一、本章说明

1. 前置知识

请先阅读：

• lesson11 — x86-C 调用汇编程序与传参：引导程序读盘、加载内核、C 与汇编互调
• lesson12 — 进入保护模式：GDT、GDTR、CR0.PE、32 位远跳转

本章将两者合并：在实模式下读盘加载内核，再切换到 32 位保护模式，运行自己的 C 程序。

2. 本章目标

完成本章后，我们将能够：

• 在引导扇区内完成 读盘 + 进保护模式 的完整流程
• 使用 平坦模式 GDT（代码/数据段均映射 0~4G），简化 32 位 C 内核寻址
• 用 32 位 GCC（-m32 -ffreestanding）编译内核，链接地址仍为 0xC200
• 在保护模式下 直接写 VGA 显存（0xB8000），不再调用 BIOS INT 10h
• 通过 PS/2 键盘端口轮询（init_keyboard + read_char）实现简易控制台回显
• 用 软件光标（_）替代 VGA 硬件光标，避免光标位置错乱

3. 目录结构

lesson13/
├── Makefile
├── boot/
│   ├── loader.s        # BPB + 读盘 + 进保护模式 + 跳转内核
│   └── pm.inc          # 段描述符宏（含 DA_4K 平坦段）
├── kernel/
│   ├── kernel.c        # 32 位 C 入口：欢迎语 + 提示符 + 键盘回显
│   ├── utilities.s     # 32 位显存输出、软件光标与键盘轮询
│   └── utilities.h
└── README.md

编译产物输出到 ../target/（loader.bin、kernel.bin、os.img）。

4. 准备工具

工具	用途
nasm	汇编引导程序与 utilities
i686-elf-gcc	编译 32 位 C 内核（-m32 -ffreestanding）
i686-elf-ld	链接 flat binary
dd	写入 os.img
make	一键编译、安装、运行
Bochs	运行与调试

工具已放在开源仓库的 tools/、env/ 目录。

5. 内存布局

位置	物理地址	说明
引导扇区	0x7C00	BIOS 加载入口，loader.bin
读盘缓冲区	0x8200	INT 13h 读入起点（与 lesson11 相同）
内核入口	0xC200	kernel.bin 链接地址，保护模式下 JMP 目标
内核栈	ESP = 0x90000	进保护模式后由引导程序设置
VGA 显存	0xB8000	文本模式，每字符 2 字节 [ASCII][属性]
GDT	引导扇区内	平坦代码段 + 平坦数据段

6. 与 lesson11 / lesson12 的差异

项目	lesson11	lesson12	lesson13
运行模式	16 位实模式	32 位保护模式	先实模式读盘，再进保护模式
内核编译	-m16	无 C 内核	-m32 -ffreestanding
显示	BIOS INT 10h	直接写显存	直接写显存
键盘	BIOS INT 16h	无	init_keyboard + 端口 0x60/0x64 轮询
GDT	无	代码段 + 显存段	平坦代码段 + 平坦数据段
跳转内核	JMP 0xC200（实模式）	无	JMP 0xC200（保护模式）

关键变化： 进入保护模式后，不能再调用 BIOS 中断（BIOS 只在实模式有效）。C 内核依赖的 clear_screen、init_keyboard、print_char、read_char 全部改为裸机实现。本章键盘采用 端口轮询，未使用 IDT / PIC / 键盘中断（IRQ1）（概念见 第四节）。

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二、平坦模式 GDT

lesson12 为显存单独建了一个基址 0xB8000 的数据段描述符，并用 GS 访问。本章采用更常见的 平坦模型（Flat Model）。

什么是平坦模型（之前章节已经介绍，这里再复习下）

保护模式下，CPU 不再用「段值 × 16 + 偏移」算物理地址，而是：

线性地址 = 段基址（来自 GDT 描述符）+ 32 位偏移

每个段寄存器（CS、DS 等）存的是 选择子，指向 GDT 里的一项 段描述符。描述符里规定了该段的基址、界限和属性（可读/可写/可执行、16 位还是 32 位等）。

