A20 혹은 addressing line 20는 x86 컴퓨터 시스템에서 전자적인 시스템 버스로 이루어져있습니다.
8086에는 어드레스 라인이 20개 뿐이여서 0xFFFF:FFFF에서 최상위 1비트를 표현할 수 없었습니다.( 0xFFFF:FFFF, 즉 0x10FFEF가 100001111111111101111로 21자리이기 때문에)

따라서 8086에서 1MB(0x100000) 초과 범위의 주소는 0번지부터 다시 시작되어야 하고 주소가 겹치게 됩니다.

80286때부터 CPU에 Protected Mode가 도입되고, 어드레스 라인이 늘어나게 됩니다. 8086과 호환하게 위해, REAL 모드를 만들고, 20번을 8042(8086 당시의 키보드 컨트롤러)와 AND 게이트로 접속시킵니다.

 

 

A20과 연결된 키보드 컨트롤러의 핀이 0이 라면 항상 0이 되어, 주소가 제대로 전달되지 않을 것이며, 홀수 값인 주소(단위 MB)는 제대로 전달 되지 않아 사용할 수 없을 것입니다.

예) 키보드 컨트롤러의 A20 GATE가 항상 0일 때

0x100000 -> 100000000000000000000(2) -> 000000000000000000000(2) -> 0x0

0x200000 -> 1000000000000000000000(2) -> 1000000000000000000000(2) -> 0x200000

주소값의 20번째 비트를 0으로 바꿔보면 다음과 같이 값이 변경되는 것을 볼 수 있습니다. 짝수 MB 단위의 주소의 경우 20번째 비트가 항상 0이므로 변화가 없습니다.

 

따라서 32비트 커널에서 A20 게이트를 켜 주어야, 제대로 주소 전달을 할 수 있습니다.

 

A20 게이트를 켜 주기 위하여, 먼저 1)int 0x15를 사용하여 BIOS 함수를 호출하거나 2)8042 키보드 컨트롤러를 제어하거나 3) I/O 포트를 제어하는 방법이 있습니다.

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1. 스택 영역을 사용한 태스크 스위칭

(1) 인터럽트를 위한 스택

1) 인터럽트가 시작되었을 ,  커널 스택 영역은 다음과 같이 데이터를 쌓습니다.

 

SS0

 

 

ESP0

 

SS

ESP

 

EFLAGS

 

 

CS

 

EIP

 

 

2) 유저 데이터 세그먼트 셀렉터 값을 스택에 저장

DS, ES, FS, GS 유저 데이터 세그먼트 셀렉터 값이 존재하여, 값을 커널 데이터 세그먼트 셀렉터 값으로 바꾸어야 인터럽트 핸들러에서 데이터를 사용할 있습니다. 유저 데이터 세그먼트 셀렉터 값을 스택에 저장 한후, 커널 데이터 세그먼트 셀렉터 값으로 바꾸어 줍니다.

 

SS0

 

 

ESP0

 

SS

ESP

 

EFLAGS

 

 

CS

 

EIP

 

 

GS

 

 

FS

 

 

ES

 

 

DS

ESP

 

 

 

 

 

 

 

3) PIC 초기화

4) 인터럽트 루틴 수행

여기서는 .This is the timer interrupt 라는 문자열을 표시하고, 첫번째 문자의 값을 1 증가 시킵니다.

여기 까지의 스택 모습은 다음과 같습니다

 

SS0

 

 

ESP0

 

SS

ESP

 

EFLAGS

 

 

CS

 

EIP

 

 

GS

 

 

FS

 

 

ES

 

 

DS

 

EAX

EBX

 

ECX

 

EDX

 

EBX

 

EBP

 

ESI

 

EDI

ESP

 

 

5) 인터럽트를 마치고 ret_from_int 함수로

Ret_from_int 함수에서는 인터럽트 핸들러가 유저 영역 실행 중에 발생 했는지 커널 영역 실행 중에 발생 했는지 알아보는 루틴으로 되어 있습니다.

                  mov eax, [esp+52]

                  and eax, 0x00000003

ESP+52 (ESP+4*13) 인터럽트 실행 전의 CS 값을 참조합니다. 값에 and 3 하면 CS RPL 값을 있습니다.

                  mov bx, cs

                  and ebx, 0x00000003

                  cmp eax, ebx

마찬가지로 인터럽트 핸들러가 실행하고 뒤의 CS 값의 RPL 구합니다.

