A20总线

A20总线

什么是A20总线

1981年8月，IBM公司最初推出的个人计算机IBM PC使用的CPU是Intel8088。在该微机中地址线只有20根(A0 – A19)。在当时，内存RAM只有几百KB或不到1MB时，20根地址线已足够用来寻址这些内存。

在8086/8088中，有20根地址总线，所以可以访问的地址是2^20=1M，但由于8086/8088是16位地址模式，能够表示的地址范围是0-64K，所以为了在8086/8088下能够访问1M内存，Intel采取了分段的模式：16位段基地址:16位偏移。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。

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）。可是在8086/8088中，当程序给出超过1M（100000H-10FFEFH）的地址时，系统并不认为其访问越界而产生异常，而是自动从重新0开始计算，环绕到0FFEFh，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。

1985年，当IBM公司引入AT机时，使用的是Intel 80286 CPU，具有24根地址线(A0-A23)，最高可寻址16MB，并且有一个与8088完全兼容的实模式运行方式。然而，在寻址值超过1MB时它却不能象8088那样实现地址寻址的环绕。

但是当时已经有一些程序是利用这种地址环绕机制进行工作的。为了实现完全的兼容性，IBM公司发明了使用一个开关(逻辑门)来开启或禁止100000h地址比特位。由于在当时的8042键盘控制器上恰好有空闲的端口引脚（输出端口P2，引脚P21），于是便使用了该引脚来作为与门控制这个地址比特位。该信号即被称为A20门。如果A20为零，则比特20及以上地址都被清除。从而实现了兼容性。毕竟A20Gate和键盘操作没有任何关系，在许多新型PC上存在着一种通过芯片来直接控制A20 Gate的BIOS功能。从性能上，这种方法比通过键盘控制器来控制A20Gate要稍微高一点。

当A20被禁止时：程序员给出100000H~10FFEFH间的地址，80286和8086/8088 的系统表现是一致的，即按照对1M求模的方式进行寻址，满足系统升级的兼容性问题；

当A20被开启时：程序员给出的100000H~10FFEFH间的地址，80286是访问的真实地址，而8086/8088是始终是按照对1M求模的方式进行的（这里注意，是始终）。

实模式就是， 为了实现系统升级的兼容性，如80286的系统表现（包括80286以后的CPU）要与8086/8088 的系统表现一致，就需要80286 CPU访问100000H-10FFEFH之间的地址的时候， 按照对1M求模的方式进行， 无论A20地址线开启关闭与否， 这种内存访问情况 称为实模式。

保护模式就是， 以A20地址线开启为前提，80286 CPU访问100000H-10FFEFH之间的地址的时候， 是访问真实的内存地址，不是求模访问，如访问100001H，就是真真切切地 访问 0x 100001H，而不是求模的 0x000001H 地址， 这种内存访问情况称为保护模式；

如果A20Gate被禁止：对于80286来说，其地址为24bit，其地址表示为EFFFFF；对于80386极其随后的32-bit芯片来说，其地址表示为FFEFFFFF。这种表示的意思是如果A20Gate被禁止，则其第20-bit在CPU做地址访问的时候是无效的，永远只能被作为0；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。

所以，在保护模式下，如果A20 Gate被打开，则可以访问的内存则是连续的；如果A20Gate被禁止，则可以访问的内存只能是偶数段，因为是20位（从0始）总为零，所23~20位只能是0000、0010、0100、0110、1000、1010、1100、1110对应十六进制为0、2、4、6、8、A、C、E。对应的十六进制地址段是000000-0FFFFF，200000-2FFFFF，400000-4FFFFF…。

A20地址线并不是打开保护模式的关键，只是在保护模式下，不打开A20地址线，你将无法访问到所有的内存。

A20总线启动流程

1. 禁止中断；

2. 等待，直到8042 Inputbuffer为空为止；

3. 发送禁止键盘操作命令到8042Input buffer；

4. 等待，直到8042 Inputbuffer为空为止；

5. 发送读取8042 OutputPort命令；

6. 等待，直到8042 Outputbuffer有数据为止；

7. 读取8042 Outputbuffer，并保存得到的字节；

8. 等待，直到8042 Inputbuffer为空为止；

9. 发送Write 8042Output Port命令到8042 Input buffer；

10. 等待，直到8042 Inputbuffer为空为止；

11. 将从8042 OutputPort得到的字节的第2位置1（OR 2），然后写入8042 Input buffer；

12. 等待，直到8042 Inputbuffer为空为止；

13. 发送允许键盘操作命令到8042Input buffer；

14. 打开中断。