A20地址线

来源：互联网发布：java定义长整型编辑：程序博客网时间：2024/04/30 01:56

void go_to_protected_mode(void){/* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */realmode_switch_hook();/* Move the kernel/setup to their final resting places */move_kernel_around();/* Enable the A20 gate */if (enable_a20()) {puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");die();}/* Reset coprocessor (IGNNE#) */reset_coprocessor();/* Mask all interrupts in the PIC */mask_all_interrupts();/* Actual transition to protected mode... */setup_idt();setup_gdt();protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,    (u32)&boot_params + (ds() << 4));}

上面是内核从实模式进入保护模式的代码，其中调用enable_a20()函数以打开A20地址线，A20地址线是什么呢？这是本文的重点。先了解一些历史。

8086/8088 PC中，地址总线只有20根，最大的寻址能力只有1M，在实模式下，内存寻址采用16位段和偏移量的组合来寻址（注意这里的最大寻址空间：FFFF0+FFFF=10FFEF)，因为地址线只有20，所以如果寻址地址在100000以上时，就采用取模的方式，返回地址。到了80286的时候，地址总线变为24根，这样最大的寻址能力就有16M了，如果此时向下兼容，就会有一个问题：寻址在100000以上时，实际的物理内存是存在的，因为内存寻址最大都可以到16M，但在8086时，从0开始（取模）寻址。

如下图

为了解决这个问题，用第21根线（就是A20）来控制是否允许对100000以上的实际内存就行寻址。称为A20 Gate

如果A20 Gate开启，那么对0x100000-0x10FFEF之间的地址进行寻址时，系统访问实际的地址对应的物理内存。
如果A20 Gate被禁用，则对0x100000-0x10FFEF之间的地址进行寻址时，还是取模，从0开始访问内存。

系统开机CPU复位时，自动进入实地址模式，A23～A20自动置为0，以 A19～A0寻址1M的存储空间。就算是A20 Gate打开，也不能对100000以上的内存进行寻址，要对以上内存进行寻址，必须进入保护模式。现在准备进入保护模式，所以把A20 Gate打开。

int enable_a20(void){int loops = A20_ENABLE_LOOPS;#if defined(CONFIG_X86_ELAN)/* Elan croaks if we try to touch the KBC */enable_a20_fast();while (!a20_test_long());return 0;#elif defined(CONFIG_X86_VOYAGER)/* On Voyager, a20_test() is unsafe? */enable_a20_kbc();return 0;#elsewhile (loops--) {/* First, check to see if A20 is already enabled   (legacy free, etc.) */if (a20_test_short())return 0;/* Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401) */enable_a20_bios();if (a20_test_short())return 0;/* Try enabling A20 through the keyboard controller */empty_8042();if (a20_test_short())return 0; /* BIOS worked, but with delayed reaction */enable_a20_kbc();if (a20_test_long())return 0;/* Finally, try enabling the "fast A20 gate" */enable_a20_fast();if (a20_test_long())return 0;}return -1;#endif}

这个函数具体的就不分析了，引用一个高人分析的结果：

如果A20 Gate被打开了，则在实模式下，程序员可以直接访问100000H~10FFEFH之间的内存，如果A20 Gate被禁止，则在实模式下，若程序员访问100000H~10FFEFH之间的内存，则会被硬件自动转换为0H~0FFEFH之间的内存，所以我a20_test函数就是利用这个差异来检测A20 Gate是否被打开。

首先，61、62行，把fs和gs的值分别设置为0x0000和0xffff。然后64行调用rdfs32函数得到0000: 4*0x80的内容并存放到32位的临时变量saved和ctr中。4*0x80=0x200，所以saved和ctr中存放的是内存地址0x200处的值。对应内核映像解压缩后的内存布局，我们知道这个地址属于BIOS的一些数据存放的区域，虽然我不知道这个地址到底是存的什么数据，但是可以肯定的是，这个数据可以随意修改，来做我们的A20测试的。

