A20 GATE解析

A20 GATE解析A20 GATE解析 1. A20 GATE起源 8086时代，CPU地址线只有A[19:0]共20根，而20根地址线所能访问的实际内存地址为0-FFFFFh，但实模式下CPU指令能访问的地址却是0-10FFEFh（即FFFF:FFFF），当访问从100000h到10FFEFh这64K-16字节地址时，实际访问的寄存器会回绕到0-FFEFh，那个时代有些程序在设计时利用了这个特性。到了80286时代，CPU地址线有A[23:0]共24根，引入保护模式后可以访问的内存地址扩展到0-FFFFFFh（16MB...

A20 GATE解析 1. A20 GATE起源 8086时代，CPU地址线只有A[19:0]共20根，而20根地址线所能访问的实际内存地址为0-FFFFFh，但实模式下CPU指令能访问的地址却是0-10FFEFh（即FFFF:FFFF），当访问从100000h到10FFEFh这64K-16字节地址时，实际访问的寄存器会回绕到0-FFEFh，那个时代有些程序在设计时利用了这个特性。到了80286时代，CPU地址线有A[23:0]共24根，引入保护模式后可以访问的内存地址扩展到0-FFFFFFh（16MB），而此时为了兼容利用8086的1MB+地址回绕特性的程序，引入了A20GATE的概念。图1-1 80286 CPU的A20GATE 如图1-1，此时的CPU已经没有多余的引脚，就利用了8042 KBC Controller的一个引脚来完成这个功能，当对8042编程令A20 GATE引脚输出为低时，A20地址线被始终拉低，从而模拟8086的1MB+地址回绕特性来兼容早期的某些软件；当对8042编程令A20 GATE引脚输出为高时，A20地址线可被CPU正常驱动，从而保证进入保护模式时正常访问1MB以上的内存地址。 2. 近代的A20 GATE 引入南北桥+CPU架构后，KBC Controller通常被集成到Super I/O芯片中，同时引入Alt_A20_GATE和A20M#来实现兼容8086的A20 GATE特性。图2-1 南北桥架构的A20GATE A20M#：从南桥输出到CPU的引脚，低有效，当这个引脚有效时，CPU的A20地址线被始终拉低，模拟8086的1MB+地址回绕特性。 Alt_A20_GATE：Intel南桥中有此定义，如图2-2，又称Fast A20，由南桥来解码I/O port 92h的bit1配合KBC Controller的A20GATE引脚对A20M#进行控制，仅当I/O port 92h的bit1为0，且A20GATE引脚为低时，A20M#有效。上电或重启时，Super I/O的A20GATE信号输出为高。同时大部分Super I/O芯片也提供I/O port 92h的解码，如图2-3，当对92h的bit1写入0/1时，Super I/O输出的A20GATE信号随之变低/高。当南桥和Super I/O同时对92h解码时，南桥的优先级会高于Super I/O。图2-2 南桥芯片FAST_A20定义图2-3 Super I/O芯片FAST_A20定义注：对于主流市场来说，由于A20GATE存在的必要性越来越小，从Intel Heavedale/Lynnfield（CPU与北桥集成在一起）开始，CPU内部提供寄存器（MSR）来关闭A20M#的功能，但BIOS一般会在CPU组中做出这个选项，对于工控行业为了继续兼容某些软件，需要把该选项设成A20M#打开的状态。 3. 非常规A20 GATE设计上电后或重启后CPU运行于实模式，对于AMI Core8 BIOS代码，很快就会进入保护模式来初始化芯片寄存器，进入保护模式（Elink: PutCPUInFlatMode）之前需要打开A20 GATE，此处通常只会使用编程KBC Controller的方式来操作。 3.1 Notebook平台 Notebook平台通常没有Super I/O芯片，KBC Controller集成在EC芯片中，而A20GATE一般使用EC的GPIO来做，如果希望完全模拟常规的A20 GATE设计，则EC需要侦测开机和重启，在BIOS开始运行之前，让A20 GATE引脚变高，同时把写入60h/64h端口控制A20 GATE信号的指令解释为A20 GATE引脚的高低电平变化。如果A20 GATE在BIOS开始运行的时候一直拉低，而PutCPUInFlatMode又无法把A20 GATE打开（Port 92h的bit1上电默认值为0），会导致进入保护模式后BIOS无法正常运行下去；由于92h的bit1在INIT#有效时会被置1（见图2-2），所以可能会出现POST/DOS阶段三键重启和OS下重启不同的结果。 3.2 Legacy Free平台对于没有EC和Super I/O的设计，南桥的A20GATE信号通常只做一下上拉或下拉，对应解决方案如下，上拉：这是当前常用的一种做法，缺点是无法再通过软件方式来关掉A20（如图2-1所示，A20GATE为高令与非门输出固定），有可能导致某些软件（某些版本的Ghost或某些版本的Linux Grub）不兼容。下拉：此时BIOS需要配合更改，在PutCPUInFlatMode之前通过写92h端口把A20 GATE打开，否则会出现没打开A20 GATE就进入保护模式而导致无法正常运行下去的现象，此方案的好处是可以正常打开和关闭A20 GATE，软件兼容性好。注：软件对A20 GATE的判断和访问是通过BIOS在Runtime提供的INT 15h服务来实现的，Legacy Free的主板AMI Core8 BIOS中必须把Token GATE_A20_STATUS设为2（01h = Supported on keyboard Controller/02h = Supported on port 92.）附录 KBC Controller访问A20 GATE例程 ; Procedure: enable_8042_bit_20 ; disable_8042_bit_20 ; ; Description: This procedures will enable/disable the Gate-A20 ; line through KBC. ; ; Input: None. ; ; Output: None. enable_8042_bit_20 PROC NEAR PUBLIC mov ah, 0DFh ; Data for output port to enable A20. jmp ed_00 enable_8042_bit_20 ENDP disable_8042_bit_20 PROC NEAR PUBLIC mov ah, 0DDh ; Data for output port to disable A20. ed_00:: mov al, 0D1h out 64h, al ed_01: jcxz $+2 in al, 64h cmp al, 0FFh je kbc_not_present test al, 02h jnz ed_01 kbc_not_present: mov al, ah out 60h, al call ib_free ret disable_8042_bit_20 ENDP

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