平坦模型的做法是：让代码段、数据段 共享同一套「从 0 开始、覆盖整个 4G 线性空间」的映射——

描述符	基址	界限	G 位	实际覆盖范围
代码段	0	0xFFFFF	1（4K 粒度）	0 ~ 4G−1
数据段	0	0xFFFFF	1	0 ~ 4G−1

界限字段存的是 页帧数 − 1：0xFFFFF 配合 G=1 表示 (0xFFFFF + 1) × 4K = 4G。于是任意 32 位偏移 offset 都在段内合法，线性地址就等于 offset。

与 lesson12 的区别： lesson12 代码段基址随引导扇区动态填写，显存段基址固定 0xB8000，访问 VGA 要 MOV AX, [GS:EDI] 这类 段:偏移 写法。平坦模型下 DS 基址也是 0，可直接 MOV EAX, 0xB8000 / MOV [EAX], BL，C 编译出的指针也是裸 32 位地址，无需为显存单独设段。

与实模式的区别： 实模式段最大 64K，段与段可能重叠；平坦模型段上限 4G，代码/数据段重叠同一地址空间——这正是现代 32 位 OS 启动阶段的常见布局（分页开启前仍用平坦段，开启页表后再用虚拟地址）。

GDT 定义

LABEL_GDT:
   Descriptor    0,       0,                  0
LABEL_DESC_CODE:
   Descriptor    0,       0xFFFFF,            DA_C + DA_32 + DA_4K
LABEL_DESC_DATA:
   Descriptor    0,       0xFFFFF,            DA_DRW + DA_32 + DA_4K

• 基址 = 0，界限 = 0xFFFFF，G = 1（DA_4K）→ 每段覆盖 4G 线性空间
• 代码段选择子 SelectorCode = 8，数据段 SelectorData = 16
• 线性地址 = 段基址 + 偏移，故 0xB8000、0xC200 均可直接用 32 位偏移访问
• 进保护模式后：DS/ES/SS/FS/GS 均加载数据段选择子，CS 由远跳转加载代码段选择子

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三、引导程序流程

1. 实模式阶段（与 lesson11 相同）

1. 设置 SS:SP = 0:0x7C00
2. 从软盘扇区 2 起循环读入，目标 ES:BX 从 0x8200:0 递增
3. 读盘成功后打印 Loading NotOneOS (32-bit PM)...
4. 调用 enter_pm 而非直接 JMP 0xC200

2. 切换保护模式（与 lesson12 相同）

enter_pm:
   MOV      AX, CS
   MOV      DS, AX
   ; 计算 GDT 物理地址填入 GdtPtr
   LGDT     [GdtPtr]
   CLI
   IN       AL, 92h          ; 开 A20
   OR       AL, 00000010b
   OUT      92h, AL
   MOV      EAX, CR0
   OR       EAX, 1           ; CR0.PE = 1
   MOV      CR0, EAX
   JMP      DWORD SelectorCode:pm_start

3. 32 位入口

[BITS 32]
pm_start:
   MOV      AX, SelectorData
   MOV      DS, AX
   MOV      ES, AX
   MOV      SS, AX
   MOV      FS, AX
   MOV      GS, AX
   MOV      ESP, 0x90000
   JMP      0xC200           ; 跳转到 C 内核

注意： 平坦模式下 CS 基址为 0，JMP 0xC200 即跳到线性地址 0xC200 的内核入口。

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四、32 位内核与 utilities

1. kernel.c

与 lesson11 类似，但运行于保护模式，且需先初始化键盘：

void main(void)
{
    clear_screen();
    init_keyboard();
    char *str = "NotOneOS 32-bit Protected Mode.\r\nWelcome..\r\n";
    int len = strlen(str);
    print_str(str, len);
    print_str("> ", 2);

    char a;
    fin:
        a = read_char();
        if (a != 0)
            print_char(a);
        goto fin;
}

utilities.h 导出：clear_screen、init_keyboard、read_char、print_char、print_str。

2. 显存输出：直接写与调 BIOS 的区别

lesson11 在 16 位实模式下通过 INT 10h 输出字符，例如 AH=0x0E（电传/Teletype）逐字显示、AH=0x00 AL=0x03 清屏。BIOS 视频服务替你维护光标、处理 \r/\n、必要时滚屏，并更新 VGA 硬件光标寄存器。

