2:      dd 0
.ss2:       dd 0
.cr3:       dd 0
.eip:       dd 0
.eflags:    dd 0
.eax:       dd 0
.ecx:       dd 0
.edx:       dd 0
.ebx:       dd 0
.esp:       dd 0
.ebp:       dd 0
.esi:       dd 0
.edi:       dd 0
.es:        dd 0
.cs:        dd 0
.ss:        dd 0
.ds:        dd 0
.fs:        dd 0
.gs:        dd 0
.ldt:       dd 0
.trap:      dw 0
.iomap_base:dw .iomap          ; IOPB offset
.iomap: TIMES TSS_IO_BITMAP_SIZE db 0x00
                               ; IO bitmap (IOPB) size 8192 (8*8192=65536) representing
                               ; all ports. An IO bitmap size of 0 would fault all IO
                               ; port access if IOPL < CPL (CPL=3 with v8086)
%if TSS_IO_BITMAP_SIZE > 0
.iomap_pad: db 0xff            ; Padding byte that has to be filled with 0xff
                               ; To deal with issues on some CPUs when using an IOPB
%endif
TSS_SIZE EQU $-tss_entry

新程序boot.asm还会创建一个TSS表（tss_entry），该链接表脚本中将使用该表来构建与该TSS相关联的GDT条目。

预处理链接描述文件；集合; 关联; 并生成用作引导扇区的二进制文件，可以使用以下命令：

cpp -P link.ld.pp >link.ld
nasm -f elf32 -gdwarf -o boot.o boot.asm
ld -melf_i386 -Tlink.ld -o boot.elf boot.o
objcopy -O binary boot.elf boot.bin

要boot.bin在QEMU中运行软盘映像，可以使用以下命令：

qemu-system-i386 -drive format=raw,index=0,if=floppy,file=boot.bin

要与BOCHS一起运行，可以使用以下命令：

bochs -qf /dev/null \
        'floppya: type=1_44, 1_44="boot.bin", status=inserted, write_protected=0' \
        'boot: floppy' \
        'magic_break: enabled=0'

该代码执行以下操作：

用lgdt指令加载GDT记录。
在禁用A20的情况下，处理器被置于32位保护状态。演示中的所有代码都位于物理地址0x100000（1MiB）下，因此不需要启用A20。
用加载IDT记录lidt。
使用将TSS选择器加载到任务寄存器中ltr。
调用每一个异常处理程序（exc0，exc1，exc2和exc3）。
每个异常处理程序在显示屏的左上角打印一个数字（0、1、2、3）。

如果它在BOCHS中正确运行，则输出应如下所示：

assembly-在组装/编译/链接时构建静态IDT和GDT所需的解决方案

(assembly - Solution needed for building a static IDT and GDT at assemble/compile/link time)

无效的示例代码

脚注

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