6. 32비트 보호 모드로 전환

Ⅰ. 개요

• 리얼 모드에서 보호모드로 전환하려면, 크게 6단계를 거쳐야 한다.
  • 상위 2단계는 보호 모드 전환에 필요한 자료구조를 생성하는 단계이다.
  • 나머지 4단계는 생성된 자료구조를 프로세서에 설정하는 단계이다.
  • 세그먼트 디스크립터 생성 → GDT 정보 생성 → 프로세서에 GDT 정보 설정 → CR0 컨트롤 레지스터 설정 → jmp 명령으로 CS 세그먼트 셀렉터 변경과 보호 모드로 전환 → 각종 세그먼트 셀렉터 및 스택 초기화 (32bit 보호 모드) → 보호 모드 커널 실행
• 보호 모드에서 반드시 생성해야 하는 자료구조는 세그먼트 디스크립터와 GDT이다.

Ⅱ. 세그먼트 디스크립터 생성

1. 개요

• 세그먼테이션 기법에서 세그먼트의 정보를 나타내는 자료구조를 의미한다.
  • 세그먼트: 메모리 공간을 임의의 크기로 나눈 영역을 의미한다.
  • 세그먼트를 복잡하게 구성할수록 세그먼트 디스크립트의 수도 증가한다.
  • 보호 모드의 세그먼트 디스크립터는 8byte로, 다양한 필드가 존재한다.

2. 개발 시, 설정하고자 하는 세그먼트

• 커널 코드와 데이터용 세그먼트 디스크립터 각 1개씩 생성한다.
• 커널 코드와 데이터용 세그먼트는 0~4GB까지 모든 영역에 접근할 수 있어야 한다.
• 보호 모드용 코드와 데이터에 사용할 기본 오퍼랜드 크기는 32bit여야 한다.
• 보호 기능은 사용하지 않으며, 프로세서의 명령을 사용하는데 제약이 없어야 하므로 최상위 권한(0)이어야 한다.

3. 코드 세그먼트 디스크립터와 데이터 세그먼트 디스크립터 타입 설정

• 코드 & 데이터 세그먼트를 설정하려면, S필드와 타입 필드를 조합해야 한다.
• S필드
  • 코드 세그먼트와 데이터 세그먼트는 세그먼트 디스크립터이므로, S필드의 값을 1로 설정한다.
• 세그먼트 타입
  • 4bit 크기의 타입 필드를 이용해서 설정한다.
  • 해당 실습에서는 기본적인 세그먼트 타입만 사용하고, 코드 세그먼트는 실행/읽기 타입으로 설정한다.
  • 코드 세그먼트 타입: 0x0A (Execute/Read)
  • 데이터 세그먼트 타입: 0x02 (Read/Write)

4. 세그먼트의 영역 설정

• MINT64 OS의 커널 세그먼트 디스크립터는 4GB 전체 영역에 접근할 수 있어야 한다.
  • 커널용 세그먼트 디스크립터의 기준 주소는 0으로 설정한다.
• 세그먼트의 크기
  • 크기 필드만으로는 4GB영역을 표현할 수 없으므로 20bit의 크기를 4GB로 확장할 것이 필요한데, 이 때 사용되는 것이 “G 필드”이다.
  • G필드의 값을 1로 설정하면, 크기 필드에 4KB 곱한 것이 실제 세그먼트의 크기가 된다.
  • 1MB에 4KB를 곱하면, 4GB가 되므로 크기 필드와 G필드를 사용하면 메모리 전체 영역을 세그먼트 영역으로 설정할 수 있다.

5. 기본 오퍼랜드 크기와 권한 설정

(1) 기본 오퍼랜드 크기

• 보호 모드는 32bit에서 동작하므로, 기본 오퍼랜드의 크기도 32bit로 설정한다.
• 기본 오퍼랜드의 크기는 D/B 필드가 담당하며, 1로 설정하면 32bit 크기로 설정할 수 있다.
  • IA-32e 모드의 64bit 서브 모드 or 32bit 호환 모드를 설정하는 L필드도 기본 오퍼랜드 크기를 지정할 수 있다.
  • 본 실습에서는 32bit 보호모드용이므로 L비트는 0으로 설정한다.

(2) 권한 필드

• 보호 모드의 주요 특징 중, 하나인 보호 기능에 핵심 역할을 한다.
• 프로세서는 디스크립터의 권한 필드에 설정된 값과 세그먼트 셀렉터의 권한을 비교하여 접근 가능한지 판단한다.
• MINT64 OS의 보호 모드는 권한을 따로 구분하지 않고, 권한 필드를 모두 최상위 권한(0)으로 설정한다.

