3長模式

3.1何為長模式

本書雖然不是講述64位作業系統的，但是講到這裡就快能夠進入64位了，就寫下這張供極客研究。不想看這章的話也可以直接跳過其餘部分，只看3.3。這章的程式碼與前後一章是平行的，也就是說這章的程式碼是獨立的。

長模式是AMD64（與Intel的IA-32e）中的一個模式。進入長模式後，暫存器變成了64位，我們也可以訪問64位的記憶體空間[1]了。長模式中也含有相容模式，如果GDT中當前程式碼段的CS.L是0，就會進入相容模式。長模式忽略了分段，也就是說完全只靠分頁機制。

多說也不說，先來掌握以下基本概念。

3.2進入長模式的方法

我們知道，由真實模式進入到保護模式由兩步指令完成，

由保護模式進入長模式很相似，不過稍稍麻煩了點。我們看看步驟：

(1)首先，要進入保護模式，即CR0.PE=1

(2)其次，先初始化頁表！但注意，千萬不能開啟先分頁機制！

(3)開啟CR4.PAE

(4)開啟EFER.LME=1

(5)開啟CR0.PG=1，分頁使能。

(6)這時候處理器自動將EFER.LMA設定，進入長模式

(7)一個跳轉

你會想，這不是我們都做過的嗎。但是，你錯了，在長模式下，分頁機制變成了4層。

圖3.2.1地址轉換圖

先來拿圖嚇你一下，不過我們不會馬上講。我們還不知道我們的CPU夠不夠格呢。

3.3萬能工具

-CPUID的簡單介紹

CPUID是一個指令，沒有運算元。實際使用時，將一個入口引數放在EAX中然後執行指令CPUID，我們就可以在暫存器中找到CPU的各種特性。這個指令從486時代就有了。雖然我們應該先建立異常處理機制防止386的電腦出錯（其實也可以用EFLAGS來判斷CPUID是否可以用，但比之比較懶），但是現在已經沒有386的電腦了，我們大可以縮小我們的作業系統能支援的範圍。從486開始也包含了很多老式的電腦了呢。

我們先來簡單地熟悉一下CPUID命令。

表3.3.1 CPUID，EAX=0

由於CPUID內容實在太多，我把東西都放在cpuid.inc內，在loader中include了一下。

;=====================================================

; ShowCPUFeatures();顯示CPU資訊

;-----------------------------------------------------

; registers changed:

;   - All GPRs

ShowCPUFeatures:

movesi, STR_CMIV

call   DispStrPM

moveax,0; CPU基本資訊

cpuid

call   DispInt

mov[VENDOR],ebx

mov[VENDOR+4],edx

mov[VENDOR+8],ecx

movesi,STR_VEN

call   DispStrPM

ret

_STR_CMIV  db13,10,"CPUIDMax Input Value: ",0

STR_CMIV   equ_STR_CMIV+LOADER_SEGPHYADDR

_STR_VEN   db13,10,"Vendor:"

_VENDOR    times13db0

STR_VEN    equ_STR_VEN+LOADER_SEGPHYADDR

VENDOR     equ _VENDOR+LOADER_SEGPHYADDR

程式碼3.3.1 ShowCPUFeatures V0.1(chapter3/a/boot/include/cpuid.inc)

執行一下，看到最大Bochs支援的最大EAX是0x5，CPU廠商是GenuineIntel。

圖3.3.1 CPUID V0.1（被筆者擅自去掉了干擾資訊）

其實最重要的資訊為功能號0x1，但是筆者比較想知道處理器的名字。其實我們也可以用CPUID功能號1獲得CPU家族，但名字的話，這裡我們要用到擴充套件CPUID指令。

表3.3.2擴充套件CPUID

如果出口EAX=0表示不支援擴充套件CPUID指令。如果不為0，我們可以接著獲得CPU名字了。

moveax,0x80000000; CPU擴充套件資訊

cpuid

cmpeax,0x80000004

jb      .end         ;不支援就算了

movesi, BRAND

moveax,0x80000002

cpuid

mov[esi],eax

mov[esi+4],ebx

mov[esi+8],ecx

mov[esi+12],edx

addesi,16

moveax,0x80000003

cpuid

mov[esi],eax

mov[esi+4],ebx

mov[esi+8],ecx

mov[esi+12],edx

addesi,16

moveax,0x80000004

cpuid

mov[esi],eax

mov[esi+4],ebx

mov[esi+8],ecx

mov[esi+12],edx

movesi, STR_BRD

call   DispStrPM

.end:

ret

_STR_BRD   db13,10,"Brand:"

_BRAND     times65db0

STR_BRD    equ_STR_BRD+LOADER_SEGPHYADDR

BRAND     equ _BRAND+LOADER_SEGPHYADDR

程式碼3.3.2超長的程式碼 V1.0 (chapter3/a/boot/include/cpuid.inc)

雖然長了點，但是一點都不難。執行一下。

圖3.3.2筆者破電腦的CPUID

由於Hyper-V利用硬體虛擬化，所以這個CPUID就是筆者電腦本身的CPUID。而且與控制面板裡的一模一樣。Well done！

好了，略微扯遠了。我們現在就先看看這個CPU支不支援64位長模式。長模式標誌位是0x80000001號擴充套件CPUID功能返回值EDX的29位。

moveax,0x80000001

cpuid

btedx,29

jnc    .end

movesi, STR_64

call   DispStrPM

.end:

ret

_STR_64    db13,10,"AMD64Supported!",0

STR_64     equ _STR_64+LOADER_SEGPHYADDR

程式碼3.3.3長模式支援檢測(chapter3/a/boot/include/cpuid.inc)

唔…執行一下試試。

圖3.3.3 AMD64（長模式）支援！

這麼一來，長模式也支援了，我們開發過程中也沒有阻礙了。不過，為了以後著想，先看看支不支援PSE、PAE、PGE（全域性頁）。（你不是已經用過了麼<=Never Mind）。

我們來隆重介紹一下壓軸登場的0x1功能號。

表3.3.3壓軸好戲

圖3.3.4 CPUID，EAX=1，ECX返回值

我們先了解一下這裡有個