5. 16비트 Real Mode에서 32비트 Protected Mode

 

(1) CR0 레지스터 설정

GDT를 준비하였으면, CPU에게 이제부터 Protected Mode로 넘어간다는 것을 알려야 합니다.

이런 역할을 하는 것이 CR0의 마지막 비트입니다.

다음 그림은 CR0레지스터 입니다.

CR0 레지스터는

31 bit (PG:Paging) – 만약 이 비트가 1일 때, 페이징과 CR3 레지스터를 활성화 하고 0일 때 페이징을 비활성합니다.

30 bit (CD : Cache disable) – 전역적으로 메모리 캐시를 활성화하거나 비활성화 합니다.

29 bit(NW:Not-write through) – 전역적으로 캐시를 통해 쓰는 것을 활성화 하거나 비활성화 합니다.

18 bit(AM:Alignment mask) – AM이 세트 되어 있으면 alignment 체크를 활성화하고, AC 플래그(EFLAGS에 있습니다.)가 세트 되어 있으면 권한이 level3 임을 의미합니다.

16 bit(WP:Write protect) – CPU가 페이지에 쓸 수 있는지 결정하여, 권한 레벨이 0일 때 read-only로 표시합니다

5 bit(NE:Numeric error) : 세트되어 있을 때 내부 x87 부동소수점 에러 리포팅을 활성화합니다. 0일 때, 내부 PC x87 에러를 검사합니다.

4 bit(ET:Extension type) : 386에서 , 외부 수리 보조처리기가 80287 인지 80387인지 구별합니다.

3 bit(TS:Task Switced): x87 명령이 사용된 이후에만 태스크 스위치 시에 x87 context를 저장합니다.

2 bit(EM:Emulation) : 세트되어 있을 때, x87 부동소수점 유닛이 존재하지 않고, 클리어 되어 있을 때, x87 FPU가 존재합니다.

1bit(MP:Monitor coprocessor) : WAIT/FWAIT 명령의 작용을 TS 플래그와 함께 제어합니다.

0bit(PE:Protected Mode Enable):세트 되었을 때 시스템은 protected mode 이며, 해제되었을때, real mode 입니다.

 

0비트를 set 해주면 Protected Mode가 활성화 됩니다.

 

mov eax, cr0

or eax, 0x00000001

mov cr0, eax

 

위 코드는 GDTR에 gdt를 등록하고 난 뒤에, CPU에게 이제부터 Protected Mode로 바꾸는 것을 알리기 위해

CR0의 최 하위 비트를 세트 해주는 코드입니다.

CR0의 다른 비트에 영향을 끼치지 않게 하기 위해여 OR 연산을 하였습니다.

 

(2) CPU 파이프라인 유닛 비우기

Protected Mode로 변경되었으나 CPU에는 파이프라이닝으로 인해 16비트 명령어 코드가 남아있을 수 있습니다. 따라서 jmp 명령어를 이용하여 CPU의 16비트 코드를 깨끗하게 지웁니다.

jmp $+2

nop

nop

 

 

(3) 세그먼트 레지스터 값 변경

세그먼트 레지스터가 16비트의 값을 포함하지 않도록 바꿔주어야 Protected Mode로 넘어갈 수 있습니다.

Db 0x66

Db 0x67

Db 0xEA

Dd PM_Start

Dw SysCodeSelector

 

Far JMP를 하기 위해서 CS레지스터에 새로운 세그먼트 값이 들어갑니다. CS에는 SysCodeSelector가, EIP 레지스터에는 PM_Start가 들어갑니다.

0x66 은 16비트에서 오퍼랜드를 32비트로 쓰겠다는 의미이고, 0x67은 16비트 모드에서 주소 값을 32비트로 쓰겠다는 의미입니다. 이 prefix를 붙이는 이유는 아직 명령어가 16비트 부분이기 때문입니다. 따라서 이를 어셈블리어로 옮기면

jmp DWORD SysCodeSelector:PM_Start

가 됩니다.