6. 기타 필드 설정

• 생성한 세그먼트 디스크립터는 보호 모드로 전환하는 과정에서 사용하므로, 유효한 디스크립터라는 것을 알려야 한다.
  • P필드를 1로 설정하면, 해당 디스크립터를 사용할 수 있다.
  • AVL 필드는 임의로 사용할 수 있는 필드로, MINT64 OS에서는 별도의 값을 쓰지 않으므로 0으로 설정한다.

7. 세그먼트 디스크립터 생성 코드

• 앞의 내용을 바탕으로, 어셈블리어를 사용하여 코드 세그먼트 디스크립터와 데이터 세그먼트 디스크립터를 생성한다.

CODEDESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x9A		; P=1, DPL=0, Code Segment, Execute/Read
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]

DATADESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x92		; P=1, DPL=0, Data Segment, Read/Write
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]

• 보호 모드는 현대 OS가 제공하는 4GB 주소 공간, 멀티태스킹, 페이징, 메모리 보호 등의 기능을 하드웨어적으로 지원한다.

Ⅲ. GDT 정보 생성

• GDT(Global Descriptor Table)자체는 연속된 디스크립터의 집합이다.
  • 즉, MINT64 OS에서는 사용하는 코드 세그먼트 디스크립터와 데이터 세그먼트 디스크립터를 연속된 어셈블리어 코드로 나타내면 그 전체 영역이 GDT이다.
  • 다만, 가장 앞부분에 NULL Descriptor를 추가해야 한다.
  • (Null Descriptor는 프로세서에 의해, 예약된 디스크립터로 모든 필드가 0으로 초기화된 디스크립터이며, 일반적으로 참조되지 않는다.
• GDT는 디스크립터의 집합으로, 프로세서에 GDT의 시작 어드레스와 크기 정보를 로딩해야 한다.
  • GDT 정보를 저장하는 자료구조의 기준 주소는 32bit의 크기이다.
  • 데이터 세그먼트 기준 주소와 관계없이 어드레스 0을 기준으로 하는 선형 주소이다.
  • (따라서, GDT 시작 어드레스를 실제 메모리 공간상의 어드레스로 변환해야 한다.)
  • GDT 선형 주소는 현재 실행되는 세그먼트 기준 주소를 알고 있으므로, 현재 세그먼트 시작을 기준으로 GDT 오프셋을 구하고 세그먼트 기준 주소를 더해주면 구할 수 있다.

;GDTR 자료구조 정의
GDTR:
	dw GDTEND - GDT - 1		; 아래에 위치한 GDT 테이블의 전체 크기 
	dd (GDT - $$ + 0x10000)	; 아래에 위치한 GDT 테이블의 시작 어드레스

;GDT 테이블 정의
GDT:
	; 널 디스크립터. 반드시 0으로 초기화해야함
	NULLDescriptor:
		dw 0x0000
		dw 0x0000
		db 0x00
		db 0x00
		db 0x00
		db 0x00

; 보호 모드 코드 세그먼트 디스크립터
CODEDESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x9A		; P=1, DPL=0, Code Segment, Execute/Read
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]

; 보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터
DATADESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x92		; P=1, DPL=0, Data Segment, Read/Write
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]

Ⅲ. 보호 모드 전환

• 보호 모드로 전환하려면, GDTR 레지스터 설정 → CR0 컨트롤 레지스터 설정 → jmp 명령 수행 등의 3단계만 수행하면 된다.

1. 프로세서에 GDT 정보 설정

• 프로세서에 GDT 정보를 설정하려면, lgdt 명령어를 사용한다.
  • lgdt 명령어로 2byte크기와 4byte 기준 주소로 된 GDT 정보 자료구조를 오퍼랜드로 받는다.
• GDT 정보를 프로세서에 로딩할 수 있는 코드
• lgdt [ GDTR ] ;GDTR 자료구조를 프로세서에 설정하여, GDT 테이블을 로드

