x86 組語實戰：從實模式切換到保護模式完整範例解析

本文深入剖析兩個經典的 x86 組語範例，詳細說明如何在 80386+ 處理器上實現實模式與保護模式的雙向切換，並展示保護模式下的分段記憶體管理、GDT/LDT 建立、特權級控制等核心概念。這些技術是作業系統核心開發、Bootloader 編寫及底層系統程式設計的基礎。

範例一：16 位代碼段切換演示

核心邏輯流程

1. 準備階段： 建立全域描述符表（GDT），包含空描述符、代碼段、源數據段、目標數據段描述符；計算並填入段基址、界限、屬性。
2. 載入 GDTR： 使用 LGDT 指令載入偽描述符指向 GDT。
3. 進入保護模式： 關中斷（CLI）、開啟 A20 位址線、設定 CR0.PE=1、執行段間跳轉（JMP FAR）刷新預取隊列並載入 CS 選擇子。
4. 保護模式下操作： 載入 DS/ES 選擇子，使用 REP MOVSD 將高端記憶體（110000H）資料搬移至常規記憶體緩衝區。
5. 返回實模式： 清除 CR0.PE、段間跳轉回實模式代碼段、關閉 A20、開中斷（STI）、恢復實模式段寄存器、顯示結果。

關鍵技術點解析

GDT 建構與描述符初始化

範例在 .data 區定義 GDT 結構，運行時動態計算各段的 32 位線性基址（段值 × 16 + 偏移），填入描述符的 BaseL/BaseM/BaseH 欄位。所有段界限設為 0xFFFF（64KB），屬性為 16 位代碼/數據段（D/B=0）。

實模式 → 保護模式 的「跳躍」機制

設定 CR0.PE=1 後，處理器進入保護模式，但 CS 仍存放實模式段值。必須立即執行一條 段間直接轉移指令（JMP FAR），將保護模式代碼段選擇子載入 CS，同時指定新 EIP。此指令在實模式被預取、在保護模式執行，完成真正的模式切換。

A20 位址線控制

透過鍵盤控制器端口（92H）開啟/關閉 A20 Gate，允許存取 1MB 以上記憶體。此操作與處理器模式無關，純屬平台硬體控制。

段描述符快取暫存器的隱藏行為

返回實模式前，需載入一個符合實模式需求的描述符（如範例中的 Normal 描述符）到 DS/ES，以更新段描述符快取中的界限（0xFFFF）與屬性，確保實模式下段寄存器行為正確。

範例二：32 位與 16 位保護模式代碼段互相切換

此範例展示更進階的場景：從實模式進入 32 位保護模式代碼段，再切換至 16 位保護模式代碼段，最後返回實模式。

新增關鍵要素

• 32 位代碼段描述符： 屬性位 D=1（D32 EQU 40h），預設操作數/位址大小為 32 位，使用 ESI/EDI/ECX 進行串操作。
• 保護模式堆疊： GDT 新增堆疊段描述符，切換至 32 位代碼時載入 SS:ESP，支援 CALL/RET/PUSH/POP。
• 32 位 → 16 位代碼段轉移： 使用 48 位全指標（選擇子:32位偏移）的 JMP FAR 指令。
• 直接操作顯示緩衝區： 利用 0xB8000 文字模式顯存，在保護模式下直接寫入字元屬性，無需 BIOS 中斷。

返回實模式的關鍵步驟

在 16 位保護模式代碼段中，執行 MOV CR0, EAX (PE=0) 後，必須立即執行 JMP FAR 回實模式入口。同樣需預先載入符合實模式語意的描述符選擇子到 DS/ES/SS，確保段快取狀態正確。

核心知識總結

簡化與限制說明

兩個範例均為教學簡化模型：

• 未建立 IDT（中斷描述符表），全程 CLI 關中斷運行，假設無異常發生。
• 未使用 LDT（局部描述符表），所有選擇子指向 GDT（TI=0）。
• 特權級均為 0（DPL=RPL=CPL=0），未展示跨特權級呼叫/門機制。
• 未啟用分頁機制（CR0.PG=0），線性位址等於物理位址。

掌握這兩個範例，即掌握了 x86 保護模式程式設計的骨架。進階開發需深入研究 IDT、LDT、任務狀態段（TSS）、呼叫門、中斷門、分頁機制及多任務切換。