A20 게이트를 활성화하여 1MB 이상 영역에 접근해보자

IA-32e 모드 커널과 메모리 맵

이번장에서 진행할 내용

IA-32e 모드 커널을 실행하기 위한 준비 작업으로 PC에 설치된 메모리가 64MB 이상인지 검사
IA-32e 모드 커널이 위치할 영역을 모두 0으로 초기화
부팅과정을 완료하고 나서 1MB 이상의 메모리에 정상적으로 접근되는지 확인

1MB 이상의 메모리에 접근해야 하는 이유

부트로더에 의해 커널 이미지가 메모리에 로딩되는 어드레스는 0x10000이다. 만약 1MB 이하의 어드레스중에서 비디오 메모리가 위치하는 0xA0000 이하를 커널 공간으로 사용한다고 가정하면, 보호 모드 커널과 IA-32e 모드 커널의 최대 크기는 (0xA0000 - 0x10000)이 되어 576KB 정도가 된다. 커널 이미지외에도 초기화되지 않은 영역(.bss 섹션)의 공간도 필요하다. 추후에 멀티태스킹과 파일 시스템과 같은 기능이 추가되어 커널이 커진다면 576KB로는 부족하다.

MINT64 OS는 이러한 문제를 해결하기 위해 커널 이미지를 모두 0x10000 어드레스에 복사하되, 덩치가 큰 IA-32e 모드 커널은 2MB의 어드레스로 복사하여 2MB ~ 6MB의 영역을 별도로 할당했다. 따라서 IA-32e 모드의 커널영역은 모드 섹션을 포함하여 총 4MB의 크기가 된다. 아래 그림은 MINT 64 OS의 메모리 맵이다.

왜 IA-32e 모드 커널이 위치할 영역을 0으로 초기화 할까? 커널 이미지로 덮어써버리기때문에 초기화할 필요가 없지 않을까라고 생각했다. 책에서는 이렇게 말한다.

미리 초기화 하는 이유는 IA-32e 커널 이미지가 초기화되지 않은 영역을 포함하고 있지 않기 때문이다. 비록 커널은 초기화되지 않은 영역을 사용하지만, 커널 이미지에는 초기화 되지 않은 영역이 제외되어 있다. 따라서 커널 이미지를 옮길 때도 이 영역은 해당되지 않으며, 이미지를 옮길 영역을 미리 0으로 초기화 하지 않는다면 어떤 임의의 값이 들어 있을 것이다. 이런 상태에서 IA-32e 모드 커널이 실행되면 0으로 참조되어야 할 변수들이 0이 아닌 값으로 설정되어, 루프를 빠져 나오지 못한다든지 잘못된 조건문이 실행된다든지 하는 문제가 발생할 가능성이 있다. 0으로 초기화 하는 이유는 미연을 방지하기 위해서이다.

IA-32e 모드 커널을 위한 메모리 초기화

메모리 초기화 기능 추가

위에서 말한 1MB부터 6MB 영역까지를 모두 0으로 초기화 하는 기능은 C 코드로 구현할 것이다. 소스코드는 앞에서 만든 01.Kernel32/Source/Main.c에 추가할 것이다.

기존 소스 코드

#include "Types.h"

void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString);

/**
 * Main 함수
 */
void Main() {
    kPrintString(0, 3, "C Language Kernel Started~!!");

    while (1);
}

/**
 * 문자열 출력 함수
 */
void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString) {
    CHARACTER *pstScreen = (CHARACTER *) 0xB8000;

    int i;
    pstScreen += (iY * 80) + iX;
    for (i = 0; pcString[i] != 0; i++) {
        pstScreen[i].bCharactor = pcString[i];
    }
}

변경된 소스

#include "Types.h"

void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString);

BOOL kInitializeKernel64Area();

/**
 * Main 함수
 */
void Main() {
    DWORD i;

    kPrintString(0, 3, "C Language Kernel Started~!!");

    // IA-32e 모드의 커널 영역을 초기화
    kInitializeKernel64Area();
    kPrintString(0, 4, "IA-32e Kernel Area Initialization Complete");

    while (1);
}

/**
 * 문자열 출력 함수
 */
void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString) {
    CHARACTER *pstScreen = (CHARACTER *) 0xB8000;

    int i;
    pstScreen += (iY * 80) + iX;
    for (i = 0; pcString[i] != 0; i++) {
        pstScreen[i].bCharactor = pcString[i];
    }
}