값을 구하여 비교하고, 만약 스택에서 뽑아낸 CS 값이 크다면 이전에 실행되던 태스크는 유저모드 태스크 이므로 태스크 스위칭을 위한 루틴 scheduler: 점프하고작거나 같다면 커널 모드 루틴 실행 중에 인터럽트이므로 스택에 저장해 두었던 범용 레지스터, 데이터 세그먼트 셀렉터 모두를 POP하여 스택에서 꺼내고, IRET 통해 EIP, Cs, Eflag 스택에서 꺼낸다음, 인터럽트가 발생한 시점으로 돌아갑니다.

 

(2) 유저 모드 태스크를 위한 스택

유저 모드 태스크에 각각 실행하던 레지스터 값을 저장하기 위해 RAM 상에 스택을 가지고 있습니다. 스택은 커널 모드 스택이며, 유저 모드에서 실행되는 루틴은 실행되선 안됩니다.

1) 유저 프로그램을 위한 레지스터 저장 영역 예시

times 63 dd 0

User1Stack:

User1regs:

                  dd 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0

                  dw UserDataSelector, 0

                  dw UserDataSelector, 0

                  dw UserDataSelector, 0

                  dw UserDataSelector, 0

                  dd user_process1

                  dw UserCodeSelector, 0

                  dd 0x200

                  dd User1Stack

                  dw UserDataSelector, 0

 

Times 63 dd 0 유저 태스크의 스택을 만들어 주는 영역입니다. 다음과 같이 스택이 생성됩니다.

0

UserDataSelector(SS)

User1Stack(ESP)

0x200(EFLAGS)

UserCodeSelector(CS)

0

User_process1(EIP)

0

UserDataSelector(GS)

0

UserDataSelector(FS)

0

UserDataSelector(ES)

0

UserDataSelector(DS)

0(EAX)

0(EBX)

0(ECX)

0(EDX)

0(EBX)

0(EBP)

0(ESI)

0(EDI)

 

라벨이 아래쪽에 지정되어 있는 것은 스택이여서, PUSH 될때 메모리의 작은 번지수를 향하여 진행되기 때문입니다스택의 아래부분에는 범용 레지스터들이 저장되는 공간이 있으며, POPAD 명령을 사용하여 메모리의 번지수방향으로 내려가며 복구하게 됩니다.

데이터 세그먼트 셀렉터 부분은 순서대로 pop 하며 복구합니다.

위의 EIP, CS, EFLGAS, ESP, SS iret명령을 통해 한번에 CPU 복구되게 됩니다.

소스에는 초기값으로 EIP 부분에 user_process1 지정되어 있으며, 프로그램이 실행되면서 EIP 영역의 값이 계속 변할 것입니다. 영역은 태스크스위칭이 일어났을 처음으로 실행 해야하는 명령어가 저장되어 있는 부분입니다.

2) 유저 프로세스

다음 코드는 유저 프로세스의 예시입니다.

user_process1:

                  mov eax, 80*2*2+2*5

                  lea ebx, [msg_user_process1_1]

                  int 0x80

                  mov eax, 80*2*3+2*5

                  lea ebx, [msg_user_process1_2]

                  int 0x80

                  inc byte [msg_user_process1_2]

                  jmp user_process1

 

msg_user_process1_1 db "User Process1", 0

msg_user_process1_2 db ".I'm running now", 0

 

Int 0x80 IDT 0x80번째 있는 트랩 게이트를 이용하겠다는 의미입니다.

                  push eax

                  mov ax, SysDataSelector

                  mov ds, ax

                  mov es, ax

                  mov fs, ax

                  mov gs, ax

                  pop eax

 

                  mov edi, eax

                  lea esi, [ebx]

                  call printf

 

인터럽트 서비스 루틴의 코드의 일부입니다. 세그먼트 셀렉터 레지스터를 커널의 데이터 세그먼트 셀렉터로 설정하였습니다. 과정에서 eax 사용하기 때문에, 스택에 eax 옮겨놓고 작업이 끝나면 다시 꺼내서 eax 저장합니다.