进入 32 位保护模式后，这条路径不可用：BIOS 中断服务例程按 实模式编写，依赖实模式段寄存器与中断环境；在保护模式下执行 INT 10h 时，CPU 会按 IDT（中断描述符表）取门描述符，而本章尚未建立可用的 IDT，轻则无效、重则 triple fault（IDT 说明见 第四节）。

因此本章改为 直接写 VGA 文本模式显存 0xB8000：

对比项	lesson11：INT 10h	lesson13：直接写 0xB8000
运行模式	16 位实模式	32 位保护模式
输出方式	INT 10h，BIOS 代劳	MOV [0xB8000+偏移], 字符/属性
显存布局	由 BIOS 抽象，调用者不必关心	80×25，每格 2 字节：[ASCII][属性]
光标	BIOS 内部维护	自行维护 cursor_x / cursor_y
回车换行	AH=0x0E 可自动处理（lesson11 还在 \r 后再发 \n）	print_char 自行解析 0x0D / 0x0A
滚屏	BIOS 自动	本章简化为到达末行后停在最后一行
硬件光标	BIOS 同步更新	关闭硬件光标，用 _ 软件光标

偏移计算： 字符 (x, y) 在显存中的字节偏移为 (y × 80 + x) × 2。属性字节常用 0x07（灰字黑底），与 lesson11 中 BX=15 的 INT 10h 配色接近。

本质区别： 调 BIOS 是「请求固件服务」；直写显存是「按硬件手册操作帧缓冲」。后者代码更多，但不依赖实模式，是保护模式 / 内核自绘控制台的基础。

3. utilities.s — 显存输出与软件光标

不再调用 INT 10h，直接写 0xB8000。用 cursor_x / cursor_y 维护逻辑光标，关闭 VGA 硬件光标（disable_hw_cursor），在当前位置绘制 _ 作为软件光标（cursor_draw / cursor_restore）。

VIDEO_MEM equ 0xB8000

clear_screen:
    ; 整屏填 0x0720，重置 cursor_x/y
    CALL disable_hw_cursor
    CALL cursor_draw

print_char:
    ; 偏移 = (y * 80 + x) * 2
    ; 字符先存 BL，再 MOV [EAX], BL（避免用 EAX 算址后覆盖 AL）
    ; 0x0D：列归零（行不变）；0x0A：列归零并换行

注意： 回车键扫描码 0x1C 映射为 ASCII 0x0D，print_char 收到后只回到当前行行首，不会自动换行；字符串里的 \r\n 仍由 print_str 逐字处理。

4. 8042 端口轮询原理

PC 的 8042 芯片（或兼容逻辑）连接 PS/2 键盘。CPU 不直接读键盘，而是经 8042 的两个 I/O 端口交换数据：

端口	方向	作用
0x64	读	状态寄存器（是否有数据可读、输入缓冲是否满等）
0x64	写	命令寄存器（如 0xAE 启用键盘端口）
0x60	读	读入 扫描码（或控制器应答）
0x60	写	向键盘发送 命令（如 0xF4 开启扫描）

状态寄存器 0x64 常用位：

位	名称	含义
0	OBF	Output Buffer Full：为 1 表示 0x60 有数据可读
1	IBF	Input Buffer Full：为 1 表示勿向 0x64/0x60 写
3	AUX	为 1 表示数据来自鼠标/aux，读键盘时应丢弃

按键到字符的数据路径：

Set 1 扫描码约定： 按下码 bit7=0（make code），释放码 bit7=1（break code，通常 = 按下码 | 0x80）。本章 read_char 先等按下、再等释放，避免一次按键被重复处理。

