A20地址线小记

最初的处理器因为只有20根地址线，因此处理器只能寻址2^20B（=1MB）的物理地址空间，如果地址超过1MB范围，就会发生“地址回环”

例如：指令jmp FFFFh:FFFFh，跟据实模式下寻址原理，将跳转到FFFFh<<4+FFFFh=10FFEFh，因为10FFEFh超过了100000h的寻址范围，所以地址被强制回环到1MB以下，即10FFEFh-100000h=FFEFh

当然，随着处理器寻址能力的不断增强，20根地址线已经无法满足今后的开发需求，为了保证硬件平台的向下兼容性，便出现了一个控制或禁止1MB以上地址空间的开关

这种设计从Intel 80386之后出现，这是由IBM PC XT首先设计的一种模拟系统，它可以通过欺骗手段访问到1MB以上的地址空间，而不需要进入保护模式——向键盘控制器8042发送命令

键盘控制器8042在接收到命令后将它的P21引脚（输出端口P2）置高电平。此时处理器将A20地址线和键盘控制器的这个输出端口的进行AND操作，进而控制A20地址线的打开和关闭。键盘控制器的这个引脚因此得名A20 Gate

键盘控制器8042即Intel 8042芯片，位于主板上，CPU通过IO端口直接与这个芯片进行通信，对应的IO端口为0x60。但向该端口写入数据的方法比较复杂，0x60是一个只读端口，不能使用IN/OUT指令直接操作0x60端口，需要涉及0x64端口。其中，0x60端口的位1用于影响A20【需要注意的是，处理器的“IO端口”和键盘控制器的“输出端口”中的“端口”为不同概念，前者本质上是一种物理地址，而后者本质上是引脚的别名】

但是涉及IO设备的操作不仅会引起忙等待，而且需要的指令数量也多，因此从Intel 80486开始，处理器本身引入了A20M#（A20 Mask）引脚，低电平有效

同时，除了端口号0x60可以影响A20寻址，端口0x92也用于A20寻址，被称作“替代的A20门控制”（Alternate A20 Gate，ALT_A20_GATE）。其中，0x92端口的位0用于计算机重启，位1用于影响A20地址线。与0x60不同，0x92可以直接使用IN/OUT指令进行修改，方便快捷，因此也被称作Fast A20。0x60和0x92的位1进行或运算后连接到A20M#引脚，用于控制A20地址线的开启和关闭

机器在上电时，默认情况下A20地址线是被禁用的，常见的打开方式有如下几种：
1、操作键盘控制器【即上文中的0x60端口】
2、A20快速门【即上文中的0x92端口】
3、BOIS中断服务操作，使用INT 15h，ax=2401h来开启A20地址线，ax=2400h来关闭地址线
4、读0xee端口开启地址线，写0xee端口禁止地址线

A20的开启会对实模式和保护模式的下寻址产生影响影响，以下讨论均基于Intel 80386之后的处理器

在实模式下，处理器的寻址仅涉及CS和IP两个寄存器，即CS<<4+IP，对应的线性地址为0h-10ffefh。当A20地址线处于关闭状态时，A20强制置0，此时实际寻址范围为0h-fffffh。但当A20处于打开状态，A20可以接受来自A19的进位，此时实际寻址范围为0h-10ffefh

在保护模式下，处理器寻址是基于段选择子和段描述符，段描述符中段基地址32bit，段限长20bit，理论最大寻址范围为0h-1000fffefh。当A20地址线处于关闭状态时，经过计算的地址的第21位被强制置0，导致处理器无法寻址MB为奇数的任何线性地址。例如，对于0x000100ab，将会被强制转换为0x000000ab。需要注意的是，该操作影响寻址的原理是影响线性地址，而不是影响虚拟地址。当然，A20处于打开状态，就没有任何影响了