/**
 * IA-32e 모드용 커널 영역을 0으로 초기화
 */
BOOL kInitializeKernel64Area() {
    DWORD *pdwCurrentAddress;

    // 초기화를 시작할 어드레스인 0x100000(1MB)을 설정
    pdwCurrentAddress = (DWORD *) 0x100000;

    // 마지막 어드레스인 0x600000(6MB)까지 루프를 돌면서 4바이트씩 0으로 채움
    while ((DWORD) pdwCurrentAddress < 0x600000) {
        *pdwCurrentAddress = 0x00;

        // 0으로 저장한 후 다시 읽었을 때 0이 나오지 않으면 해당 어드레스를
        // 사용하는데 문제가 생긴 것이므로 더이상 진행하지 않고 종료
        if (*pdwCurrentAddress != 0)
            return FALSE;

        // 다음 어드레스로 이동
        pdwCurrentAddress++;
    }

    // 작업을 맞친후 정상적으로 완료되었다고 TRUE 반환
    return TRUE;
}

빌드와 실행

앞에서 makefile을 작성했으므로 추가로 작성할 필요가 없다. make하고 QEMU를 돌려보면 아래 스크린샷처럼 성공할수도 있지만 실패할 수도 있다. 책에서는 QEMU에서는 정상적으로 작동하지만 실제 PC에서는 제대로 작동하지 않는다고 한다.

이 문제의 원인은 PC가 하위 기종에 대한 호환성을 유지하기 위해 어드레스 라인을 비활성화했기 때문이다. 어드레스 라인에 대한 내용은 뒤에서 설명할 것이다.

1MB 어드레스와 A20 게이트

A20 게이트의 의미와 용도

초창기 XT PC는 최대 1MB까지 어드레스에 접근할 수 있었다. 하지만 리얼 모드에서는 세그먼트와 오프셋으로 1MB가 넘는 0x10FFEF까지 접근할 수 있다. 하드웨어의 한계로 1MB가 넘는 어드레스로 접근하는 경우 0x10FFEF로 인식되었다.

이후에 16MB 어드레스 까지 접근가능한 AT PC가 생겼고, XT PC의 특수한 어드레스 계산법(1MB 이상의 어드레스를 1MB 이하의 어드레스에 매핑)으로인해 기존 XT PC용 프로그램을 실행하는데 문제가 생겼다. 이러한 호환성 문제를 해결하기 위해 도입된것이 A20 게이트이다.

A20은 Address의 20번째 비트를 뜻하며, 20번째 비트를 활성화하거나 비활성화하여 XT PC의 어드레스 계산 방식과 호환성을 유지시킨다. A20 게이트가 비활성화되면 어드레스 라인 20번째(1MB의 위치)가 항상 0으로 고정되므로 선형 주소가 0x10FFEF가 되더라도 0xFFEF로 처리할 수 있다.

AT PC는 부팅후, A20 게이트를 무조건 0으로 설정하여 XT PC와의 호환성을 유지했으며, A20 게이트를 ㅗ할성화했을때만 20번째 어드레스 비트가 정상적으로 동작하게했다. 아래 그림은 A20 게이트의 비활성화에 따른 선형 주소의 변화에 대해서 나타낸 것이다.

A20 게이트가 비활성화된 상태에서는 어드레스 라인의 20번째 비트가 항상 9으로 설정되므로 홀수 MB에는 접근할 수 없다. 최초 부팅된 이후의 상태는 A20 게이트가 비활성화된 상태이므로 1~~4MB 어드레스를 초기화하면 홀수 MB 영역을 제외한 0~~1MB와 2~~3MB 영역을 초기화하게된다. 하지만, 0~~1영역은 BIOS와 보호 모드커널 영역으로 사용하고 있으므로 현재 커널이 수행 중인 부분이 초기화하게되어 문제가 생긴다. 아래 그림은 A20 게이트 비활성화에 따라 접근 가능한 메모리 공간의 변화를 나타낸 것이다.

