前几天看了 FreeBSD 的 Architecture Handbook （一部分），内容深入浅 出，而且竟然能和最新的 FreeBSD 代码对上！这简直就是码农文档的典范，我 差点没印出来裱在床头每天拜一拜……
咳不过这不是今天的重点。今天的重点是， handbook 里提到一件很有意思的 事情，这件事情背负着PC发展的沧桑历史（喂……），而我是第一次注意到它。
FreeBSD 的 Boot Loader 片段
上面所说的 handbook 里 提到 这样一段汇编程序：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | seta20: cli # Disable interrupts seta20.1: dec %cx # Timeout? jz seta20.3 # Yes inb $0x64,%al # Get status testb $0x2,%al # Busy? jnz seta20.1 # Yes movb $0xd1,%al # Command: Write outb %al,$0x64 # output port seta20.2: inb $0x64,%al # Get status testb $0x2,%al # Busy? jnz seta20.2 # Yes movb $0xdf,%al # Enable outb %al,$0x60 # A20 seta20.3: sti # Enable interrupts jmp 0x9010 # Start BTX |
其实就是在检查和写入 0x64 、 0x60 这两个 port [1] ，而前面的文章原文 是这样说的：
The last code block of boot1 enables access to memory above 1MB and concludes with a jump to the starting point of the BTX server
也就是说，上面除了 jmp 指令之外的代码，都是用来启用1MB以上的内存 访问的。哦原来是这样……但是等等， 0x64 和 0x60 不是 连着键盘控制器 的吗 和内存有什么关系？WTF？
| [1] | 不是 socket 监听的那个 port ，而是 inb/outb 指令操作的那个 port 哦～ |
A20地址线
“A20” 用来指代第21位地址线（因为地址线是从零开始编号的）。这一位地 址很特殊，在CPU启动之后默认总是0. 也就是说，即便CPU给地址总线发送 的物理地址是 0x101234 ，第21位地址也会被置成零，从而寻址到 0x1234 这个内存单元。
上面对 0x64 和 0x60 这两个 port 的操作，就是使 A20 地址线生效，不要 总是发个零出去……
至于 A20 为什么会被禁用，又为什么是用键盘控制器的 port 启用呢？这就要 从PC诞生之初说起了……
A20的历史
在PC刚出现的时候，CPU只有一款，那就是 8086 ,因为它和后续的 8088 既便宜又耐操，所以很快流行起来。这颗CPU有16位的寄存器，但是却有20条 地址线 [2] ，所以 Intel 发明了臭名昭著的用段寄存器访问更多内存的方 法。
举个例子， abcd:1234 这个地址（16进制），冒号前面的是段寄存器的值， 后面的是程序中访问的地址，那么真正的物理地址计算方法是 0xabcd * 0x10 + 0x1234 = 0xacf04 . 这是个20位的地址，刚好可以用在 8086的地址总线上。
这个计算方式有个很微妙的问题： ffff:ffff 这个最大的地址映射到物理地 址 0x10ffef ，TMD都超过20位了…… Intel 的解决方法是装作没看见第21位， 将这个地址当作 0xffef 去访问……
所以，当时的程序是可以通过访问 1MB 以上的地址，来获得物理地址 0xffef 之前的数据的；也真有程序利用了这一点，从而省掉载入段寄存器的操作。
接下来 Intel 与时俱进推出了80286，它还是16位的CPU，但是地址总线一下子 扩展到24位，所以CPU不能再对第21位地址视而不见了。当新的程序访问 ffff:ffff 这个地址时，它有可能是真的想访问物理地址 0x10ffef ；但是当 旧的程序访问 ffff:ffff 时，它肯定是想要访问 0xffef .
由于兼容旧程序是抢占市场的重要手段 [3] ， Intel 决定让80286默认以 8086一样的行为工作，也就是对第21位地址视而不见，总是将 A20 置为零。 当程序确定它想要访问 1MB 以上的内存时，再通过特定的方式打开 A20.
而这个特定的方式——不知道当时 Intel 那帮人怎么想的——就是用键盘控制器 上多出来的一个状态位。据说原因就是，有人发现那一位刚.好.多.出.来.了……
于是就出现了 boot loader 里捣鼓 0x64 和 0x60 这两个 port 的代码。
| [2] | 地址线比寄存器位数多是个传统；有人知道几乎所有的32位 x86 CPU 都有36条地址线么……不过貌似64位的CPU还没到要遵守这个传统的时候XD |
| [3] | 这也是个传统，AMD大获成功的64位架构也是和32位x86兼容的 |
A20的未来
A20的特殊性估计还会随着x86架构继续存在一段时间，因为虽然已经没有程序 会通过 ffff:ffff 地址去访问 0xffef 了，但是几乎所有现代操作系统都会 在启动阶段特意去启用A20.
由于启用 A20 这个操作实在太恶心了，其实也有人想过别的方法，像是用其他 的专用 port ，或是将启用 A20 的操作内置到 BIOS 中。可惜的是这些方法 最后都没有被统一，操作系统们也只好用最古老、最保守的 0x64 、 0x60 port 了。
一个小细节
前面说 80286 有24条地址线，但它还是16位CPU，那怎么访问 ffff:ffff 之后 的内存？这个地址换算成物理地址是 0x10ffef ，也就1MB多一点，最高3位的 地址线 A21 、 A22 、 A23 不就没用了？
没错，在“实模式”下，即使有24条地址线， 80286 也只能访问1MB多一点的内存。 Intel 在 80286 身上想要挽回 8086 时期使用段寄存器寻址的错误，推出了 “保护模式”，在保护模式下，CPU可以通过 页表 将16位虚拟内存地址映射到 24位物理地址，所以可以利用所有24位的地址空间。基本上所有现代操作系统都 工作在保护模式或者与其相似的 “长模式” 下，当CPU地址线增加的时候 操作系统只需要更改页表的格式，而且对非法地址的访问会被作为异常处理掉， 所以自 80286 以来再也没有出现过类似 A20 的问题。