打开A20地址线

3.4.2 打开A20地址线

回到go_to_protected_mode()的110行，调用一个enable_a20()函数。这里又用到“PC汇编及BIOS编程”的知识了。PC及其兼容机的第21根地址线(A20)较特殊，这就是“Intel 80286工作模式” 提到的PC中安排的一个“门”控制该地址线是否有效。到了80286，系统的地址总线有原来的20根发展为24根，这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。Intel在设计80286时提出的目标是向下兼容。所以，在实模式下，系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样，也就是说，在实模式下，80286以及后续系列，应该和8086/8088完全兼容。但最终，80286芯片却存在一个BUG：因为有了80286有A20线，如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存，而不是象8086/8088一样从0开始。我们来看一副图：

为了解决上述兼容性问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线（从0开始数是第20根） 的有效性，被称为A20 Gate：

 

1 如果A20 Gate被打开，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；

 

2 如果A20 Gate被禁止，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式即取模方式（8086仿真）。绝大多数IBM PC兼容机默认的A20 Gate是被禁止的。现在许多新型PC上存在直接通过BIOS功能调用来控制A20 Gate的功能。

 

上面所述的内存访问模式都是实模式，在80286以及更高系列的PC中，即使A20 Gate被打开，在实模式下所能够访问的内存最大也只能为10FFEFH，尽管它们的地址总线所能够访问的能力都大大超过这个限制。为了能够访问10FFEFH以上的内存，则必须进入保护模式。

 

那么，如何打开这个“门”呢？这就是enable_a20()函数干的事情，来自

linux/arch/x86/boot/a20.c：

 

/*  125 * Actual routine to enable A20; return 0 on ok, -1 on failure  126 */  127  128#define A20_ENABLE_LOOPS 255    /* Number of times to try */  129  130int enable_a20(void)  131{  132       int loops = A20_ENABLE_LOOPS;  133       int kbc_err;  134  135       while (loops--) {  136               /* First, check to see if A20 is already enabled  137                  (legacy free, etc.) */  138               if (a20_test_short())  139                       return 0;  140                141               /* Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401) */  142               enable_a20_bios();  143               if (a20_test_short())  144                       return 0;  145                146               /* Try enabling A20 through the keyboard controller */  147               kbc_err = empty_8042();  148  149               if (a20_test_short())  150                       return 0; /* BIOS worked, but with delayed reaction */  151         152               if (!kbc_err) {  153                       enable_a20_kbc();  154                       if (a20_test_long())  155                               return 0;  156               }  157                158               /* Finally, try enabling the "fast A20 gate" */  159               enable_a20_fast();  160               if (a20_test_long())  161                       return 0;  162       }  163        164       return -1;  165}

 

enable_a20()函数返回0，则直接到go_to_protected_mode的116行，否则重启。下面重点来分析一下enable_a20()函数。函数首先进行一个最大循环为255次的有限循环中。然后不断调用探测函数a20_test_short()和a20_test_long()：

 

/* Returns nonzero if the A20 line is enabled.  The memory address   50   used as a test is the int $0x80 vector, which should be safe. */   51   52#define A20_TEST_ADDR   (4*0x80)   53#define A20_TEST_SHORT  32   54#define A20_TEST_LONG   2097152 /* 2^21 */   55   56static int a20_test(int loops)   57{   58        int ok = 0;   59        int saved, ctr;   60   61        set_fs(0x0000);   62        set_gs(0xffff);   63   64        saved = ctr = rdfs32(A20_TEST_ADDR);   65   66        while (loops--) {   67                wrfs32(++ctr, A20_TEST_ADDR);   68                io_delay();     /* Serialize and make delay constant */   69                ok = rdgs32(A20_TEST_ADDR+0x10) ^ ctr;   70                if (ok)   71                        break;   72        }   73   74        wrfs32(saved, A20_TEST_ADDR);   75        return ok;   76}   77   78/* Quick test to see if A20 is already enabled */   79static int a20_test_short(void)   80{   81        return a20_test(A20_TEST_SHORT);   82}   83   84/* Longer test that actually waits for A20 to come on line; this   85   is useful when dealing with the KBC or other slow external circuitry. */   86static int a20_test_long(void)   87{   88        return a20_test(A20_TEST_LONG);   89}

 

一路走来的同志们看这些代码应该不难，就是用fs配合gs来测试A20 Gate是否被打开。我们在之前已经提到，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;   94   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   20   21static int empty_8042(void)   22{   23        u8 status;   24        int loops = MAX_8042_LOOPS;   25        int ffs   = MAX_8042_FF;   26   27        while (loops--) {   28                io_delay();   29   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        }   45   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}

 

这个函数是个熟面孔，在我们的博文“保护模式编程实例”中，那个EnableA20汇编宏就是干的这么一个事情，将0x92端口的D1位置位。

 

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。