2. 案例2

任务目标

本案例实现x86平台Bootloader从实模式（16位）切换到保护模式（32位）的完整流程。核心工作包括：构建全局描述符表（GDT）并加载、启用A20地址线、修改CR0寄存器控制位，最终跳转到32位代码段执行。代码以可引导的Bootloader扇区形式呈现，可在QEMU中直接验证。

环境与依赖

汇编器：NASM（≥2.14）
虚拟机：QEMU（≥5.0）
目标平台：x86（IA-32）

核心实现

以下代码为完整的Bootloader实现，包含实模式入口、GDT定义、A20启用、CR0切换及保护模式下的显存输出验证。代码经nasm -f bin编译后可直接作为引导扇区运行。

;--------------------------------------------------------
; boot.asm - 实模式到保护模式切换
; 汇编: nasm -f bin boot.asm -o boot.bin
; 运行: qemu-system-i386 -drive format=raw,file=boot.bin
;--------------------------------------------------------
[bits 16]
org 0x7c00

start:
    ; 保存引导驱动器号
    mov [boot_drive], dl

    ; 关闭中断（切换过程不允许被打断）
    cli

    ; 启用A20地址线（使用快速门控端口0x92）
    in al, 0x92
    or al, 0x02
    and al, 0xFE        ; 保留bit0（禁止复位）
    out 0x92, al

    ; 等待A20生效（简单延时）
    mov cx, 0x100
a20_wait:
    loop a20_wait

    ; 加载GDT描述符
    lgdt [gdt_desc]

    ; 修改CR0的PE位（bit0），切换到保护模式
    mov eax, cr0
    or eax, 0x00000001
    mov cr0, eax

    ; 清空流水线并跳转到32位代码段
    jmp 0x08:protected_mode

[bits 32]
protected_mode:
    ; 初始化数据段寄存器为GDT数据段选择子（0x10）
    mov ax, 0x10
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax

    ; 设置栈顶（位于1MB以下，避免与显存冲突）
    mov esp, 0x90000

    ; 验证：向显存写入字符 'P'（绿色）
    mov byte [0xb8000], 'P'
    mov byte [0xb8001], 0x0A

    ; 死循环，保持CPU在保护模式
halt:
    hlt
    jmp halt

;--------------------------------------------------------
; GDT定义
;--------------------------------------------------------
align 8
gdt_start:
    ; 空描述符（必须为全0）
    dd 0x00000000
    dd 0x00000000

    ; 代码段描述符（选择子0x08）
    ; base=0x0, limit=0xFFFFF, G=1, D/B=1, S=1, P=1, DPL=0, TYPE=0xA（可执行/可读）
    dw 0xFFFF        ; limit[15:0]
    dw 0x0000        ; base[15:0]
    db 0x00          ; base[23:16]
    db 0x9A          ; P=1, DPL=0, S=1, TYPE=0xA
    db 0xCF          ; G=1, D/B=1, limit[19:16]=0xF
    db 0x00          ; base[31:24]

    ; 数据段描述符（选择子0x10）
    ; base=0x0, limit=0xFFFFF, G=1, D/B=1, S=1, P=1, DPL=0, TYPE=0x2（可读/写）
    dw 0xFFFF        ; limit[15:0]
    dw 0x0000        ; base[15:0]
    db 0x00          ; base[23:16]
    db 0x92          ; P=1, DPL=0, S=1, TYPE=0x2
    db 0xCF          ; G=1, D/B=1, limit[19:16]=0xF
    db 0x00          ; base[31:24]
gdt_end:

gdt_desc:
    dw gdt_end - gdt_start - 1   ; GDT长度减1
    dd gdt_start                 ; GDT基地址

;--------------------------------------------------------
; 数据区
;--------------------------------------------------------
boot_drive: db 0x00

; 填充至510字节并写入引导签名
times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

编译与运行

nasm -f bin boot.asm -o boot.bin
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=boot.bin

验证方法

运行QEMU后，观察屏幕左上角是否出现绿色字符P。若出现，说明切换成功：

实模式入口：BIOS将引导扇区加载至0x7C00并跳转执行；
A20启用：通过端口0x92的bit1置位，解除地址线回绕；
GDT加载：lgdt指令加载包含代码段（0x08）和数据段（0x10）的描述符表；
CR0切换：置位PE位后，CPU进入保护模式；
远跳转刷新流水线：jmp 0x08:protected_mode加载代码段选择子并跳转至32位代码；
段寄存器初始化：将DS/ES/SS等加载为数据段选择子；
显存输出：向0xB8000写入字符P及其属性字节（绿色），验证32位模式下内存访问正常。

若屏幕无输出或QEMU报错，请检查：GDT描述符的基地址/界限是否正确、A20端口是否被虚拟机支持（QEMU默认支持）、CR0修改后是否立即执行远跳转。

常见问题

屏幕无输出：确认GDT中代码段描述符的TYPE位为0xA（可执行），且跳转选择子0x08与描述符索引1对应。
三声报警后重启：通常因GDT加载失败或CR0切换后未正确跳转。检查gdt_desc中的基地址是否为gdt_start的实际线性地址（实模式下为CS:IP组合，此处使用org 0x7c00确保正确）。
A20未生效：部分环境需通过键盘控制器（端口0x64/0x60）启用，但QEMU支持0x92快速门控，本实现已覆盖。