对A20 GATE的思考

息技术的飞速的发展，80X86系列不断的出现新的产品，人们不由担心一个问题就是原来设计的软件能不能在新的CPU上运行？实际上，因为80X86具有向下兼容性，所以大部分的过去可以运行的软件现在依然可以在新的CPU上运行。但是要提高兼容性，必然导致功能的减弱。

      新产品的出现，性能的提高，肯定有一些特性和原来不同，比如8086/8088和80286CPU的地址线根数就不一样，直接寻址的范围也就不相同了，本篇文章将详细谈一下在实模式和保护模式中讨论如何通过A20 GATE功能来调整系统寻址方面的兼容性。

      一 实地址模式

      1 对于8086/8088来说计算实际地址是用绝对地址对1M求模。

      我们先来看一下8086的地址线的物理结构： 20根，也就是它可以物理寻址的内存范围为2^20个字节，即1 M空间，但由于8086/8088所使用的寄存器都是16位，能够表示的地址范围只有0-64K，这和1M地址空间来比较也太小了，所以为了在8086/8088下能够访问1M内存，Intel采取了分段寻址的模式：16位段基地址:16位偏移EA。其绝对地址计算方法为：16位基地址左移4位+16位偏移=20位地址。 比如：DS=1000H EA=0FFFFH 那么绝对地址就为：10000H+0FFFFH=1FFFFH 地址单元。通过这种方法来实现使用16位的寄存器运算来访问1M地址空间的技术（这种运算是由CPU的BIU单元硬件实现的），但是稍加注意我们就可以发现一个新的问题：通过上述分段模式，能够表示的最大内存为：FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh=1M+64K-16Bytes（1M多余出来的部分被称做高端内存区HMA）。但8086/8088只有20位地址线，只能够访问1M地址范围的数据，所以如果访问100000h~10FFEFh之间的内存（大于1M空间），则必须有第21根地址线来参与寻址（8086/8088没有）。因此，当程序员给出超过1M（100000H-10FFEFH）的地址时，因为逻辑上正常，系统并不认为其访问越界而产生异常，而是自动从0开始计算，也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的，这种技术被称为wrap-around。

      2 对于80286或以上的CPU通过A20 GATE来控制A20地址线

      技术在发展，到了80286，系统的地址总线有原来的20根发展为24根，这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。Intel在设计80286时提出的目标是向下兼容。所以，在实模式下，系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样，也就是说，在实模式下，80286以及后续系列，应该和8086/8088完全兼容。但最终，80286芯片却存在一个BUG：因为有了80286有A24线，如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存，而不是象8086/8088一样从0开始。我们来看一副图：

      为了解决上述兼容性问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线（从0开始数是第20根） 的有效性，被称为A20 Gate：

      1 如果A20 Gate被打开，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；

      2 如果A20 Gate被禁止，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式即取模方式（8086仿真）。绝大多数IBM PC兼容机默认的A20 Gate是被禁止的。现在许多新型PC上存在直接通过BIOS功能调用来控制A20 Gate的功能。

      上面所述的内存访问模式都是实模式，在80286以及更高系列的PC中，即使A20 Gate被打开，在实模式下所能够访问的内存最大也只能为10FFEFH，尽管它们的地址总线所能够访问的能力都大大超过这个限制。为了能够访问10FFEFH以上的内存，则必须进入保护模式。

      二 保护模式

      从80286开始，系统出现了一种新的机制，被称为保护模式。到了80386，保护模式得到了进一步的完善和发展，并且对于80386以后的芯片，保护模式的变化就非常小了。我们在上一节已经谈到，如果要访问更多的内存，则必须进入保护模式，那么，在保护模式下，A20 Gate对于内存访问有什么影响呢？

      为了搞清楚这一点，我们先来看一看A20的工作原理。A20，从它的名字就可以看出来，其实它就是对于A20（从0开始数）的特殊处理(也就是对第21根地址线的处理)。如果A20 Gate被禁止，对于80286来说，其地址为24根地址线，其地址表示为EFFFFF；对于80386极其随后的32根地址线芯片来说，其地址表示为FFEFFFFF。这种表示的意思是

      1如果A20 Gate被禁止。则其第A20在CPU做地址访问的时候是无效的，永远只能被作为0。所以，在保护模式下，如果A20 Gate被禁止，则可以访问的内存只能是奇数1M段，即1M,3M,5M…，也就是00000-FFFFF, 200000-2FFFFF,300000-3FFFFF…

      2如果A20 Gate被打开。则其第20-bit是有效的，其值既可以是0，又可以是1。那么就可以使A20线传递实际的地址信号。如果A20 Gate被打开，则可以访问的内存则是连续的。

      三 如何打开A20 线

      我们在实模式下只需要调用BIOS中断就可以实现A20 Gate的控制功能。这个BIOS中断为 INT 15h, AX=2401h。被称为Fast A20。
这个BIOS中断为 INT 15h, AX=2401h。被称为Fast A20。
movw $0x2401, %ax
int $0x15

      四 怎样测试A20GATE端已经打开了?

      我们在之前已经提到，如果A20 Gate被打开了，则在实模式下，程序员可以直接访问100000H~10FFEFH之间的内存，如果A20 Gate被禁止，则在实模式下，若程序员访问100000H~10FFEFH之间的内存，则会被硬件自动转换为0H~0FFEFH之间的内存，所以我们可以利用这个差异来检测A20 Gate是否被打开，下面附一个测试程序。
# This routine tests whether or not A20 is enabled. If so, it
# exits with zf = 0.
#
# The memory address used, 0x200, is the int $0x80 vector, which
# should be safe.
A20_TEST_ADDR = 4*0x80
A20_TEST_LOOPS = 3
a20_test:
pushw %cx
pushw %ax
xorw %cx, %cx
movw %cx, %fs # Low memory
decw %cx
movw %cx, %gs # High memory area
movw $A20_TEST_LOOPS, %cx
movw %fs:(A20_TEST_ADDR), %ax
pushw %ax
a20_test_wait:
incw %ax
movw %ax, %fs:(A20_TEST_ADDR)
call delay # Serialize and make delay constant
cmpw %gs:(A20_TEST_ADDR+0x10), %ax
loope a20_test_wait
popw %fs:(A20_TEST_ADDR)
popw %ax
popw %cx
ret
delay:
outb %al,$0x80
ret

      通过以上的讨论和分析，我们知道了A20GATE线对于我们实际编程的影响，并且了解了如何设置和调整它的状态来达到我们要求。