2. CR0 컨트롤 레지스터 설정

• CR0 컨트롤 레지스터에는 보호 모드 전환에 관련된 필드 외 캐시(cache), 페이징(paging), 실수 연산 장치(FPU) 등과 관련된 필드가 포함되어 있다.
• MINT64 OS에서 보호모드는 거쳐 가는 임시 모드이므로, 세그먼테이션 기능 외에 사용하지 않아도 된다.
  • 페이징, 캐시, 메모리 정렬 검사, 쓰기 금지 기능은 모두 사용하지 않음으로 설정하면 된다.
  • but, FPU에 관련된 필드인 EM, ET, MP, TS, NE는 서로 연관되어 있으므로 FPU관련 필드를 설정해야 한다.
• FPU 설정
  • FPU 내장 여부에 관련된 필드 설정
    • x86 프로세서에는 FPU가 내장되어 있으므로 EM필드를 0으로 설정해서 FPU 명령을 소프트웨어로 에뮬레이션하지 않게 하고 ET필드를 1로 설정한다.
    • 현재에는 임시로 초기화 한 것이기 때문에, FPU가 정상적으로 작동하지 않는다. 따라서, MP필드, TS필드, NE필드를 1로 설정하여 FPU명령이 실행될 때 예외가 발생하도록 설정해야 한다.
    • 보호 모드에서는 예외에 대한 처리를 하지 않으므로 가능하면, 실수 연산을 하지 앙ㄶ아야 한다.
  • CR0 컨트롤 레지스터 설정하는 코드
  • mov eax, 0x4000003B ;PG=0, CD=1, NW=0, AM=0, WP=0, NE=1, ET=1, TS=1, EM=0, MP=1, PE=1 mov cr0, eax ;CR0 컨트롤 레지스터에 위에서 저장한 플래그를 설정하여 보호모드로 전환

3. 보호 모드로 전환과 세그먼트 섹렉터 초기화

• 32bit 코드를 준비한 후, 한줄의 어셈블리어 코드로 CS 세그먼트 섹렉터(=레지스터) 값을 바꾸는 것이다.
  • 어셈블리어로 16bit나 32bit 코드를 생성하려면 BITS명령어를 사용한다.
  • 16bit (리얼 모드): [BITS 16]
  • 32bit (보호 모드): [BITS 32]
• CS 세그먼트 섹렉터를 교체하려면 jmp명령과 세그먼트 레지스터 접두사를 사용해야 한다.
  • 리얼모드의 세그먼트 레지스터 : 세그먼트의 시작 어드레스(기준 주소)를 저장하는 레지스터이다.
  • 보호모드의 세그먼트 셀렉터
    • 리얼모드와 달리 다양한 정보를 포함하고 있으므로, 세그먼트 정보는 디스크립터에 저장하고 세그먼트 셀렉터는 그 디스크립터를 지시하는 용도로 사용한다.
    • 세그먼트 셀렉터에 어드레스를 설정하여, 디스크립터를 지시할 수 있다.
    • (단, 세그먼트 기준 주소 대신 GDT 내의 디스크립터의 어드레스를 사용하며 이는 GDT의 시작 어드레스로부터 떨어진 거리를 의미한다.)
• 커널 코드 세그먼트를 사용하여, 보호 모드로 전환하고 나서 나머지 세그먼트 셀렉터를 커널 데이터 세그먼트 디스크립터로 초기화하는 코드

; 커널 코드 세그먼트를 0x00을 기준으로 하는 것으로 교체하고 EIP의 값을 0x00을 기준으로 재설정
; CS 세그먼트 셀렉터: EIP
jmp dword 0x08: ( PROTECTEDMODE - $$ + 0x10000 )
; 커널 코드 세그먼트가 0x00을 기준으로 하는 반면, 실제 코드는 0x10000을 기준으로 실행되므로, 오프셋에 0x10000를 더해서 세그먼트 교체 후에도 같은 선형 주소를 가리키게 함

[BITS 32]  ; 이하의 코드는 32bit 코드로 설정
PROTECTEDMODE:
			mov ax, 0x10      ;보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터를 AX 레지스터에 저장
      mov ds, ax        ;DS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov es, ax        ;ES 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov fs, ax        ;FS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov gs, ax        ;GS 세그먼트 셀렉터에 설정

			; 스택을 0x00000000 ~ 0x0000FFFF 영역에 64KB 크기로 생성
			mov ss, ax        ;SS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov esp, 0xFFFE   ;ESP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정
      mov ebp, 0xFFFE   ;EBP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정

4. 보호 모드용 PRINTSTRING 함수

• 리얼 모드에서 보호 모드로 변환 시, 스택의 크기를 2byte에서 4byte로 증가하며 범용 레지스터의 크기가 32bit 커진 정도로 바꿀 수 있다.
• 32bit 기준으로 작성된 소스코드와 16bit 소스코드의 차이점
  • 범용 레지스터가 대부분 32bit 범용 레지스터로 수정되었다.
  • 스택의 크기가 4byte로 변경되어, 파라미터를 오프셋이 4의 배수로 변경한 것이다.
  • 리얼 모드에서 비디오 메모리 어드레스 지정을 위해, 사용하던 ES 세그먼트 레지스터가 사라지고 직접 비디오 메모리에 접근해서 데이터를 쓰도록 수정되었다.
  • (리얼 모드 경우, 레지스터의 한계로 64KB 범위의 어드레스만 접근 가능했으므로 화면 표시를 위해 별도의 세그먼트가 필요했다.)