与 lesson11 INT 16h 的对比：

对比项	INT 16h（BIOS）	8042 端口轮询（本章）
可用模式	实模式	保护模式可用
读键方式	BIOS 阻塞等待	循环读 0x64/0x60
返回值	已转换的 ASCII（含 Shift 等）	原始扫描码 → 自行查 scancode_map
CPU 占用	等待时 BIOS 内部轮询/中断	当前线程空转在 .wait 循环
复杂度	调用简单	需 init_keyboard、查表、处理修饰键

初始化两步： OUT 0x64, 0xAE 打开键盘端口；OUT 0x60, 0xF4 让键盘开始扫描。写命令前须 wait_8042（等 IBF=0），写后 drain_kbd 清空残留字节，避免误读旧数据。

IDT 与 PIC 是什么

本章用 轮询 读键盘，没有建 IDT、也没有配置 PIC。二者是保护模式下处理 硬件中断 的基础设施，与 lesson12 已学过的 GDT 地位类似——GDT 管「段从哪访问」，IDT 管「中断/异常来了跳去哪」。

IDT（Interrupt Descriptor Table，中断描述符表）

• 保护模式下，CPU 遇到 异常（除零、页故障等）或 中断（硬件 IRQ、INT n 指令）时，用 中断向量号（0~255）作为下标，到 IDT 里取一项 门描述符。
• 门描述符里写着处理程序的 代码段选择子 + 偏移；CPU 自动切换去执行该 中断处理程序（ISR）。
• 用 LIDT 指令加载 IDTR（类似 LGDT 加载 GDT）。没有合法 IDT 时，任何中断/异常都无法正确分发，通常导致 triple fault。
• 向量 0~31 保留给 CPU 异常；32 起常留给外部设备（具体编号由 PIC 或 APIC 决定）。

PIC（Programmable Interrupt Controller，可编程中断控制器）

• PC 上外设（键盘、时钟、磁盘等）不能直接「打断」CPU，而是向 8259A PIC（或后来的 APIC）发 IRQ 请求线。
• PIC 把多条 IRQ 汇总 成一条信号送给 CPU；CPU 响应后，PIC 再告知是 哪一号 IRQ。
• 经典布局：键盘占 IRQ1。BIOS 在实模式下已把 IRQ 映射到某个中断向量；OS 进入保护模式后通常要做 PIC 重映射（例如把 IRQ0~15 改到向量 32~47），避免与 CPU 异常号冲突。
• 还需 屏蔽/开放 某条 IRQ（OUT 到 PIC 的 0x21/0xA1 等端口），并用 STI 允许 CPU 响应中断。

键盘中断 vs 本章轮询

方式	数据路径	本章
轮询	CPU 空转循环读 0x64，有数据再读 0x60	✅ 采用
IRQ1 中断	按键 → 8042 → PIC → CPU 跳 ISR → ISR 读 0x60	❌ 未实现

中断方案需 LIDT、PIC 重映射、编写 ISR、开 STI，概念与代码量都更大。轮询虽浪费 CPU，但逻辑直观，足够完成回显演示；下一章可改为 IRQ 驱动，并顺带支持 Shift 大写等。

5. utilities.s — 键盘轮询实现

保护模式下无法使用 INT 16h。本章不建 IDT，也不开 STI，改为轮询 8042 控制器端口 0x64 / 0x60。

初始化（init_keyboard）：

init_keyboard:
    ; wait_8042 → OUT 0x64, 0xAE   ; 启用键盘端口
    ; drain_kbd 清空缓冲
    ; OUT 0x60, 0xF4（经 kbd_cmd） ; 开启扫描
    ; drain_kbd