 

부트로더에서 Kernel로 진입하기 위해 데이터 세그먼트들을 CS와 같이 0x1000으로 할당하였습니다.

(커널을 0x10000 위치에 로드 했습니다.)

아직 그 값이 남아 있으므로 그 다음 세그먼트 레지스터를 Protected Mode에서 사용할 수 있도록, 다음과 같이 세그먼트 레지스터(셀렉터)에 데이터 세그먼트를 넣어 초기화 합니다.

 

[bits 32]

 

PM_Start:

mov bx, SysDataSelector

mov ds, bx

mov es, bx

mov fs, bx

mov gs, bx

mov ss, bx

 

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4. Protected Mode의 주소 지정 방법

 

 

Real Mode에서는 16비트의 세그먼트 레지스터를 사용한 반면, Protected Mode에서는 각 세그먼트 레지스터가 셀렉터 레지스터와 디스크립터 레지스터로 나누어 집니다.

오른 쪽에 있는 디스크립터 레지스터는 다음과 같은 형태를 취하고 있습니다.

 

상위 13비트는 디스크립터를 찾기 위한 인덱스가 저장되고, 두번째 비트에는 TI 값, 0, 1 비트에는RPL 값이 들어갑니다.

실제로 프로그래머가, 세그먼트 레지스터에서 다룰 수 있는 것은 이 세그먼트 셀렉터입니다.

 

세그먼트 디스크립터 찾기

이 세그먼트 셀렉터를 이용하여 세그먼트 디스크립터를 찾는 방법을 설명하겠습니다.

본격적으로 찾기 전에 앞서 다음의 코드가 실행이 이미 되어 있어, gdtr 레지스터에 gdt가 등록이 되어 있다고 가정 하겠습니다.

lgdt[gdtr]

 

gdtr:

dw gdt_end – gdt – 1

dd gdt+0x10000

 

 

47

 Base address = 0x00010000

16

15

Limit  = 0x1F

0

00

00

00

00

00

01

00

00

00

00

00

1F

Gdtr 레지스터

 

예시로 세그먼트 셀렉터에 지난 포스팅에서 만든 데이터세그먼트 디스크립터를 나타내는 값을 넣어 보겠습니다.

 

SysCodeSelector equ 0x08

dw 0xFFFF              ; limit 0 - 15

dw 0x0000              ; base 0 - 15

dd 0x01                    ; base 16 - 23

db 0x9A                   ; 10011010(2)

db 0xCF                   ; 11001111(2)

db 0x00                  ; base 24 - 63

 

mov bx, SysCodeSelector

mov cs, bx


CS 레지스터에 SysCodeSelector equ 0x08 값을 넣어 봅니다.

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0

0

0

들어간 값은 다음과 같이 해석할 수 있습니다.

3 - 15 (인덱스) : 1

2 (TI) : 0

0 – 1 (RPL) : 0

 

먼저 GDTR레지스터에 등록되어 있는 GDT의 Base Address를 가져와 GDT의 첫번째 디스크립터의 물리 주소 0x10000를 구합니다.

다음 그림은 지난 포스트에서 만든 4개의 디스크립터가 메모리에 저장된 모습입니다. (Little Endian)

각 세그먼트의 경계는 각기 다른 색으로 표시 되어 있습니다.

   

(hex)

00

01

10

11

 

10000

00

00

00

00

gdt:

10004

00

00

00

00

10008

FF

FF

00

00

SysCodeSelector :

1000C

01

9A

CF

00

10010

FF

FF

00

00

SysDataSelector :

10014

01

92

CF

00

10018

FF

FF

00

80

SysVideoSelector :

1001C

0B

92

40

00

10020

 

 

 

 

 


 

세그먼트 셀렉터에 주어진 인덱스를 가져와 디스크립터의 크기(8byte) 만큼 곱하고, 구한 Base Register 만큼 더합니다.