;메시지 출력하는 함수  (PARAM: x좌표, y좌표, 문자열)
PRINTMESSAGE:
    push ebp            ;베이스 포인터 레지스터(BP)를 스택에 삽입
    mov ebp, esp        ;베이스 포인터 레지스터(BP)에 스택 포인터 레지스터(SP)의 값 설정
    push esi            ;함수에서 임시로 사용하는 레지스터로 함수의 마지막 부분에서    
    push edi            ;스택에 삽입된 값을 꺼내 원래 값으로 복원
    push eax
    push ecx
    push edx

    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; X, Y의 좌표로 비디오 메모리의 어드레스를 계산함
    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; Y좌표를 이용해서 라인 어드레스를 먼저 구함
    mov eax, dword [ebp+12]  ;파라미터 2(화면 Y좌표)를 EAX레지스터에 설정
    mov esi, 160             ;한 라인의 바이트 수(2*80 컬럼)을 ESI레지스터에 설정
    mul esi                  ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 Y어드레스 계산
    mov edi, eax             ;계산된 화면 Y어드레스를 EDI레지스터에 설정

    ;X좌표를 이용해서 2를 곱한 후, 최종 어드레스 구함
    mov eax, dword [ebp+8]  ;파라미터 1(화면 X좌표)를 EAX레지스터에 설정
    mov esi, 2              ;한 문자를 나타내는 바이트수(2)를 ESI레지스터에 설정
    mul esi                 ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 X어드레스를 계산
    add edi, eax            ;화면 y어드레스와 계산된 X 어드레스를 더해서 실제 비디오 메모리 어드레스 계산

    ; 출력한 문자열의 어드레스
    mov esi, dword [ebp+16]  ;파라미터 3(출력한 문자열의 어드레스)

.MESSAGELOOP:            ;메시지를 출력하는 루프
    mov cl, byte [esi]   ;ESI레지스터가 가르키는 문자열 위치에 한 문자를 CL레지스터에 복사.
                         ;CL레지스터는 CX레지스터의 하위 1byte를 의미
                         ;문자열은 1byte면 충분하므로 ECX레지스터의 하위 1byte만 사용
    cmp cl, 0            ;복사된 문자와 0을 비교
    je .MESSAGEEND       ;복사한 문자의 값이 0이면 문자열이 종료되었음을 의미하며, .MESSAGEEND로 이동하여 문자 출력 종료
    mov byte [edi + 0xB8000], cl ;0이 아니라면 비디오 메모리 어드레스 0xB800:di에 문자를 출력

    add esi, 1            ;ESI레지스터에 1을 더하여, 다음 문자열로 이동
    add edi, 2            ;EDI레지스터에 2을 더하여, 비디오 메모리의 다음 문자 위치로 이동
                          ;비디오 메모리는 (문자, 속성)의 쌍으로 구성되므로 문자만 출력하려면 2를 더해야함
    jmp .MESSAGELOOP      ;메시지 출력 루프로 이동하여 다음 문자 출력

.MESSAGEEND:
    pop edx      ;함수에서 사용이 끝난 EDX 레지스터부터 EBP레지스터까지 스택에 삽입된 값을 이용해서 복원
    pop ecx      ;스택은 가장 마지막에 들어간 데이터가 가장 먼저 나오는 자료구조이므로
    pop eax      ;삽입의 역순으로 제거해야함
    pop edi
    pop esi
    pop ebp      ;베이스 포인터 레지스터(BP) 복원
    ret          ;함수를 호출한 다음 코드의 위치로 복원

Ⅸ. 보호 모드용 커널 이미지 빌드와 가상 OS 이미지 교체

1. 커널 엔트리 포인트 파일 생성

• 1.Kernel32 디렉토리의 Source 디렉토리 밑에 EntryPoint.s 파일 추가하고 code는 아래와 같다.
  • 해당 파일은 보호 모드 커널의 가장 앞부분에 위치하는 코드로, 보호 모드 전환과 초기화를 수행하여 이후에 위치하는 코드를 위한 환경을 제공한다.
  • entry point: 외부에서 해당 모듈을 실행할 때, 실행을 시작하는 지점이다.