读键（read_char）：

read_char:
.mk_wait:
    CALL read_kbd_scancode      ; 等按下（bit7=0）
    TEST AL, 0x80
    JNZ  .mk_wait
    MOV  BL, AL
.br_wait:
    CALL read_kbd_scancode      ; 等释放（bit7=1）
    TEST AL, 0x80
    JZ   .br_wait
    ; 0x1C → 0x0D；其余查 scancode_map（128 字节 Set 1 表）

read_kbd_scancode 在 0x64 bit0 就绪时读 0x60；若 bit3 表示鼠标数据则丢弃重读。

scancode_map 为 128 字节的 Set 1 查找表，按下码作下标查 ASCII。仅覆盖主键盘可打印字符；不支持 Shift 大写。

修饰键须映射为 0。 左 Shift（0x2A）、右 Shift（0x36）等若仍对应可打印字符，按 Shift 时会误回显——例如出现 \。应把这些条目写成 0，read_char 返回 0 时 kernel.c 不回显。

表项必须逐字节对齐。 反斜杠应写 DB 0x5C，不能写 DB '\\'：NASM 会把 '\\' 汇编成 2 字节，从该行起整表偏移 1，典型现象是按 b 却显示 v。写完后可对照 Set 1 扫描码表抽查几键。

6. 编译选项变化

# lesson11（实模式）
CCFLAGS = -march=i386 -m16 -ffreestanding

# lesson13（保护模式 32 位）
CCFLAGS = -m32 -ffreestanding -fno-pic -fno-builtin -nostdlib -O2

链接地址与 lesson11 相同：

kernel.bin: kernel.o utilities.o
	$(LD) -m elf_i386 -Ttext 0xC200 --oformat binary \
	      -o $(TARGET)$@ $(TARGET)kernel.o $(TARGET)utilities.o

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五、Makefile 与写盘

loader.o: boot/loader.s boot/pm.inc
	$(NASM) -I./ -f elf32 -o $(TARGET)loader.o boot/loader.s

loader.bin: loader.o
	$(LD) -m elf_i386 -Ttext 0x7c00 --oformat binary \
	      -o $(TARGET)loader.bin $(TARGET)loader.o

install:
	$(DD) if=$(TARGET)loader.bin of=$(TARGET)os.img conv=notrunc
	$(DD) if=$(TARGET)kernel.bin of=$(TARGET)os.img conv=notrunc bs=512 seek=33

seek=33 与 lesson11 一致：内核写入数据区起始扇区（0-based 扇区 33）。

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六、编译与运行

在 lesson13/ 目录下：

make          # 生成 loader.bin、kernel.bin
make install  # 写入 ../target/os.img
make run      # 启动 Bochs
make debug    # Bochs 调试模式

验证清单：

• 屏幕短暂显示 Loading NotOneOS (32-bit PM)...
• 清屏后输出 NotOneOS 32-bit Protected Mode.、Welcome.. 与 > 提示符
• 光标显示为 _，随输入移动
• 按键可回显字母、数字；回车回到当前行行首
• 无 triple fault（Bochs 不重启）

运行注意： Bochs 启动后需 点击显示窗口 使其获得键盘焦点，否则按键无反应。

调试可在内核入口设断点（地址以链接结果为准）：

make debug

b 0xC200
c

单步跟踪 clear_screen 对 0xB8000 的写入，或在 read_char 处设断（查看 ../target/kernel.map 中符号地址）。

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七、本章小结

• lesson11 解决了「加载并运行 C 程序」；lesson12 解决了「进入保护模式」；本章把两条路径串成一条完整启动链
• 保护模式下 BIOS 不可用，显示与输入必须自己实现（显存、8042 端口轮询）
• 平坦 GDT 让 C 代码可以像访问物理地址一样使用 0xC200、0xB8000 等线性地址
• 键盘采用 轮询 + Set 1 扫描码表，软件光标保证回显位置正确；内核从 16 位实模式编译 升级为 32 位保护模式编译

下一章可在此基础上增加：IDT + PIC 键盘中断（替代轮询）、Shift 大写、或开启分页（页表）。本章刻意保持简单，中断机制见 第四节「IDT 与 PIC」。

源码地址：
https://gitee.com/xundh/learn-os