1 * 8 + 0x10000 = 0x10008

물리주소 0x10008을 찾아가 본 결과, 코드 세그먼트 디스크립터를 찾을 수 있었습니다.

디스크립터를 찾았으면 DS 세그먼트 셀렉터의 RPL과 코드 세그먼트 디스크립터의 DPL을 대조해 봅니다.

CS 세그먼트 셀렉터의 RPL은 00이며, 코드 세그먼트 디스크립터의 DPL은 00 임으로 일치합니다.

값이 일치한다면 CS 세그먼트 디스크립터 레지스터에 코드 세그먼트 디스크립터의 내용을 복사합니다.

 

세그먼트와 오프셋을 이용해 주소 지정

 

Lea esi, [ds:msgPMode]

 

위 코드에서 ds:msgPMode의 선형주소를 구해봅시다.

 

Ds의 세그먼트 디스크립터 레지스터입니다.

Limit

0xFFFFFFFF

Base Address

0x10000

속성

msgPMode의 주소를 구하니 0x65라는 것을 알 수 있습니다.(little endian를 고려합니다)

26

27 ;------------------------------------------------------------;

28 ;*********** 여기부터 Protected Mode입니다. *****************;

29 ;------------------------------------------------------------;

30

31 [bits 32]

32

33 PM_Start:

34 00000025 66BB1000     mov bx, SysDataSelector

35 00000029 8EDB     mov ds, bx

36 0000002B 8EC3     mov es, bx

37 0000002D 8EE3     mov fs, bx

38 0000002F 8EEB     mov gs, bx

39 00000031 8EEB     mov gs, bx

40 00000033 8ED3     mov ss, bx

41

42 00000035 31C0     xor eax, eax

43 00000037 66B81800     mov ax, VideoSelector

44 0000003B 8EC0     mov es, ax

45 0000003D BF54060000     mov edi, 80*2*10+2*10

46 00000042 3E8D35[65000000]     lea esi, [ds:msgPMode]

47 00000049 E802000000     call printf

48

49 0000004E EBFE     jmp $

50

51 ;------------------------------------------------------------;

52 ;*************** Sub Routines *******************************;

53 ;------------------------------------------------------------;

54

 

이제 세그먼트와 오프셋을 이용해 물리 주소를 찾아 봅시다. 먼저

(1) 오프셋의 주소를 lmit와 비교하여 작은지 검사합니다.

 

DS 세그먼트의 디스크립터 레지스터의 limit는 0xFFFFFFFF 로 오프셋 주소가 더 작음을 알 수 있습니다.

0xFFFFFFFF > 0x65

 

(2)lmit보다 작다면 세그먼트의 Base Address와 더해줍니다.

 

0x10000 + 0x65 = 0x10065

 

위 과정을 거치면 선형주소 , 즉 물리 주소가 완성됩니다.

 

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1. 16비트 Real Mode

Real Mode는 PC를 부팅할 때 맨 처음 동작하는 CPU모드로, 16비트 명령어로 동작하며 16비트 형식의 레지스터를 사용합니다.

Real Mode의 특징

(1) 범용 레지스터

 

16비트 모드에서의 레지스터들은 16비트, WORD로 되어 있고 0에서 0xFFFF까지 저장할 수 있습니다.

(2) 주소지정

주소지정은 세그먼트 레지스터와 오프셋 레지스터를 사용하여 할 수 있습니다.

이 두 레지스터는 16비트 모드에서 각각 16비트 값만 취할 수 있습니다.

만약 물리 번지 0x30004F로 점프(예 – jmp)를 하려고 시도를 한다면 IP 레지스터 또한 16비트의 값만 취급 하므로 점프를 할 수 없습니다.

그러므로 IP 레지스터(오프셋으로 사용)가 현재 지정한 세그먼트 영역 안에서 0x0000 ~ 0xFFFF의 범위 밖으로 나갈 수 없어 점프가 불가능 한 경우,

Far jmp를 사용하여 세그먼트와 오프셋을 함께 바꾸어야 합니다.