A20 게이트 활성화 방법

A20 게이트를 활성화 하는 방법

키보드 컨트롤러 Keyboard Controller로 활성화
AT PC 초창기 시절부터 사용되던 방법
속도가 느리고 소스코드가 복잡하다
PS/2 방식의 키보드/마우스를 지원하는 PC라면 어디서나 사용가능
시스템 컨트롤 포트 System Controll Port로 활성화
키보드 컨트롤러의 대안
시스템 제어에 관련된 I/O 포트를 통해 A20 게이트를 활성화하는 방법
키보드 컨트롤러를 사용하는 것보다 속도가 빠르고 소스코드가 간략함
BIOS 서비스로 활성화
486 프로세서를 지원하는 BIOS에서 처음 도입
BIOS 서비스 중에 시스템에 관련된 서비스를 통해 A20 게이트를 활성화하는 방법

PC 코어수가 2개 이상이거나, 64비트를 지원하는 프로세서라면 위의 3가지 방법중에서 2가지 이상을 지원할 것이다.

시스템 컨트롤 포트로 A20 게이트 활성화하기

시스템 컨트롤 포트는 I/O 포트 어드레스의 0x92에 위치하며, A20 게이트부터 하드 디스크 LED에 이르기까지 여러가지 시스템 옵션 담당

비트	읽기/쓰기 모드	설명
7 6	읽기와 쓰기	하드디스크 LEB 제어 모두 9으로 설정하면 LED가 꺼지며, 그 외의 경우는 LED가 켜짐
5 4	-	사용 안함
3	읽기와 쓰기	부팅 패스워드 접근 제어 1로 설정하면 전원을 다시 인가할때까지 CMOS 레지스터에 설정된 부팅 패스워드를 삭제하지 못하며, 0으로 설정하면 부팅 패스워드를 삭제할 수 있음
2	읽기 전용	사용 안함
1	읽기와 쓰기	A20 게이트 제어 1로 설정하면 A20 게이트를 활성화하며, 0으로 설정하면 비활성화함
0	쓰기 전용	빠른 시스템 리셋 1로 설정하면 시스템 리셋(리얼 모드로 전환)을 수행하며, 0으로 설정하면 아무 변화 없음

목적은 A20 게이트를 활성화하는 것이므로 시스템 컨트롤 포트의 비트 1만 1로 설정한다. 시스템 컨트롤 포트는 I/O 포트에 있으므로 접근하려면 별도의 명령어(in, out)를 사용해야한다. 아래 코드는 in/out 명령어로 시스템 컨트롤 포트에 접근하여 A20 게이트를 활성화하는 코드이다.

in al, 0x92     ; 시스템 컨트롤 포트(0x92)에서 1바이트를 읽어 AL 레지스터에 저장

or al, 0x02     ; 읽은 값에 A20 게이트 비트(비트 1)를 1로 설정
and al, 0xFE    ; 시스템 리셋 방지를 위해 0xFE와 AND 연산하여 비트 0을 0으로 설정

out 0x92, al    ; 시스템 컨트롤 포트(0x92)에 변경된 값을 1바이트 설정

BIOS 서비스로 A20 게이트 활성화 방법

A20 게이트 관련 설정 값을 AX 레지스터에 넣고 나서 A20 게이트를 활성화하는 BIOS 시스템 서비스(인터럽트 벡터 0x15)를 호출하면 된다. BIOS의 시스템 서비스에 A20 게이트 관련 기능이 들어있다. 인터럽트 벡터 테이블의 0x15에 위치한다. 아래 표는 BIOS 시스템 중 A20 게이트 관련 기능을 나타낸 것이다.

아래는 BIOS 서비스를 호출하여 A20 게이트를 활성화하는 코드이다.

mov ax, 0x2401      ; A20 게이트 활성화 서비스 설정
int 0x15            ; BIOS 인터럽트 서비스 호출

jc .A20GATEERROR    ; A20 게이트 활성화가 성공했는지 확인
jmp .A20GATESUCCESS

.A20GATEERROR:
    ; 에러 핸들링

.A20GATESUCCESS:
    ; 성공 처리

A20 게이트 적용과 메모리 크기 검사

A20 게이트 활성화 코드 적용

앞에서 봤듯이 A20 게이트를 활성화하는 방법은 2가지 있다.

