（第三章 4）A20地址线

     A20地址线困惑我了很久，这篇文章终于揭开了这个谜团。详细阐述之前，我先来总结一把—— 8086/8088和80286地址转换方式一样，寻址范围不一样 。
    8086/8088和80286中“逻辑地址-->线性地址”的转换方式是一样的：segment:offset-->segment<<4+offset，而且segment和offset均只有16bit. 只不过因为8086/8088是20位地址总线，而80286是24位地址总线，故地址范围有点不一样：
        (1)8086/8088寻址范围是0~1M（在8086/8088中1M以上的extend memory地址回回绕到1M内的模值）；
    (2)80286寻址范围是0~1M~10FFEFh -->注：虽然80286有24根地址线，但实际上只用了21根，浪费了3根，这是由于寻址方式的牵制。

 

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　访问 extended memory——1M及其以上地址

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。

3　wraparound 现象——只有A0~A19上的信号有效

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！

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。

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

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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转载自：http://www.mouseos.com/arch/002.html

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