  [ORG 0x00]  ; 코드의 시작 어드레스를 0x00으로 설정
  [BITS 16]   ; 이하의 코드는 16비트 코드로 설정
  
  SECTION .text  ; text 섹션(세그먼트 정의)
  
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  ;  코드 영역
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  START:
  	mov ax, 0x1000      ; 보호 모드 엔트리 포인트의 시작 어드레스를 세그먼트 레지스터 값으로 변환
  	mov ds, ax          ; DS 세그먼트 레지스터에 설정	
      mov es, ax          ; ES 세그먼트 레지스터에 설정
  
      cli                 ; 인터럽트가 발생하지 못하도록 설정
      lgdt [ GDTR ]       ; GDTR 자료구조를 프로세서에 설정하여, GDT 테이블을 로드
      
      ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
      ;  보호 모드로 진입
      ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
      mov eax, 0x4000003B    ;PG=0, CD=1, NW=0, AM=0, WP=0, NE=1, ET=1, TS=1, EM=0, MP=1, PE=1
      mov cr0, eax           ;CR0 컨트롤 레지스터에 위에서 저장한 플래그를 설정하여 보호모드로 전환
  
      ; 커널 코드 세그먼트를 0x00을 기준으로 하는 것으로 교체하고 EIP의 값을 0x00을 기준으로 재설정
      ; CS 세그먼트 셀렉터: EIP
      jmp dword 0x08: ( PROTECTEDMODE - $$ + 0x10000 )
      ; 커널 코드 세그먼트가 0x00을 기준으로 하는 반면, 실제 코드는 0x10000을 기준으로 실행되므로, 오프셋에 0x10000를 더해서 세그먼트 교체 후에도 같은 선형 주소를 가리키게 함
  
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  ;  보호 모드로 진입
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  [BITS 32]  ; 이하의 코드는 32bit 코드로 설정
  PROTECTEDMODE:
  	mov ax, 0x10      ;보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터를 AX 레지스터에 저장
      mov ds, ax        ;DS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov es, ax        ;ES 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov fs, ax        ;FS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov gs, ax        ;GS 세그먼트 셀렉터에 설정
  
      ; 스택을 0x00000000 ~ 0x0000FFFF 영역에 64KB 크기로 생성
      mov ss, ax        ;SS 세그먼트 셀렉터에 설정
      mov esp, 0xFFFE   ;ESP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정
      mov ebp, 0xFFFE   ;EBP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정
  
      ; 화면에 보호 모드로 전환되었다는 메시지를 찍는다.
      push ( SWITCHSUCCESSMESSAGE - $$ + 0x10000 )    ;출력할 메시지의 어드레스를 스택에 삽입
      push 2                                          ;화면 Y 좌표(2)를 스택에 삽입
      push 0                                          ;화면 X 좌표(0)를 스택에 삽입
      call PRINTMESSAGE                               ;PRINTMESSAGE 함수 호출
      add esp, 12                                     ;삽입한 파라미터 제거
  
      jump $                                          ;현재 위치에서 무한 루프
  
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  ;  함수 코드 영역
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;   
  ;메시지 출력하는 함수  (PARAM: x좌표, y좌표, 문자열)
  PRINTMESSAGE:
      push ebp            ;베이스 포인터 레지스터(BP)를 스택에 삽입
      mov ebp, esp        ;베이스 포인터 레지스터(BP)에 스택 포인터 레지스터(SP)의 값 설정
      push esi            ;함수에서 임시로 사용하는 레지스터로 함수의 마지막 부분에서    
      push edi            ;스택에 삽입된 값을 꺼내 원래 값으로 복원
      push eax
      push ecx
      push edx
  
      ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
      ; X, Y의 좌표로 비디오 메모리의 어드레스를 계산함
      ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
      ; Y좌표를 이용해서 라인 어드레스를 먼저 구함
      mov eax, dword [ebp+12]  ;파라미터 2(화면 Y좌표)를 EAX레지스터에 설정
      mov esi, 160             ;한 라인의 바이트 수(2*80 컬럼)을 ESI레지스터에 설정
      mul esi                  ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 Y어드레스 계산
      mov edi, eax             ;계산된 화면 Y어드레스를 EDI레지스터에 설정
  
      ;X좌표를 이용해서 2를 곱한 후, 최종 어드레스 구함
      mov eax, dword [ebp+8]  ;파라미터 1(화면 X좌표)를 EAX레지스터에 설정
      mov esi, 2              ;한 문자를 나타내는 바이트수(2)를 ESI레지스터에 설정
      mul esi                 ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 X어드레스를 계산
      add edi, eax            ;화면 y어드레스와 계산된 X 어드레스를 더해서 실제 비디오 메모리 어드레스 계산
  
      ; 출력한 문자열의 어드레스
      mov esi, dword [ebp+16]  ;파라미터 3(출력한 문자열의 어드레스)
  
