A20线在保护模式下扮演什么角色？

Question

我正在学习x86保护模式，刚刚了解了GDT。之前我学过，在进入保护模式（即：使用所有32位地址线）之前，必须启用A20门。所以，启用A20的代码必须在16位中，对吗？ 最近当我浏览wiki.osdev网站时，发现启用A20的代码是用x86汇编语言编写的。X86汇编产生的32位操作码不能在16位模式下加载，对吗？ 如有可能，请解释一下。 谢谢。

- Panther Coder

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有16位和32位的x86汇编语言。您可以为任一模式汇编x86汇编代码。 - fuz

所生成的代码类型取决于汇编器和汇编指令以及汇编标志，同样也取决于实际使用的操作码。 - David Hoelzer

Answer 1

8086寻址模型包括一个16位段和一个16位偏移量，结合起来表示为segment * 16 + offset。
最小地址是000000h，最大地址是10ffefh。
虽然后者实际上是21位值，但CPU只有20位地址总线，因此可访问的最大地址是0fffffh¹。

超过0fffffh的地址将被简单地包装成²，因此10ffefh是0ffefh的别名。
一些程序开始依赖这一点。

当80286推出时，它有24位地址总线。
像10ffefh这样的地址不再简单地回绕了。
在当时，模拟旧行为需要太多的晶体管（10ffefh无法使用AND屏蔽），因此引入了A20掩码。

顾名思义，地址线20即第21位与8055/8042芯片中特定寄存器的特定位进行了AND运算。
BIOS会在启动时清除该位，从而强制第21位为零，以模拟旧的行为。

如果不启用A20，则每个物理地址的第21位始终为零。

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在保护模式下，可以使用平面模型启用A20，这是最接近“32位模式”的东西，但需要小心地放置代码位置。

x86汇编语言可通过告诉汇编器目标大小而同样用于生成16位或32位代码。

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¹例如，给出段0f000h和偏移0ffffh。
²第21位被简单丢弃。³ 简单来说，如果你正在编写16或32位代码。

- Margaret Bloom

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尽管你的回答中已暗示了这一点，但为了清楚起见，我还是想说一下。如果不启用A20线，所有以奇数兆字节（1024k）边界开头的内存区域都将映射到下方相邻的偶数兆字节区域。当然，其副作用是有一半的可用物理内存地址将无法访问。 - Michael Petch

能否详细解释一下，Michael Petch先生？ - Panther Coder

@PantherCoder 迈克尔表示，范围为100000h - 1FFFFFh将映射到000000h - 0FFFFFh，范围为300000h - 3FFFFFh将映射到200000h - 2FFFFFh，范围为500000h - 5FFFFFh将映射到400000h - 4FFFFFh等等。范围为000000h - 0FFFFFh、200000h - 2FFFFFh、400000h - 4FFFFFh等等不受影响。这是由于A20被强制归零，有效地使地址中的一位失效（32位->31位），从而减少了地址空间。取一个随机的32位数，看看当屏蔽第20位时会发生什么。 - Margaret Bloom

Answer 2

问题在于如果A20门关闭，第20位地址位将被设置为零。例如，如果您想访问地址0x000100ab，则实际上访问的是0x000000ab，或者如果您想访问0x06570021，则实际上访问的是0x0656021，无论您是处于保护模式还是实模式。原因是在实模式下，您可以使用段：有效地址组合FFFF:00bb生成占用超过20位的物理地址，例如0x001000ab，但8086会将其截断为0x000ab，而80286或更新版本将在A20门打开时访问0x001000ab，这对于依赖该“特性”进行包装的程序（如某些BIOS代码）非常不利。

当然，关闭A20门会完全干扰您在保护模式下超过20位地址的操作，这就是为什么在切换到保护模式时必须确保它已打开的原因。

- sannaj