Jmp operation

 

Opcode

Mnemonic

Description

EB cb

JMP rel8

Jump short, relative, displacement relative to next instruction.

E9 cw

JMP rel16

Jump near, relative, displacement relative to next instruction.

E9 cd

JMP rel32

Jump near, relative, displacement relative to next instruction.

FF /4

JMP r/m16

Jump near, absolute indirect, address given in r/m16.

FF /4

JMP r/m32

Jump near, absolute indirect, address given in r/m32.

EA cd

JMP ptr16:16

Jump far, absolute, address given in operand.

EA cp

JMP ptr16:32

Jump far, absolute, address given in operand.

FF /5

JMP m16:16

Jump far, absolute indirect, address given in m16:16.

FF /5

JMP m16:32

Jump far, absolute indirect, address given in m16:32.

 

X86 어셈블리언어에서 jmp 명령은 무조건 분기를 수행합니다. 내부적으로는 IP 레지스터를 변경하는 것으로 수행됩니다. CPU real mode인지, protected 모드인지에 따라, 명령의 오퍼랜드가 16비트인지, 32비트인지, 혹은 세그먼트:오프셋 형식을 가지는지, 오버라이드 명령어가 사용되는지에 따라서 각각 다른 opcode 맵핑 되어 있습니다. 점프에는 근접 점프, 조건 점프, 레지스터의 간접 점프, 즉치값을 이용한 점프 등이 있습니다.

1. 16비트 포인터를 사용한 간접 점프

2. 세그먼트 안에서 32비트 포인터를 이용한 long jmp

3. eax 레지스터를 이용한 register-indirect absolute jump // 프로텍트 모드에서만 가능

 

 

(3) 세그먼트

Real mode에서의 세그먼트 접근의 위험성

Real 모드에서는 세그먼트 내에서는 어떤 메모리 영역에도 접근이 가능하여 ,

다른 프로그램의 실행코드 등을 임의로 변경시키는 등의 위험한 상황이 발생할 수 있습니다.

세그먼트 지정의 제약

Real 모드에서 세그먼트:오프셋 형태로 주소를 지정하게 되면 CPU는 세그먼트 값에 0x16을 곱한 뒤 오프셋과 더하는 연산을 하여 주소를 구하게 됩니다. 따라서 16비트 모드에서는 세그먼트는 항상 16비트 단위로 지정이 되게 됩니다.

(4) 물리주소

Real Mode에서 최대한 지정할 수 있는 메모리 주소는 0xFFFF:0xFFFF = 0x10FFEF 입니다.

따라서 아무리 램의 용량이 많다고 하여도 접근할 수 있는 주소 영역은 0x000000 에서 0x10FFEF 입니다.

거기에 0xA0000 ~ 0x100000까지는 그래픽 모드 비디오 메모리, 텍스트 모드 비디오 메모리, BIOS 등이 사용하는 영역 등이 정해져 있어 실제로 사용자가 프로그램을 저장할 수 있는 공간은 더 적습니다. 실제로 사용할 수 있는 영역은0x000~0xA0000, 640KB밖에 사용할 수 없습니다.

 

2. Protected Mode

 

 

Protected Mode의 특징

 

(1) 최대 4 GB의 영역을 지정할 수 있음

(2) 커널 시스템 영역과 유저 영역으로 나누어, 커널 시스템 영역을 유저 애플리케이션으로부터 보호하거나 코드/데이터 세그먼트를 분리시켜 코드를 일거나 쓰지 못하도록 막을수 있음

(3) 각 세그먼트의 시작 주소를 물리주소로 지정 할 수 있고, 1byte 단위로 지정할 수 있음

 

3. GDT

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Lmit 15 - 0비트

Base Address 15 - 0비트

P

DPL

S

Type

Base Address 23 – 16 비트

Base Address 31 – 24 비트

G

D

0

AVL

Lmit 19 - 16비트

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

(1) Base Address

이 세그먼트의 시작 주소로, 하위 0 – 15 비트와 상위 16 – 19 비트로 나눠서 저장합니다.

