x86_32自定义内核GDT_flush执行失败引发启动循环求助

问题描述 #

从零开始用C编写x86_32位内核，完成VGA驱动后尝试实现GDT与键盘驱动中断。调用汇编实现的flush_gdt()函数后系统启动循环，注释该函数内核可正常启动（但未启用GDT）。使用Qemu模拟内核，通过目标专用工具链编译链接，尝试将描述符指针作为参数传递给函数仍出现启动循环。

相关代码 #

GDT.c #

struct gdt_entry{
  unsigned short limit_low;
  unsigned short base_low;
  unsigned char base_middle;
  unsigned char access;
  unsigned char granularity; 
  unsigned char base_high;
}__attribute__((packed));


struct gdt_pointer{
  unsigned short limit;
  unsigned int base;
}__attribute__((packed));

struct gdt_entry gdt[3];
struct gdt_pointer gdtptr;

//extern void flush_gdt(unsigned char gdtptr);
extern void flush_gdt();

void set_gdt_gate(int num, unsigned long base, unsigned long limit,unsigned char access,unsigned char gran){
  gdt[num].base_low = (base & 0xFFFF);
 gdt[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
  gdt[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;

  gdt[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
  gdt[num].granularity = (limit >> 16) & 0x0F;
  gdt[num].granularity |= (gran & 0x0F);

  gdt[num].access = access;
}

void init_gdt(){
  gdtptr.limit = (sizeof(struct gdt_entry) * 3) - 1;
  gdtptr.base = (uint32_t)&gdt;

  print_string("setting up kernel segments \n");
  set_gdt_gate(0, 0, 0, 0, 0); //Null segment
  set_gdt_gate(1, 0, 0xFFFFFFFF, 0x9A, 0xCF); //Code segment
  set_gdt_gate(2, 0, 0xFFFFFFFF, 0x92, 0xCF); //data segment
  print_string("kernel segments have been setup hehehhehehe\n");
  //flush_gdt((unsigned char)&gdtptr);
  flush_gdt();
}

descriptor.asm #

global flush_gdt
[extern gdtptr]

flush_gdt:
  ;mov eax, [esp + 4]
  ;lgdt[eax]
  lgdt[gdtptr]
  mov ax, 0x10
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax 
  mov gs, ax
  mov ss, ax
  jmp 0x08: .flush_two 

.flush_two:
  ret

QEMU日志 #

0: v=0d e=0010 i=0 cpl=0 IP=0010:0000000000100d3b pc=0000000000100d3b SP=0018:0000000000104f1c env->regs[R_EAX]=0000000000100010
EAX=00100010 EBX=001066c8 ECX=000003d5 EDX=000003d5
ESI=00000000 EDI=00000000 EBP=00104f38 ESP=00104f1c
EIP=00100d3b EFL=00000002 [-------] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0010 00000000 ffffffff 00cf9a00 DPL=0 CS32 [-R-]
SS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =0000 00000000 0000ffff 00008b00 DPL=0 TSS32-busy
GDT=     696c6261 00006e65
IDT=     00000000 00000000
CR0=00000011 CR2=00000000 CR3=00000000 CR4=00000000
DR0=0000000000000000 DR1=0000000000000000 DR2=0000000000000000 DR3=0000000000000000 
DR6=00000000ffff0ff0 DR7=0000000000000400
CCS=00000010 CCD=00104f10 CCO=ADDL
EFER=0000000000000000
check_exception old: 0xd new 0xd
     1: v=08 e=0000 i=0 cpl=0 IP=0010:0000000000100d3b pc=0000000000100d3b SP=0018:0000000000104f1c env->regs[R_EAX]=0000000000100010
EAX=00100010 EBX=001066c8 ECX=000003d5 EDX=000003d5
ESI=00000000 EDI=00000000 EBP=00104f38 ESP=00104f1c
EIP=00100d3b EFL=00000002 [-------] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0010 00000000 ffffffff 00cf9a00 DPL=0 CS32 [-R-]
SS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0018 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =0000 00000000 0000ffff 00008b00 DPL=0 TSS32-busy
GDT=     696c6261 00006e65
IDT=     00000000 00000000
CR0=00000011 CR2=00000000 CR3=00000000 CR4=00000000
DR0=0000000000000000 DR1=0000000000000000 DR2=0000000000000000 DR3=0000000000000000 
DR6=00000000ffff0ff0 DR7=0000000000000400
CCS=00000010 CCD=00104f10 CCO=ADDL
EFER=0000000000000000
check_exception old: 0x8 new 0xd

问题排查与修复方案 #

1. 关键错误：GDT描述符粒度位操作错误 #

在set_gdt_gate函数中，对granularity字段的赋值逻辑错误：
原代码中：

gdt[num].granularity |= (gran & 0x0F);

GDT的granularity字节高4位是段属性（G粒度位、D/B位等），低4位是limit的高4位。传入的gran参数是0xCF（二进制11001111），正确的做法是取其高4位（0xC0），而非低4位。修改为：

gdt[num].granularity |= (gran & 0xF0);

该错误会导致段描述符属性无效，触发CPU异常，引发启动循环。

2. 改用参数传递GDT指针，避免全局变量链接问题 #

全局变量gdtptr的跨语言（C与汇编）引用可能存在符号解析或地址错误，改用参数传递更可靠：

• 修改C中的函数声明：

  extern void flush_gdt(struct gdt_pointer* ptr);
  

• 修改init_gdt中的调用：

  flush_gdt(&gdtptr);
  

• 修改汇编代码：

  global flush_gdt
  flush_gdt:
      mov eax, [esp + 4]   ; 获取传入的GDT指针地址
      lgdt [eax]           ; 加载GDT
      mov ax, 0x10
      mov ds, ax
      mov es, ax
      mov fs, ax 
      mov gs, ax
      mov ss, ax
      jmp 0x08: .flush_two ; 远跳转刷新CS寄存器
  .flush_two:
      ret
  

3. 验证内存布局与链接脚本 #

检查链接脚本，确保GDT相关数据被放置在内核的有效加载区域，未被错误覆盖或放置在非预期内存位置。

4. 确认编译链接参数 #

确保编译时使用-m32选项生成32位代码，链接时使用32位专用链接脚本，保证生成的内核镜像符合x86_32位架构要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Madhav Bhatnagar