  .MESSAGELOOP:            ;메시지를 출력하는 루프
      mov cl, byte [esi]   ;ESI레지스터가 가르키는 문자열 위치에 한 문자를 CL레지스터에 복사.
                           ;CL레지스터는 CX레지스터의 하위 1byte를 의미
                           ;문자열은 1byte면 충분하므로 ECX레지스터의 하위 1byte만 사용
      cmp cl, 0            ;복사된 문자와 0을 비교
      je .MESSAGEEND       ;복사한 문자의 값이 0이면 문자열이 종료되었음을 의미하며, .MESSAGEEND로 이동하여 문자 출력 종료
      mov byte [edi + 0xB8000], cl ;0이 아니라면 비디오 메모리 어드레스 0xB800:di에 문자를 출력
  
      add esi, 1            ;ESI레지스터에 1을 더하여, 다음 문자열로 이동
      add edi, 2            ;EDI레지스터에 2을 더하여, 비디오 메모리의 다음 문자 위치로 이동
                            ;비디오 메모리는 (문자, 속성)의 쌍으로 구성되므로 문자만 출력하려면 2를 더해야함
      jmp .MESSAGELOOP      ;메시지 출력 루프로 이동하여 다음 문자 출력
  
  .MESSAGEEND:
      pop edx      ;함수에서 사용이 끝난 EDX 레지스터부터 EBP레지스터까지 스택에 삽입된 값을 이용해서 복원
      pop ecx      ;스택은 가장 마지막에 들어간 데이터가 가장 먼저 나오는 자료구조이므로
      pop eax      ;삽입의 역순으로 제거해야함
      pop edi
      pop esi
      pop ebp      ;베이스 포인터 레지스터(BP) 복원
      ret          ;함수를 호출한 다음 코드의 위치로 복원
  
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
  ;  데이터 영역
  ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 
  ; 아래 데이터들을 8byte에 맞춰 정렬하기 위해 추가
  align 8, db 0
  
  ;GDTR의 끝을 8byte로 정렬하기 위해 추가
  dw 0x10000
  
  ;GDTR 자료구조 정의
  GDTR:
  	dw GDTEND - GDT - 1		; 아래에 위치한 GDT 테이블의 전체 크기 
  	dd (GDT - $$ + 0x10000)	; 아래에 위치한 GDT 테이블의 시작 어드레스
  
  ;GDT 테이블 정의
  GDT:
  	; 널 디스크립터. 반드시 0으로 초기화해야함
  	NULLDescriptor:
  		dw 0x0000
  		dw 0x0000
  		db 0x00
  		db 0x00
  		db 0x00
  		db 0x00
  
  ; 보호 모드 코드 세그먼트 디스크립터
  CODEDESCRIPTOR:
  	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
  	dw 0x0000	; Base [15:0]
  	db 0x00		; Base [23:16]
  	db 0x9A		; P=1, DPL=0, Code Segment, Execute/Read
  	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
  	db 0x00		; Base [31:24]
  
  ; 보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터
  DATADESCRIPTOR:
  	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
  	dw 0x0000	; Base [15:0]
  	db 0x00		; Base [23:16]
  	db 0x92		; P=1, DPL=0, Data Segment, Read/Write
  	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
  	db 0x00		; Base [31:24]
  GDTEND:
  
  ;보호모드로 전환되었다는 메시지
  SWITCHSUCCESSMESSAGE: db 'Switch To Protected Mode Success~!!', 0
  
  times 512 - ($ - $$) db 0x00    ;512byte를 맞추기 위해, 남은 부분을 0으로 채움
  

2. makefile 수정과 가상 OS 이미지 파일 교체

• 새로운 파일이 추가되었으므로, makefile을 수정함
  • 1.Kernel32 디렉터리의 makefile 수정
    • $< : Dependency(:의 오른쪽)의 첫번째 파일을 의미하는 매크로이다. 즉, $<는 /Source/EnrtyPoint.s로 치환되어 실행된다.

    all: Kernel32.bin
    
    Kernel32.bin: Source/EntryPoint.s
    	nasm -o Kernel32.bin $<
    
    clean:
    	rm -f Kernel32.bin
    

  • 최상위 디렉터리의 makefile 수정
    • $^ : Dependency(:의 오른쪽)에 나열된 전체 파일을 의미하는 매크로이다.

    all: BootLoader Kernel32 Disk.img
    
    BootLoader:
    	@echo
    	@echo =================== Build Boot Loader ===================
    	@echo
    
    	make -C 0.BootLoader
    
    	@echo
    	@echo ==================== Build Complete ====================
    	@echo
    
    Kernel32:
    	@echo
    	@echo =================== Build 32bit Kernel ===================
    	@echo
    
    	make -C 1.Kernel32
    
    	@echo
    	@echo ==================== Build Complete ====================
    	@echo
    