67行进入循环，使ctr加1，具体等于多少不知道，把这个32位的值写入0000: 4*0x80对应的内存单元中。69行，“^”是按位异或运算符，即如果ffff: 4*0x80+0x10内存单元存放的值与ctr相等，则说明有可能刚刚写入的ctr其实是写入的0000: 4*0x80内存单元。注意，ffff: 4*0x80+0x10换算实模式地址就是ffff0+4*0x80+0x10=0x100200，不过也不排除偶然的情况，这两个内存单元相等。所以继续循环，修改一下ctr的值，多试几次。

74行，跳出循环后，你刚才给人家0x200的地址对应的内存修改了数据，得给人家改回去啊，最后返回ok。如果执行了loops次这个ok都是0，就说明A20肯定没有打开。

回到enable_a20函数，如果bootloader没有已经关闭了A20的话（grub是肯定关闭了的），也就是第一个a20_test_short()没有成功，试试142行enable_a20_bios()：

91static void enable_a20_bios(void)

92{

93 struct biosregs ireg;

95 initregs(&ireg);

96 ireg.ax = 0x2401;

97 intcall(0x15, &ireg, NULL);

98}

嗯，没问题，调用BIOS的15号服务程序，打开A20。如果没成功，执行147行代码：

18#define MAX_8042_LOOPS 100000

19#define MAX_8042_FF 32

21static int empty_8042(void)

22{

23 u8 status;

24 int loops = MAX_8042_LOOPS;

25 int ffs = MAX_8042_FF;

27 while (loops--) {

28 io_delay();

30 status = inb(0x64);

31 if (status == 0xff) {

32 /* FF is a plausible, but very unlikely status */

33 if (!--ffs)

34 return -1; /* Assume no KBC present */

35 }

36 if (status & 1) {

37 /* Read and discard input data */

38 io_delay();

39 (void)inb(0x60);

40 } else if (!(status & 2)) {

41 /* Buffers empty, finished! */

42 return 0;

43 }

44 }

46 return -1;

47}

0x64号端口号对应的是键盘控制器（keyboard controller, KBC）的状态寄存器，首先30行获得该控制器的状态值，保存到内部变量status中。status不能为0xff，否则出错返回。其次，status的最低位D0如果被设置，则说明键盘缓存中还有数据，则通过inb(0x60)从键盘缓存对应的端口读出来，并且置空。

介绍一下键盘控制器：主板的一个芯片。通过LPC总线和南桥相连。一般作用：键盘控制、LCD明暗度的调节、低级电源的管理、风扇、蓝牙等一些小功能。

注意这个逻辑关系，如果键盘缓存中没有内容，并且status的次低位D1不为1，则说明键盘缓存是空的，这时候empty_8042返回0，enable_a20再一次检测一下BIOS然后来到了153行，调用enable_a20_kbc()函数，利用键盘控制器来尝试打开A20：

100static void enable_a20_kbc(void)

101{

102 empty_8042();

103

104 outb(0xd1, 0x64); /* Command write */

105 empty_8042();

106

107 outb(0xdf, 0x60); /* A20 on */

108 empty_8042();

109

110 outb(0xff, 0x64); /* Null command, but UHCI wants it */

111 empty_8042();

112}

如果还打不开A20，没辙了，就来到enable_a20()的159行进行最后的努力，调用enable_a20_fast()函数。

114static void enable_a20_fast(void)

115{

116 u8 port_a;

117

118 port_a = inb(0x92); /* Configuration port A */

119 port_a |= 0x02; /* Enable A20 */

120 port_a &= ~0x01; /* Do not reset machine */

121 outb(port_a, 0x92);

122}

注意这个enable_a20_fast，基于x86的主板都提供0x92端口来作为一个主板控制寄存器，所以，如果这个函数执行后都还是打不开A20的话，那也就没辙了，只好放弃。

后面部分来源：http://blog.csdn.net/yunsongice/article/details/6110648