4. 从实模式到保护模式：A20地址线开启、GDT表结构、CR0控制寄存器切换

x86 处理器在上电复位后默认进入实模式（Real Mode），该模式下 CPU 仅能访问 1MB 地址空间（0x00000 – 0xFFFFF），且所有段寄存器左移 4 位 + 偏移量的寻址方式直接暴露给软件。现代操作系统内核必须切换到保护模式（Protected Mode）才能使用 4GB 平坦地址空间、硬件分页、特权级隔离等核心能力。本章围绕实模式→保护模式切换的三个关键工程步骤展开：A20 地址线开启、GDT 表结构构建、CR0 控制寄存器切换。

4.1 A20 地址线开启：突破 1MB 地址回绕

在 8086 实模式下，段:偏移最大地址为 0xFFFF:0xFFFF = 0x10FFEF（约 1.08MB），但 8086 只有 20 根地址线（A0–A19），因此超过 0xFFFFF 的地址会自动回绕到 0x00000。80286 及后续 CPU 拥有 24/32 根地址线，为了兼容旧软件，默认在启动时仍启用地址回绕（即 A20 地址线被强制拉低）。

A20 Gate 开启步骤：

1. 键盘控制器（8042）方法：向 0x64 端口发送 0xD1 命令，然后向 0x60 端口写入 0xDF（开启 A20）或 0xDD（关闭 A20）。
2. 快速 A20 方法（Fast A20）：读取 I/O 端口 0x92，设置第 1 位（bit 1）为 1，再写回 0x92。
3. BIOS 中断方法：调用 INT 15h，AX=0x2401 开启 A20，AX=0x2400 关闭 A20。

4.2 GDT 表结构：保护模式的段描述符

保护模式不再使用实模式的段寄存器左移方式，而是通过全局描述符表（GDT）中的段描述符来定义段的基地址、限长、访问权限和属性。GDT 是保护模式切换的核心数据结构，CPU 通过 GDTR 寄存器（全局描述符表寄存器）定位 GDT 在内存中的位置。

4.2.1 段描述符格式

每个段描述符占用 8 字节，其结构如下：

4.2.2 典型 GDT 布局（内核启动阶段）

在实模式→保护模式切换中，通常至少需要三个描述符：

• 空描述符（索引 0）：必须存在，CPU 硬件要求 GDT 第一个描述符为 0。
• 代码段描述符（索引 1）：基地址 0x00000000，限长 0xFFFFF，G=1（4KB 粒度 → 4GB），D=1（32 位），DPL=0，可执行/可读。
• 数据段描述符（索引 2）：基地址 0x00000000，限长 0xFFFFF，G=1，D=1，DPL=0，可读写。

4.3 CR0 控制寄存器切换：进入保护模式

CR0 是 x86 CPU 的核心控制寄存器，其第 0 位（PE 位，Protection Enable）控制 CPU 的运行模式。当 PE=0 时 CPU 处于实模式，PE=1 时进入保护模式。

4.3.1 切换步骤

1. 关闭中断：执行 CLI 指令，防止在切换过程中响应中断导致状态不一致。
2. 加载 GDT：使用 LGDT 指令将 GDT 的基地址和限长加载到 GDTR 寄存器。
3. 设置 CR0.PE 位：读取 CR0，置位第 0 位，再写回 CR0。
4. 远跳转刷新流水线：执行一条远跳转（JMP FAR 或 CALL FAR）指令，加载 CS 段选择子并刷新 CPU 指令预取队列。
5. 加载数据段选择子：将数据段选择子加载到 DS、ES、FS、GS、SS 寄存器。
6. 设置栈指针：重新初始化 ESP 为保护模式下的栈地址。

4.3.2 切换代码示例（NASM 语法）

; 关闭中断
cli

; 加载 GDT
lgdt [gdt_ptr]

; 设置 CR0 的 PE 位
mov eax, cr0
or eax, 1          ; 置位 bit 0
mov cr0, eax

; 远跳转刷新 CS 选择子
jmp 0x08:protect_mode_entry

[BITS 32]
protect_mode_entry:
    ; 加载数据段选择子（0x10 = 索引 2，RPL=0）
    mov ax, 0x10
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax

    ; 设置保护模式栈
    mov esp, 0x7E00

    ; 现在 CPU 已完全运行在保护模式下
    ; 可以开始内核解压缩与重定位工作

4.4 切换后的状态验证

进入保护模式后，建议立即执行以下验证操作，确保切换成功：

• 读取 CR0：检查 PE 位是否为 1。
• 读取 CS 段寄存器：远跳转后 CS 的选择子应为 0x08（索引 1，RPL=0）。
• 测试 4GB 寻址：向 0x100000（1MB 以上）写入一个测试值，再读取确认，验证 A20 已开启且保护模式寻址正常。
• 检查 GDTR：使用 SGDT 指令读取 GDTR 内容，确认基地址和限长与加载时一致。