 

3) 태스크 스위칭

1) 태스크 스위칭 준비

CurrentTask dd 0 ; 현재 실행 중인 태스크 번호

NumTask dd 20    ; 모든 태스크의

TaskList :

                  times 5 dd 0  ; 태스크 저장 영역의 포인터 배역

 

다음 코드는 태스크 스위칭을 위해서 정의한 변수 선언입니다. 다음의 C언어 코드와 유사합니다.

int CurrentTask = 0;

int NumTask = 20;

int TaskList[5] = {0,};

 

TaskList 유저 영역 태스크가 사용하는 레지스터 저장 영역의 포인터를 계속해서 넣어줍니다. (4byte 포인터이므로 4 더하면서 넣습니다)

                  mov eax, [CurrentTask]

                  add eax, TaskList

                  lea edx, [User1regs]

                  mov [eax], edx

                  add eax, 4

                  lea edx, [User2regs]

                  mov [eax], edx

                  add eax, 4

 

2) 태스크 스위칭

scheduler:

                  lea esi, [esp]

 

                  xor eax, eax

                  mov eax, [CurrentTask]

                  add eax, TaskList

 

                  mov edi, [eax]

 

                  mov ecx, 17

                  rep movsd

                  add esp, 68

 

현재 커널 영역에 저장된 모든 레지스터 값을 유저 모드 태스크의 스택 위에 있는 레지스터 저장 공간으로 복사를 합니다.  이를 구현하기 위해서 ESP (스택 포인터) ESI 넣고 레지스터 저장 공간의 주소 포인터를 EDI 넣은뒤 rep movsd 값을 복사합니다.

이때, 커널 스택 영역에 저장된 레지스터 값은 이제 필요가 없어, ESP+68, 스택 포인터를 옮겨 원래대로 되돌립니다. 나중에 값은 덮어 씌여져 없어질 것입니다.

 

                  add dword [CurrentTask], 4

                  mov eax, [NumTask]

                  mov ebx, [CurrentTask]

                  cmp eax, ebx

                  jne yet

                  mov byte [CurrentTask], 0

 

yet:

                  xor eax, eax

                  mov eax, [CurrentTask]

                  add eax, TaskList

                  mov ebx, [eax]

 

CurrentTask 변수는 포인터로 사용되는데, 값에 4 ,  NumTask 비교하여, 같으면 모든 태스크를 번씩 수행한 것으로 보아, CurrentTask 변수를 0으로 만들어 다시 처음부터 수행합니다. 다음 다음에 실행할 태스크의 레지스터영역의 주소를 ebx 넣어줍니다.

 

3)TSS

TSS 영역을 하나만 사용하여, 인터럽트로 커널로 진입했을 , ESP 있는 포인터로 스택을 사용합니다. TSS 영역의 ESP0 현재 ESP 값을 넣습니다.

ESP 값은 스택을 이용하여 태스크 스위칭을 하고 레지스터 값을 복원하기 위해 사용됩니다.

이와 같이 스택에 레지스터를 저장하고 복원하는 것을 반복하면서 태스크 스위칭이 이루어 집니다.

(POPAD, POP, iret 등등등)

 

3. 태스크 실행

                  mov eax, [CurrentTask]

                  add eax, TaskList

                  mov ebx, [eax]

                  jmp sched

 

CurrentTask 변수를 이용하여 레지스터 저장 영역의 포인터를 꺼내, EBX 넣고 sched 번지로 점프하여 레지스터 값을 복원하여 IRET 명령을 통해 태스크를 실행합니다.

 하여 레지스터 값을 복원하여 IRET 명령을 통해 첫 태스크를 실행합니다.

신고

1. 유저 모드 세그먼트

다음 코드는 유저 모드 세그먼트영역을 지정하는 디스크립터입니다.

                  dd 0x0000FFFF, 0x00FCFA00

                  dd 0x0000FFFF, 0x00FCF200

 

유저 모드의 코드 세그먼트

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0xFFFF

0x0000

1

11

1

1010

0x00

0x00

1

1

1

1

0xC

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

유저모드의 데이터 세그먼트

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0xFFFF

0x0000

1

11

1

0010

0x00

0x00

1

1

1

1

0xC

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

디스크립터의 셀렉터 번호는 다음과 같이 나타냅니다.

UserCodeSelector equ 0x28+3

UserDataSelector equ 0x30+3

 

3 더하는 것은 세그먼트 셀렉터의 RPL 부분에 유저 모드를 뜻하는 권한 레벨 3 넣어주겠다는 의미입니다.

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 1

0

1

0

1

1

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 1

1

0

0

1

1

 

세그먼트 디스크립터는5, 6번째 위치에 있고, TI 모두 0이므로 GDT 존재함을 있습니다.

 

2. 콜게이트 설정

GDT 게이트 디스크립터를 만들었습니다.

descriptor7:

                  dw 0

                  dw SysCodeSelector

                  db 0x02

                  db 0xEC

                  db 0

                  db 0

 

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0x00

SysCodeSelector (ox08)

1

11

0

1

1

0

0

 

사용안함

0x2

0x00

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

커널 루틴의 오프셋 부분이 0으로 설정되어 있고, 부분은 Protected Mode 들어오기 전에 다시 채워 넣을 것입니다. 미리 인수의 개수를 2 지정하여 인수를 2 사용합니다.