(2) Lmit

이 세그먼트의 한계점(크기)를 나타냅니다. 오프셋은 이 숫자를 넘어갈 수 없고 넘어가게 되면 GP fault(Protected Mode 규약 위반)이 발생합니다.

Base Address처럼 나누어서 하위 0 – 15 비트와 ,16 – 23 비트, 상위 24 - 31비트로 나누어서 저장합니다.

G 비트가 0일 경우 Limit 값의 단위는 그대로 이고, 1일 경우 0xFFF을 곱하여 한계점으로 정합니다.

(3) P bit

이 세그먼트가 메모리상에 존재하는지를 나타내는 값으로, 커널 프로그램의 메모리 관리 루틴에 사용됩니다. 페이지와 관련된 비트입니다.

(4) DPL

이 세그먼트가 커널 레벨인지 유저 레벨인지 나타냅니다.

 

인텔 x86 계열 CPU에는 4가지 레벨의 권한이 있으며, 0이면 커널 레벨이고 3이면 유저 레벨입니다.

 

(5) S bit

시스템 세그먼트(0)인지 코드 혹은 데이터 세그먼트(1)인지를 결정합니다. 항상 1로 지정합니다.

(6) Type


 

Type Field

디스크립터

타입

설명

10진수

11

10

9

8

 

E

W

A

0

0

0

0

0

데이터

읽기 전용

1

0

0

0

1

데이터

읽기 전용, 액세스

2

0

0

1

0

데이터

읽기/쓰기

3

0

0

1

1

데이터

읽기/쓰기, 액세스

4

0

1

0

0

데이터

읽기 전용, EXPAND DOWN

5

0

1

0

1

데이터

읽기전용, EXPAND DOWN, 액세스

6

0

1

1

0

데이터

읽기/쓰기, EXPAND DWON

7

0

1

1

1

데이터

읽기/쓰기, EXPAND DOWN, 액세스

 

 

C

R

A

 

 

8

1

0

0

0

코드

실행 전용

9

1

0

0

1

코드

실행 전용, 액세스

10

1

0

1

0

코드

실행/읽기

11

1

0

1

1

코드

실행/읽기, 액세스

12

1

1

0

0

코드

실행 전용, CONFORMING

13

1

1

0

1

코드

실행 전용, CONFORMING, 액세스

14

1

1

1

0

코드

실행/읽기 전용, CONFORMING

15

1

1

1

1

코드

실행/읽기 전용, CONFORMING, 액세스

  • 최상위 비트 : 코드 세그먼트/데이터 세그먼트 지정
  • 마지막 비트 : 액세스 비트

    어떤 프로그램이 이 세그먼트에 접근했을 때 cpu가 1로 바꿔주고, 클리어는 커널이 함

  • 첫번째 비트가 0일 때

    코드 세그먼트로 사용

    두번째 비트 : Conforming 지원 여부(CPU Protected Mode의 보호 정책)

    세번째 비트 : 세그먼트의 읽기 권한


GDT 첫번재 디스크립터는 NULL 디스크립터를 기재해 주어야 됩니다.

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0x0000

0x0000

0

00

0

0000

0x00

0x00

0

0

0

00

00

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

이것을 코드로 나타내면 다음과 같습니다.

gdt:

dw 0        ; limit 0 - 15

dw 0        ; base 0 - 15

dd 0         ; base 16 - 23

db 0         ; type, s, DPL, P

db 0         ; limit 16 – 19, AVL, 0, D, G

db 0        ; base 24 - 63

 

코드 세그먼트 디스크립터의 예시 입니다.

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0xFFFF

0x0000

1

00

1

1010

0x01

0x00

1

1

0

00

0xF

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

위의 디스크립터를 코드로 나타내면 다음과 같습니다.

