Gate 20 memory shadow

 在许多PC的CMOS设置里，都有一项叫做“A20 Enable“的设置，不知道大家是否就此设置困惑过，这个A20是什么呢？

    说A20则不得不说PC机的内存，我尽量用简短的语言说明白PC机内存的一些独有的术语，在我刚接触PC机的时候（1985年前后），如果你的机器有一块10M或者20M的硬盘，那已经是一台不错的机器，如果你的机器有256K的内存，那绝对是高配置，那时候还没有3.5"的软盘，都是使用5"的容量仅360K的软盘，所以那个时候，设计IBM PC的IBM公司非常自信地认为，1M内存是一个根本达不到的天文数字，我想由于这种思想的作怪（我猜的），IBM非常愚蠢地把PC机1M存储空间的最上面的384K用作了ROM和系统设备，这种设计给现在的PC机的内存结构埋下了麻烦的伏笔，如果当初IBM把PC机的1M存储空间的最下面的384K用作ROM和系统设备，可能现在就会少好多麻烦，这个后面说。

    写到这里的时候，我想起了许多事，大家是否知道我国的第一台电子计算机是什么型号？是什么样子？是1958年生产的103机，后来又有了全晶体管的电子计算机，很荣幸的是，在我工作过的单位里，曾经有过这么一台全晶体管的电子计算机，就是那种使用穿孔纸带输入计算机程序，占地好几百平方米，一旦开动需要几十人进行维护的家伙，我到这个单位的时候，这台机器早已不再运转的，80年代的时候，我有幸参加了这台机器的拆解工作，给我印象最深的是，我终于看到了当时在教科书里说的“磁鼓”（估计现在的教科书里也没有了），一种看上去像筛子一样的东西，那就是当年的存储器，用于在纸带上打孔进行程序输入的穿孔机我用过，样子很像老式的英文打字机。还有那种8英寸的软盘，估计现在也很少有人见过了。

    好了言归正传，大家都知道，8088/8086只有20位地址线，按理它的寻址空间是2^20，应该是1024KB，但PC机的寻址结构是segment:offset，segment和offset都是16位的寄存器，最大值是0ffffh，换算成物理地址的计算方法是把segment左移4位，再加上offset，所以segment:offset所能表达的寻址空间最大应为0ffff0h + 0ffffh = 10ffefh（前面的0ffffh是segment=0ffffh并向左移动4位的结果，后面的0ffffh是可能的最大offset），这个计算出的10ffefh是多大呢？大约是1088KB，就是说，segment:offset的地址表达能力，超过了20位地址线的物理寻址能力，你说这是不是有点麻烦。在早先，由于所有的机器都没有那么大的内存，加上地址线只有20位，所以当你用segment:offset的方式企图寻址100000h这个地址时，由于没有实际的第21位地址线，你实际寻址的内存是00000h的位置，如果你企图寻址100001h这个地址时，你实际得到的内容是地址00001h上的内容，所以这个事对实际使用几乎没有任何影响，但是后来就不行了，出现了80286，地址线达到了24位，使segment:offset寻址100000h--10ffefh这将近64K的存储器成为可能，为了保持向下兼容，于是出现了A20 Gate，这是后话，我们后面再细说。

    我们可能经常听到一些只有在PC机上才有的一些关于存储器的专有名词，包括：常规内存（Conventional Memory）、上位内存区（Upper Memory Area）、高端内存区（High Memory Area）和扩展内存（Extended Memory），我尽量把这几个东东说明白，这需要下面这张著名的图。

    这张图很清楚地说明了问题，大家都知道，DOS下的“常规内存”只有640K，这640K就是从0--A0000H这段地址空间；所谓“上位内存区”，指的就是20位地址线所能寻址到的1M地址空间的上面384K空间，就是从A0001H--100000H这段地址空间，也就是我们说的用于ROM和系统设备的地址区域，这384K空间和常规内存的640K空间加起来就是20位地址线所能寻址的完整空间1024KB；由于80286和80386的出现使PC机的地址线从20位变成24位又变成32位，寻址能力极大地增加，1M以上的内存寻址空间，我们统称为“扩展内存”；这里面绝大部分内存区域只能在保护模式下才能寻址到，但有一部分既可以在保护模式下，也可以在实模式下寻址，这就是我们前面提到过的地址100000h--10ffefh之间的这块内存，为了表明其特殊性，我们把这块有趣的内存区叫做“高端内存”。