    Disk.img: 0.BootLoader/BootLoader.bin 1.Kernel32/Kernel32.bin
    	@echo
    	@echo =================== Disk Image Build Start ===================
    	@echo
    
    	cat $^> Disk.img
    
    	@echo
    	@echo ==================== All Build Complete ====================
    	@echo
    
    clean:
    	make -C 0.BootLoader clean
    	make -C 1.Kernel32 clean
    	rm -f Disk.img
    

  • (디스크 이미지 생성부분만 수정)

3. OS 이미지 통합과 QEMU 실행

• QEMU실행 시, 현재는 정지상태로 아무런 반응이 없을 것이다.
  • 부트로더에 os이미지 크기가 1024로 설정되어 있기 때문이다.
  • 빌드한 보호 모드 커널 이미지의 크기는 512byte(1섹터)밖에 되지 않으므로 부트 로더가 한 섹터를 로딩하고 나머지 1023섹터를 읽으려다 정지된 것이다.
• 정상적인 실행을 하려면, BootLoader.asm의 TOTALSECTORCOUNT 값을 수정해줘야 한다.

TOTALSECTORCOUNT: dw 1

• 총 소스 코드

[ORG 0x00]  ; 코드의 시작 어드레스를 0x00으로 설정
[BITS 16]   ; 이하의 코드는 16비트 코드로 설정

SECTION .text  ; text 섹션(세그먼트 정의)

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  코드 영역
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
START:
	mov ax, 0x1000      ; 보호 모드 엔트리 포인트의 시작 어드레스를 세그먼트 레지스터 값으로 변환
	mov ds, ax          ; DS 세그먼트 레지스터에 설정	
    mov es, ax          ; ES 세그먼트 레지스터에 설정

    cli                 ; 인터럽트가 발생하지 못하도록 설정
    lgdt [ GDTR ]       ; GDTR 자료구조를 프로세서에 설정하여, GDT 테이블을 로드
    
    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ;  보호 모드로 진입
    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    mov eax, 0x4000003B    ;PG=0, CD=1, NW=0, AM=0, WP=0, NE=1, ET=1, TS=1, EM=0, MP=1, PE=1
    mov cr0, eax           ;CR0 컨트롤 레지스터에 위에서 저장한 플래그를 설정하여 보호모드로 전환

    ; 커널 코드 세그먼트를 0x00을 기준으로 하는 것으로 교체하고 EIP의 값을 0x00을 기준으로 재설정
    ; CS 세그먼트 셀렉터: EIP
    jmp dword 0x08: ( PROTECTEDMODE - $$ + 0x10000 )
    ; 커널 코드 세그먼트가 0x00을 기준으로 하는 반면, 실제 코드는 0x10000을 기준으로 실행되므로, 오프셋에 0x10000를 더해서 세그먼트 교체 후에도 같은 선형 주소를 가리키게 함


;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  보호 모드로 진입
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
[BITS 32]  ; 이하의 코드는 32bit 코드로 설정
PROTECTEDMODE:
	mov ax, 0x10      ;보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터를 AX 레지스터에 저장
    mov ds, ax        ;DS 세그먼트 셀렉터에 설정
    mov es, ax        ;ES 세그먼트 셀렉터에 설정
    mov fs, ax        ;FS 세그먼트 셀렉터에 설정
    mov gs, ax        ;GS 세그먼트 셀렉터에 설정

     ; 스택을 0x00000000~0x0000FFFF 영역에 64KB 크기로 생성
    mov ss, ax          ; SS 세그먼트 셀렉터에 설정
    mov esp, 0xFFFE     ; ESP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정
    mov ebp, 0xFFFE     ; EBP 레지스터의 어드레스를 0xFFFE로 설정
    
    ; 화면에 보호 모드로 전환되었다는 메시지를 찍는다.
    push ( SWITCHSUCCESSMESSAGE - $$ + 0x10000 )    ; 출력할 메시지의 어드레스르 스택에 삽입
    push 2                                          ; 화면 Y 좌표(2)를 스택에 삽입
    push 0                                          ; 화면 X 좌표(0)를 스택에 삽입
    call PRINTMESSAGE                               ; PRINTMESSAGE 함수 호출
    add esp, 12                                     ; 삽입한 파라미터 제거

    jmp $               ; 현재 위치에서 무한 루프 수행

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  함수 코드 영역
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;   
;메시지 출력하는 함수  (PARAM: x좌표, y좌표, 문자열)
PRINTMESSAGE:
    push ebp            ;베이스 포인터 레지스터(BP)를 스택에 삽입
    mov ebp, esp        ;베이스 포인터 레지스터(BP)에 스택 포인터 레지스터(SP)의 값 설정
    push esi            ;함수에서 임시로 사용하는 레지스터로 함수의 마지막 부분에서    
    push edi            ;스택에 삽입된 값을 꺼내 원래 값으로 복원
    push eax
    push ecx
    push edx