SysCodeSelector equ 0x08

dw 0xFFFF              ; limit 0 - 15

dw 0x0000              ; base 0 - 15

dd 0x01                    ; base 16 - 23

db 0x9A                   ; 10011010(2)

db 0xCF                   ; 11001111(2)

db 0x00                  ; base 24 - 63

 

5번째 줄의 바이트 상위 4비트는 0x9 , 4번째 비트가 1이므로 코드 세그먼트라는 것을 있습니다.

마찬가지로 번째 비트와 번째 비트가 00 인데 이것으로 DPL 0이고 따라서 커널 영역으로 사용됨을 나타내는 것을 있습니다.

 

데이터 세그먼트 디스크립터의 예시입니다.

 

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0xFFFF

0x0000

1

00

1

0010

0x01

0x00

1

1

0

00

0xF

 

SysDataSelector equ 0x10

dw 0xFFFF              ; limit 0 - 15

dw 0x0000              ; base 0 - 15

dd 0x01                    ; base 16 - 23

db 0x92                    ; 10010010(2)

db 0xCF                   ; 11001111(2)

db 0x00                  ; base 24 - 63

 

Type 필드가 0010임으로 위의 type 표를 보면, 세그먼트기 데이터 세그먼트이고, 읽기/쓰기가 가능하다는 것을 있습니다.

 

비디오 메모리를 위한 디스크립터의 예시입니다.

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

0xFFFF

0x8000

1

00

1

1010

0x0B

0x00

1

0

0

00

0x0

63

62

61

60

59

58

57

56

55

54

53

52

51

50

49

48

 

 

VideoSelector equ 0x18

dw 0xFFFF              ; limit 0 - 15

dw 0x8000              ; base 0 - 15

dd 0x0B                   ; base 16 - 23

db 0x92                    ; 10010010(2)

db 0x40                    ; 10000000(2)

db 0x00                  ; base 24 - 63

 

6번째 줄을 보면, 상위 4비트가 4 것을 알수 있으며, G 0 되므로, 세그먼트의 크기가 바이트 단위로 지정이 되었습니다.

 

GDTR 레지스터



 

GDTR GDT 어디에 있는지, 개나 있는지 저장하고 있는 레지스터입니다. 레지스터에 만든 GDT 등록시켜 CPU 사용할 있도록 해야됩니다.

처음 0 – 15 까지의 비트는 사용할 있는 GDT 크기를 저장하고, 16 – 47까지의 비트는 GDT 시작점 주소를 저장합니다.

GDTR 명령어는 GDT 저장하고 있는 주소를 오퍼랜드로 받아, GDT 등록합니다.

Lgdt[gdtr]

 

gdtr:

dw gdt_end – gdt – 1

dd gdt+0x10000

 

Gdt 첫번째 gdt 위치를 가리키며, gdt_end gdt 끝을 나타냅니다. 0부터 시작함으로 1 빼줍니다.

두번째는 커널의 베이스 어드레스가 0x10000이므로 0x10000 더해줍니다.

Gdtr 넣어야 하는 값은 세그먼트:오프셋이 아니라 물리 주소를 넣어야 합니다. 따라서 물리 주소의 값을 만들어서 넣어야 됩니다.



lgdt 명령어 동작

if(OperandSize == 16 {

GDT.Limit = Source[0..16];

GDTR.Base = Source[16..47] & 0xFFFFFF;

}

else { //OperandSize == 32

GDTR.Lmit = Source[0..15];

GDTR.Base = Source[16..47];

}

예외상황

Protected Mode

 #UD

source 오퍼랜드가 메모리 영역이 아닐때 

 #GP (0)

현재 권한 레벨이 0이 아닐때

메모리 오퍼랜드의 유효 주소가 Cs, DS, ES, FS, GS 세그먼트의 리미트를 벗어날때

Null  세그먼트 셀렉터를 가지고 있는 DS, ES, FS, GS 레지스터가 메모리에 접근하는데 사용될 때  

 #SS 9)0

메모리 오퍼랜드의 유효 주소가 SS 세그먼트 리미트를 벗어날 때 



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