    前面我们提过由于IBM的愚蠢设计给PC机的内存结构埋下了麻烦的伏笔，现在我们来说说这个麻烦。我们都见过PC机上的内存条，但是由于上位内存区的存在，这个内存条上的地址居然不能连续，就是说，这个内存条上要有0--A0000H的地址空间，还要有100000h--最大内存容量的地址空间，中间的384K地址空间必须留出来给ROM用，在现如今一个芯片就好几兆的情况下，你说这个内存条应该怎么做，当然我相信一定是可以做出来的，但肯定很麻烦，如果当初IBM把这个“上位内存区”放在地址低端，就是0--6000h这一部分，岂不是这个麻烦就没有了？！

    但是，实际的内存条上地址都是连续的，并没有人把这段地址空间留出来给ROM使用，原因很简单，采用技术手段把这段地址空间空出来，比浪费这384K内存的成本还要高，所以在这个地址区域就出现了很奇怪的现象，ROM和RAM的地址重叠。 实际上，往往ROM并不能完全覆盖整个384K区域，这样就会有一些地址没有被ROM占用，那么这部分地址上的RAM仍然是可以使用的。实际上，和ROM重叠的这384K RAM一般也不会被浪费，说到这里，不得不说所谓的ROM Shadowing了，RAM和ROM的性能是有很大差异的，RAM的存取速度要远远大于ROM，而且RAM可以32位存取，ROM通常只能16位，所以目前的PC机对这块RAM和ROM重叠的区域的处理采用一种ROM Shadowing的技术方式，当机器加电后，先让ROM有效，RAM无效，然后读出ROM内容，再让ROM无效，RAM有效，把读出的ROM内容放到相同地址的RAM中，并把相应位置的RAM设定为只读，这样就把ROM搬到了RAM中，地址完全一样，只是性能比使用ROM要高些，这块RAM就好像ROM的Shadow一样。

    回到我们的主题A20 Gate，出现80286以后，为了保持和8086的兼容，PC机在设计上在第21条地址线（也就是A20）上做了一个开关，当这个开关打开时，这条地址线和其它地址线一样可以使用，当这个开关关闭时，第21条地址线（A20）恒为0，这个开关就叫做A20 Gate，很显然，在实模式下要访问高端内存区，这个开关必须打开，在保护模式下，由于使用32位地址线，如果A20恒等于0，那么系统只能访问奇数兆的内存，即只能访问0--1M、2-3M、4-5M......，这显然是不行的，所以在保护模式下，这个开关也必须打开。

2.1 先看看 real mode 的寻址方法

8086/8088 的地址线有 20 条：A0 ~ A19，意味着 processor 可以将 20 位地址放上这 20 条地址线上，它的寻址能力是 1M (00000 ~ FFFFF），它的寻址方法是：segment:offset，这是一种被称为 logic address（逻辑地址）表示法，它需要转化为 processor 的 linear address（线性地址）表示：

segment:offset ---------> segment << 4 + offset

如：F000:FFFF = F0000 + FFFF = FFFFF，这是 8086/8088 所能访问的最高地址。这种表示方法是 Intel 为了在 16 位 real mode 下能够访问 20 位地址空间所想设计出来的计算方式。

因此，8086/8088 的寻址范围是可以表示为：从 0000:0000 ~ 0000:FFFF 开始到 F000:0000 ~ F000:FFFF

2.2　访问 extended memory

在后续的 80286 上，Intel 实现了 24 位的 Address bus，那么在 real mode 下 80286 能够访问到的最高地址是 10FFEF，这个地址值是由下面的方法而来：