    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; X, Y의 좌표로 비디오 메모리의 어드레스를 계산함
    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; Y좌표를 이용해서 라인 어드레스를 먼저 구함
    mov eax, dword [ebp+12]  ;파라미터 2(화면 Y좌표)를 EAX레지스터에 설정
    mov esi, 160             ;한 라인의 바이트 수(2*80 컬럼)을 ESI레지스터에 설정
    mul esi                  ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 Y어드레스 계산
    mov edi, eax             ;계산된 화면 Y어드레스를 EDI레지스터에 설정

    ;X좌표를 이용해서 2를 곱한 후, 최종 어드레스 구함
    mov eax, dword [ebp+8]  ;파라미터 1(화면 X좌표)를 EAX레지스터에 설정
    mov esi, 2              ;한 문자를 나타내는 바이트수(2)를 ESI레지스터에 설정
    mul esi                 ;EAX레지스터와 ESI레지스터를 곱하여, 화면 X어드레스를 계산
    add edi, eax            ;화면 y어드레스와 계산된 X 어드레스를 더해서 실제 비디오 메모리 어드레스 계산

    ; 출력한 문자열의 어드레스
    mov esi, dword [ebp+16]  ;파라미터 3(출력한 문자열의 어드레스)

.MESSAGELOOP:            ;메시지를 출력하는 루프
    mov cl, byte [esi]   ;ESI레지스터가 가르키는 문자열 위치에 한 문자를 CL레지스터에 복사.
                         ;CL레지스터는 CX레지스터의 하위 1byte를 의미
                         ;문자열은 1byte면 충분하므로 ECX레지스터의 하위 1byte만 사용
    cmp cl, 0            ;복사된 문자와 0을 비교
    je .MESSAGEEND       ;복사한 문자의 값이 0이면 문자열이 종료되었음을 의미하며, .MESSAGEEND로 이동하여 문자 출력 종료
    mov byte [edi + 0xB8000], cl ;0이 아니라면 비디오 메모리 어드레스 0xB800:di에 문자를 출력

    add esi, 1            ;ESI레지스터에 1을 더하여, 다음 문자열로 이동
    add edi, 2            ;EDI레지스터에 2을 더하여, 비디오 메모리의 다음 문자 위치로 이동
                          ;비디오 메모리는 (문자, 속성)의 쌍으로 구성되므로 문자만 출력하려면 2를 더해야함
    jmp .MESSAGELOOP      ;메시지 출력 루프로 이동하여 다음 문자 출력

.MESSAGEEND:
    pop edx      ;함수에서 사용이 끝난 EDX 레지스터부터 EBP레지스터까지 스택에 삽입된 값을 이용해서 복원
    pop ecx      ;스택은 가장 마지막에 들어간 데이터가 가장 먼저 나오는 자료구조이므로
    pop eax      ;삽입의 역순으로 제거해야함
    pop edi
    pop esi
    pop ebp      ;베이스 포인터 레지스터(BP) 복원
    ret          ;함수를 호출한 다음 코드의 위치로 복원

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  데이터 영역
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; 
; 아래 데이터들을 8byte에 맞춰 정렬하기 위해 추가
align 8, db 0

;GDTR의 끝을 8byte로 정렬하기 위해 추가
dw 0x10000

;GDTR 자료구조 정의
GDTR:
	dw GDTEND - GDT - 1		; 아래에 위치한 GDT 테이블의 전체 크기 
	dd (GDT - $$ + 0x10000)	; 아래에 위치한 GDT 테이블의 시작 어드레스

;GDT 테이블 정의
GDT:
	; 널 디스크립터. 반드시 0으로 초기화해야함
	NULLDescriptor:
		dw 0x0000
		dw 0x0000
		db 0x00
		db 0x00
		db 0x00
		db 0x00

; 보호 모드 코드 세그먼트 디스크립터
CODEDESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x9A		; P=1, DPL=0, Code Segment, Execute/Read
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]

; 보호 모드 커널용 데이터 세그먼트 디스크립터
DATADESCRIPTOR:
	dw 0xFFFF	; Limit [15:0]
	dw 0x0000	; Base [15:0]
	db 0x00		; Base [23:16]
	db 0x92		; P=1, DPL=0, Data Segment, Read/Write
	db 0xCF		; G=1, D=1, L=0, Limit[19:16]
	db 0x00		; Base [31:24]
GDTEND:

;보호모드로 전환되었다는 메시지
SWITCHSUCCESSMESSAGE: db 'Switch To Protected Mode Success~!!', 0

times 512 - ($ - $$) db 0x00    ;512byte를 맞추기 위해, 남은 부분을 0으로 채움