시스템 컨트롤 포트
BIOS 서비스

MINT64 OS 에서 2가지 방법 모두 사용한다. BIOS 서비스를 먼저 실행하고, 실패할 경우 시스템 컨트롤 포트를 사용하는 순으로 개발한다. BIOS 서비스를 사용하려면 리얼모드이어야 하므로 A20 게이트 활성화 코드는 부트로더또는 보호 모드 커널 엔트리 포인트에 추가해야한다. 여기서는 보호모드 엔트리 포인트에 추가했다.

아래 코드는 수정된 보호모드 엔트리 포인트 파일 01.Kernel32/Source/EntryPoint.s의 일부이다.

[ORG 0x00]          ; 코드의 시작 어드레스를 0x00으로 설정
[BITS 16]           ; 아래 코드를 16비트 코드로 설정

SECTION .text       ; text 섹션(세그먼트) 정의

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; 코드 영역
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
START:
    mov ax, 0x1000  ; 보호 모드 엔트리 포인트의 시작 어드레스 0x1000를 세그먼트 레지스터 값으로 변환
    mov ds, ax      ; DS 세그먼트 레지스터에 설정
    mov es, ax      ; ES 세그먼트 레지스터에 설정

    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; A20 게이트 활성화
    ; BIOS를 이용한 전환이 실패시 시스템 컨트롤 포트로 전환 시도
    ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
    ; BIOS 서비스를 사용해서 A20 게이트를 활성화
    mov ax, 0x2401      ; A20 게이트 활성화 서비스 설정
    int 0x15            ; BIOS 인터럽트 서비스 호출

    jc .A20GATEERROR    ; A20 게이트 활성화가 성공했는지 확인
    jmp .A20GATESUCCESS

    .A20GATEERROR:
        ; 에러 발생시, 시스템 컨트롤 포트로 전환 시도
        in al, 0x92     ; 시스템 컨트롤 포트(0x92)에서 1바이트를 읽어 AL 레지스터에 저장
        or al, 0x02     ; 읽은 값에 A20 게이트 비트(비트 1)를 1로 설정
        and al, 0xFE    ; 시스템 리셋 방지를 위해 0xFE와 AND 연산하여 비트 0을 0으로 설정
        out 0x92, al    ; 시스템 컨트롤 포트(0x92)에 변경된 값을 1바이트 설정

    .A20GATESUCCESS:
        cli             ; 인터럽트가 발생하지 못하도록 설정
        lgdt [ GDTR ]       ; GDTR 자료구조를 프로세서에 설정하여 GDT 테이블을 로드

        ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
        ; 보호 모드로 진입
        ; Disable Paging, Disable Cache, Internal FPU, Disable Align Check, Enable ProtectedMode
        ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
        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 보호 모드로 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 반명 실제 코드는 0x10000을 기준으로 실행되고 있으므로
        ; 오프셋에 0x10000을 더해 세그먼트 교체 후에도 같은 선형 주소를 가리키게 함


;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; 보호 모드로 진입
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
[BITS 32]           ; 이하의 코드는 32비트 코드로 설정
PROTECTEDMODE:
 ; ~ 생략 ~

빌드 후 실행하면 아래와 같은 화면이 나온다.

1MB 이상의 메모리에 접근할 수 있게 되었다. 4GB의 메모리를 자유롭게 사용할 수 있다. 앞으로 이공간을 여러 구역으로 나누어 멀티태스킹, 파일 시스템, 동적 메모리 관리, 애플리케이션 메모리 등이 용도로 사용 가능하다.

그전에 먼저 메모리 총량을 검사하는 기능을 구현해야한다. 보호 모드에서는 최대 4GB메모리까지 밖에 접근이 불가능하므로 4GB 이상의 메모리를 정확하게 판단하기 위해 IA-32e 모드 커널에서 검사를 해야한다. 메모리 전체 크기 계산은 IA-32e커널에서 하고, 여기서는 MINT64 OS 실행에 필요한 메모리가 충분한지 검사하도록 하겠다.

메모리 크기 검사 기능 추가

사용가능한 메모리를 검사하는 방법 : 메모리에 특정 값을 쓰고 다시 읽어서 같은 값이 나오는지 확인

진짜 물리 메모리일 경우 : 쓴 값이 그대로 읽힌다.
아닌 경우 : 쓴 값은 저장되지 않았으므로 임의의 값이 읽히게 된다.