FFFF:FFFF = FFFF0 + FFFF = 10FFEFh

这已经是 logic address 所能表达的极限范围了。100000h 以上的内存被称为 extend memory，从 100000h ~ 10FFEFh 这片内存区域在 DOS 下被称为 High Memory（高端内存）。高端内存是 80286 在 real mode 所能访问到的区域，而 8086/8088 所不能访问到的。

2.3　wraparound 现象

当在 8086/8088 下执行 FFFF:FFFF 这个内存寻址时，会产生什么结果呢？

				19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
0	0	0	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	1	1	1	1

结果很明显：由于 8086/8088 只有 20 条 address bus，地址 10FFEF 的高 4 位会被抛弃，实际上送上 address bus 的只有 0FFEFh 值，所以访问 FFFF:FFFF 地址结果只能访问到 1M 以内的地址。这就是 wraparound 现象：访问 1M 以上地址都会回绕到 1M 内的模值。

那么，当 80286 下访问 FFFF:FFFF 地址时，又会产生什么果呢？ 由于 80286 具有 24 条 address bus，对于 FFFF:FFFF 地址的访问，会正确得到访问。

SO，访问 FFFF:FFFF 内存，使得 8086/8088 下产生 wraparound 现象，变相访问 0FFEF 地址内存。而在 80286 下得到正确的的 10FFEF 地址，不存在 wraparound 现象。因此：wraparound 现象在 8086/8088 才会产生。这样产生的问题是：访问高端内存时，80286 在 real mode 下和 8086/8088 的行为不一致！

2.4　引入 A20 Gate

为了使用 80286 和 8086/8088 在 real mode 下的行为一致，即：在 80286 下也产生 wraparound 现象。IBM 想出了古怪方法：当 80286 运行在 real mode 时，将 A20 地址线（第 21 条 address bus）置为 0 ，这样使得 80286 在 real mode 下第 21 条 address line 无效，从而人为造成了 wraparound 现象。

具体实现方法是：

设立一个 AND Gate（与门电路），AND gate 的 IN 输入端中一端接 A20 line 上，另一端接在 keyboard control 8042 上，而 AND gate 的 OUT 输出端接在 A20 line 上。只有两个 IN 端都为 1 时，OUT 端才为 1

A20 line 一直处于 1 状态（High 电平），而 8042 内的 A20 gate 一直处于 0（Low 电平），因此：必须使 Keyboard controller 8042 内的 A20 Gate 处于 high 时，A20 line 输出才有效。 A20 gate 也被称为 A20 MASK#。

SO，Keyboard Controller 8042 增加了一组命令去控制 A20 Gate 的开/关，给 8042 发送命令 0xDF 置 A20 gate 有效，给 8042 送命令 0xDD 置 A20 gate 无效。

现在的 system 中，南桥芯片的 A20 MASK# 缺省都是 MASK 状态，即：A20 gate 缺省都是开的。

2.5　打开 A20 gate

在 OS 的 boot 阶段一般都要做打开 A20 gate 操作，虽然现在 A20 gate 缺省为开的。

打开 A20 gate 的方法最原始的是给 keyboard controller 8042 发送 A20 gate enable 命令字，就是上面所说的 0xDF 命令。

下面是我在 mouseOS 操作系统项目中 keyboard 驱动里的一小段代码（编译器是 nasm）：

;-----------------------------------
; macro: WAIT_STATUS_FOR_WRITE
;-----------------------------------
%macro WAIT_STATUS_FOR_WRITE 0
%%wait_status_for_write_loop:
        IO_DELAY
        in al, I8402_STATUS_PORT
        bt rax, 1
        jc %%wait_status_for_write_loop
%endmacro

;-------------------------------------------------------
; macro: WRITE_BYTE_TO_I8402
; description:
;               send byte to keyboard contrroler (I8402)
;-------------------------------------------------------
%macro WRITE_BYTE_TO_I8402 1
        WAIT_STATUS_FOR_WRITE
        mov al, %1
        out I8402_COMMAND_PORT, al
%endmacro

 

