Gate A20与保护模式

Gate A20与保护模式

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。

下面我们来看一下PC机是怎么实现A20 Gate的。

早期的PC机，控制键盘有一个单独的单片机8042，现如今这个芯片已经给集成到了其它大片子中，但其功能和使用方法还是一样，当PC机刚刚出现

A20 Gate的时候，估计实在找不到控制它的地方了，同时为这点小事也不值得增加芯片，于是工程师使用这个8042键盘控制器来控制A20 Gate，但A20 Gate 真的和键盘一点关系也没有，我们先从软件的角度简单介绍一下8042这个芯片。

8042有4个寄存器

•1个8-bit长的Input buffer；Write-Only；

•1个8-bit长的Output buffer；Read-Only；

•1个8-bit长的Status Register；Read-Only；

•1个8-bit长的Control Register；Read/Write。

有两个端口地址：60h和64h。

•读60h端口，读output buffer

•写60h端口，写input buffer

•读64h端口，读Status Register

对Control Register的操作相对要复杂一些，首先要向64h端口写一个命令（20h为读命令，60h为写命令），然后根据命令从60h端口读出Control Register 的数据或者向60h端口写入Control Register的数据（64h端口还可以接受许多其它的命令）。

先来看看Status Register的定义，我们后面要用bit 0和bit 1：

bit meaning

-----------------------------------------------------------------------

0 output register (60h) 中有数据

1 input register (60h/64h) 有数据

2 系统标志（上电复位后被置为0）

3 data in input register is command (1) or data (0)

4 1=keyboard enabled, 0=keyboard disabled (via switch)

5 1=transmit timeout (data transmit not complete)

6 1=receive timeout (data transmit not complete)

7 1=even parity rec'd, 0=odd parity rec'd (should be odd)

除了这些资源外，8042还有3个内部端口：Input Port、Outport Port和Test Port，这三个端口的操作都是通过向64h发送命令，然后在60h进行读写的方式完成，其中本文要操作的A20 Gate被定义在Output Port的bit 1上，所以我们有必要对Outport Port的操作及端口定义做一个说明。