1MB 단위로 어드레스를 증가시키면서 각 MB의 첫 번째 4바이트에 0x12345678를 쓰고 읽어 보는 방식으로 구현한다.

01.Kernel32/Source/Main.c

#include "Types.h"

/**
 * 함수 선언
 */
void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString);

BOOL kInitializeKernel64Area();

BOOL kIsMemoryEnough();


/**
 * Main 함수
 */
void Main() {
    DWORD i;

    kPrintString(0, 3, "C Language Kernel Started...................[Pass]");

    // 최소 메모리 크기를 만족하는지 검사
    kPrintString(0, 4, "Minimum Memory Size Check...................[    ]");
    if (kIsMemoryEnough() == FALSE) {
        kPrintString(45, 4, "Fail");
        kPrintString(0, 5, "Not Enough Memory~!! MINT64 OS Requires Over 64Mbyte Memory~!!");
        while (1);
    } else {
        kPrintString(45, 4, "Pass");
    }

    // IA-32e 모드의 커널 영역을 초기화
    kPrintString(0, 5, "IA-32e Kernel Area Initialize...............[    ]");
    if (kInitializeKernel64Area() == FALSE) {
        kPrintString(45, 5, "Fail");
        kPrintString(0, 6, "Kernel Area Initialization Fail~!!");
        while (1);
    }
    kPrintString(45, 5, "Pass");

    while (1);
}

/**
 * 문자열 출력 함수
 */
void kPrintString(int iX, int iY, const char *pcString) {
    CHARACTER *pstScreen = (CHARACTER *) 0xB8000;

    int i;
    pstScreen += (iY * 80) + iX;
    for (i = 0; pcString[i] != 0; i++) {
        pstScreen[i].bCharactor = pcString[i];
    }
}

/**
 * IA-32e 모드용 커널 영역을 0으로 초기화
 */
BOOL kInitializeKernel64Area() {
    DWORD *pdwCurrentAddress;

    // 초기화를 시작할 어드레스인 0x100000(1MB)을 설정
    pdwCurrentAddress = (DWORD *) 0x100000;

    // 마지막 어드레스인 0x600000(6MB)까지 루프를 돌면서 4바이트씩 0으로 채움
    while ((DWORD) pdwCurrentAddress < 0x600000) {
        *pdwCurrentAddress = 0x00;

        // 0으로 저장한 후 다시 읽었을 때 0이 나오지 않으면 해당 어드레스를
        // 사용하는데 문제가 생긴 것이므로 더이상 진행하지 않고 종료
        if (*pdwCurrentAddress != 0)
            return FALSE;

        // 다음 어드레스로 이동
        pdwCurrentAddress++;
    }

    // 작업을 맞친후 정상적으로 완료되었다고 TRUE 반환
    return TRUE;
}

/**
 * MINT64 OS를 실행하기에 충분한 메모리를 가지고 있는지 체크
 */
BOOL kIsMemoryEnough() {
    DWORD *pdwCurrentAddress;

    // 0x100000(1MB)부터 검사 시작
    pdwCurrentAddress = (DWORD *) 0x100000;

    // 0x4000000(64MB)까지 루프를 돌면서 확인
    while ((DWORD) pdwCurrentAddress < 0x4000000) {
        *pdwCurrentAddress = 0x12345678;

        // 0x12345678로 설정한 후 다시 읽었을 때 0x12345678이 나오지 않으면
        // 해당 어드레스를 사용하는데 문제가 생긴 것이므로 더이상 진행하지 않고 종료
        if (*pdwCurrentAddress != 0x12345678) {
            return FALSE;
        }

        // 1MB씩 이동하면서 확인
        pdwCurrentAddress += (0x100000 / 4);
    }
    return TRUE;
}

빌드 및 실행

qemu-system-x86_64MINT.bat 파일을 수정해야한다. 메모리를 64MB보다 작은 32로 변경해서 테스트 해보자.

qemu-system-x86_64 -L . -m 32 -fda Disk.img -localtime -M pc

메모리가 32로 설정되었기때문에 아래 사진처럼 실패한다.

bat 파일을 다시 복구하고 다시 실행하면 성공한다.

qemu-system-x86_64 -L . -m 64 -fda Disk.img -localtime -M pc

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A20 게이트 활성화 코드 적용

메모리 크기 검사 기능 추가

빌드 및 실행