Printf 오프셋은 0x00AD 입니다. (채워질 주소 값은 0x10000+0x00AD = 0x100AD)

                  xor eax, eax

                  lea eax, [printf]

                  add eax, 0x10000

                  mov [descriptor7], ax

                  shr eax, 16

                  mov [descriptor7+6], al

                  mov [descriptor7+7], ah

 

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0x00AD

SysCodeSelector (ox08)

1

11

0

1

1

0

0

 

사용 안함

0x2

0x0001

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

Protected 모드로 들어온 , 임의의 값을 tts_esp0 넣어, 커널이 사용할 스택으로 지정합니다. 여기서는 일단 PM_Start 주소를 지정 합니다. 스택은 거꾸로 자람으로 메모리의 주소 마이너스 방향으로 자라납니다 . PM_Start 위에는 이상 사용하지 않는 루틴이 존재하므로 사용해도 좋습니다.

                  lea esp, [PM_Start]

 

                  mov ax, TSSSelector

                  ltr ax

 

                  mov [tss_esp0], esp

                  lea eax, [PM_Start-256]

                  mov [tss_esp], eax

 

 

3. 유저 모드로의 태스크 스위칭

유저 모드의 태스크를 실행시키겠습니다. Protected Mode 들어와 TR 레지스터, TSS영역을 세팅 , 유저모드 처럼 설정하여 IRET 명령을 통해 유저 모드의 태스크를 실행시킵니다.

(1) 세그먼트 셋팅 유저 데이터 영역 세그먼트로

                  mov ax, UserDataSelector

                  mov ds, ax

                  mov es, ax

                  mov fs, ax

                  mov gs, ax

 

데이터 관련 세그먼트에 UserDataSelector 값을 넣어줍니다.

현재 ESP 레지스터에는 커널 모드의 스택의 시작 주소를 지정하는 PM_Start 저장되어 있으므로 유저 모드 스택으로 바꾸어 주기 위해 PM_Start-256 값을 지정합니다.

Lea esp, [PM_Start-256]

 

(2) 인터럽트에 걸린 처럼 스택을 채우기

인터럽트 루틴에서 유저 모드의 레지스터를 스택에 저장해놓았다가 수행을 마치고, 유저 모드로 돌아갈 다시 복귀 시킵니다. 인터럽트 루틴을 수행한 것은 아니지만, 그런 상황을 다음과 같이 재현하여, 유저 태스크를 실행시킬 것입니다.

UserDataSelector(SS)

Esp(ESP)

0x200(EPLAGS)

UserCodeSelector(CS)

User_process(EIP)

 

 

Push 명령어로 다음과 같이 스택을 꾸며줍니다.

                  push dword UserDataSelector

                  push esp

                  push dword 0x200

                  push dword UserCodeSelector

                  lea eax, [user_process]

                  push eax

                  iretd

 

IRET으로 돌아갈 유저 모드에서 사용하는 SS 복구되지만 DS, ES, Fs, GS 셀렉터들은 값이 복구 되지 않아 미리 값을 채웠습니다.

EIP user_process 함수의 주소(오프셋) 지정되어 있기 때문에 user_process 실행합니다.


4. 콜게이트를 사용한 시스템

커널 모드의 함수인 printf 실행하기 위해 게이트를 이용하여 시스템 콜을 합니다. 다음과 같이 스택이 만들어 집니다.

 

(1) 특권 레벨 3 스택 : 인자2

80*2*7

 

Parameter1

ESP

 

 

(2) 특권 레벨1 스택 :

 

SS

 

ESP

 

80*2*7

EBP+8

Parameter1

 

Cs

EBP

EIP

 

ES

ESP

EAX

 

printf:

                  mov ebp, esp

                  push es

                  push eax

                  mov ax, VideoSelector

                  mov es, ax

                  mov esi, [ebp+8]

                  mov edi, [ebp+12]

 

Printf 함수에서는 먼저 esp(tss esp0) 값을 ebp 지정을 합니다. 프로그램 진행 중에 바뀔 esp 값을 복원하기 위해 백업해 것입니다.

EBP+8 하여 첫번째 인수인 문자열을 접근 있고, 두번째 인수는 EBP+12 사용해 접근 있습니다.

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