;-----------------------------------------
; keyboard_enable_a20()
;-----------------------------------------
__keyboard_enable_a20:
        WRITE_BYTE_TO_I8402 I8402_ENABLE_A20_CMD       ; send 0xDF to I8402
        ret

这个代码实现很简单，向 0x64（I8402 write 端口）发送 0xDF 命令，这是控制 keyboard controller I8402 A20 gate 的其中一种方法。

另一种方法是：通过写 I8402 的 output 端口，直接置 I8402 的 pin 21（对应于 A20 gate line），同样来自 mouseOS 中的代码（nasm 编译器）

;-----------------------------------
; macro: WAIT_STATUS_FOR_WRITE
;-----------------------------------
%macro WAIT_STATUS_FOR_WRITE 0
%%wait_status_for_write_loop:
        IO_DELAY
        in al, I8402_STATUS_PORT
        bt rax, 1
        jc %%wait_status_for_write_loop
%endmacro

;-----------------------------------
; macro: WAIT_STATUS_FOR_READ
;-----------------------------------
%macro WAIT_STATUS_FOR_READ 0
%%wait_status_for_read_loop:
        IO_DELAY
        in al, I8402_STATUS_PORT
        bt rax, 0
        jnc %%wait_status_for_read_loop
%endmacro

;-------------------------------------------------------
; macro: WRITE_BYTE_TO_I8402
; description:
;               send byte to keyboard contrroler (I8402)
;-------------------------------------------------------
%macro WRITE_BYTE_TO_I8402 1
        WAIT_STATUS_FOR_WRITE
        mov al, %1
        out I8402_COMMAND_PORT, al
%endmacro

;------------------------------------------------------
; macro: WRITE_BYTE_TO_I8408
; description:
;               send byte to keyboard encoder (I8408)
;------------------------------------------------------
%macro WRITE_BYTE_TO_I8408 1
        WAIT_STATUS_FOR_WRITE
        mov al, %1
        out I8408_COMMAND_PORT, al
%endmacro

;------------------------------------------------------
; macro: READ_BYTE_FROM_I8408
; description:
;               read byte from keyboard encoder (I8408)
;------------------------------------------------------
%macro READ_BYTE_FROM_I8408 0
        WAIT_STATUS_FOR_READ
        in I8408_DATA_PORT
%endmacro

 

;-----------------------------------------
; __enable_a20() with 0xD0/0xD1
;-----------------------------------------
__enable_a20:
; 1: send read_output_port command to 8402 (0x64)
        WRITE_BYTE_TO_I8402 I8402_READ_OUTPUT_CMD

; 2: read byte from 8408 (0x60)
        READ_BYTE_FROM_I8408
        mov ah, al

; 3: send write_output_port command to 8402 (0x64)
        WRITE_BYTE_TO_I8402 I8402_WRITE_OUTPUT_CMD

; 4: set A20 gate line 
        mov al, ah
        or al, 2

; 5: send to data port (0x60)
        WRITE_BYTE_TO_I8408 al
        ret

在 __enable_a20() 代码中，首先向 8402 发送 read output port 命令，然后从 0x60（8408 的数据端口）读出 output port 里的数据，将其它的 bit1 置为 1。再向 8402 发出 write output port 命令，将该数据写向 0x60（8408 的 data port）。

上面的方法都是基于 keyboard controller 来实现的，这是比较正统的实现方法。一个新的 fast A20 gate 方法，但是这种方法不是通用的方法。在一些系统可能得不到正确的结果

;----------------------------------------
; macro: A20_ENABLE
; descriptor:
;            Fast A20 gate enable
;----------------------------------------
%macro A20_ENABLE 0
        in al, SYSTEM_CONTROL_PORT          ; port - 0x92
        or al, 0x02
        out SYSTEM_CONTROL_PORT, al        
%endmacro

2.6　打开 A20 gate 的必要性

打开 A20 gate 是为了在 80286/286+ 以后的 processor 上使用 protected mode 来访问完全的 24/24+ 位地址空间，如：在 32 位 protected mode 下，在不打开 A20 gate 的情况下，Bit20 为 0，导致 Bit20 留下一个空位。

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