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DOS编程技术

讨论在纯DOS下的编程技术

 
 
 

日志

 
 
关于我

1984年大学毕业,1985年底有机会开始接触PC机,1986年开始在PC机上做开发工作,曾接触过MS-DOS、CP/M、UNIX、VMS、LINUX、iRMX等众多的操作系统并在上面从事技术开发,擅长做底层与硬件相关的软件开发,目前主要在DOS和LINUX平台下工作,主要从事软件,在硬件开发上也有一定造诣,亦有在8051系列、6502系列(凌阳)、z80系列、ARM、X86等各类平台下开发软硬件的经历。更详细情况可以参考http://resume.whowin.net

关于A20 Gate  

2009-01-14 16:22:49|  分类: 保护模式 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    本来想直接写一篇关于保护模式的文章,因为有一位读者不断地问我这个问题,随着问题的深入,在评论上回答这个问题实在是太困难了,动起笔来,发现涉及的事情太多,免不了又是长篇大论惹人烦,而且要写很长时间,不知道我能不能把它写完,所以干脆把一些问题分离出来写,或许还可以坚持写出来。

    在许多PC的CMOS设置里,都有一项叫做“A20 Enable“的设置,不知道大家是否就此设置困惑过,这个A20是什么呢?

    说A20则不得不说PC机的内存,我尽量用简短的语言说明白PC机内存的一些独有的术语,在我刚接触PC机的时候(1985年前后),如果你的机器有一块10M或者20M的硬盘,那已经是一台不错的机器,如果你的机器有256K的内存,那绝对是高配置,那时候还没有3.5"的软盘,都是使用5"的容量仅360K的软盘,所以那个时候,设计IBM PC的IBM公司非常自信地认为,1M内存是一个根本达不到的天文数字,我想由于这种思想的作怪(我猜的),IBM非常愚蠢地把PC机1M存储空间的最上面的384K用作了ROM和系统设备,这种设计给现在的PC机的内存结构埋下了麻烦的伏笔,如果当初IBM把PC机的1M存储空间的最下面的384K用作ROM和系统设备,可能现在就会少好多麻烦,这个后面说。

    写到这里的时候,我想起了许多事,大家是否知道我国的第一台电子计算机是什么型号?是什么样子?是1958年生产的103机,后来又有了全晶体管的电子计算机,很荣幸的是,在我工作过的单位里,曾经有过这么一台全晶体管的电子计算机,就是那种使用穿孔纸带输入计算机程序,占地好几百平方米,一旦开动需要几十人进行维护的家伙,我到这个单位的时候,这台机器早已不再运转的,80年代的时候,我有幸参加了这台机器的拆解工作,给我印象最深的是,我终于看到了当时在教科书里说的“磁鼓”(估计现在的教科书里也没有了),一种看上去像筛子一样的东西,那就是当年的存储器,用于在纸带上打孔进行程序输入的穿孔机我用过,样子很像老式的英文打字机。还有那种8英寸的软盘,估计现在也很少有人见过了。

    好了言归正传,大家都知道,8088/8086只有20位地址线,按理它的寻址空间是2^20,应该是1024KB,但PC机的寻址结构是segment:offset,segment和offset都是16位的寄存器,最大值是0ffffh,换算成物理地址的计算方法是把segment左移4位,再加上offset,所以segment:offset所能表达的寻址空间最大应为0ffff0h + 0ffffh = 10ffefh(前面的0ffffh是segment=0ffffh并向左移动4位的结果,后面的0ffffh是可能的最大offset),这个计算出的10ffefh是多大呢?大约是1088KB,就是说,segment:offset的地址表达能力,超过了20位地址线的物理寻址能力,你说这是不是有点麻烦。在早先,由于所有的机器都没有那么大的内存,加上地址线只有20位,所以当你用segment:offset的方式企图寻址100000h这个地址时,由于没有实际的第21位地址线,你实际寻址的内存是00000h的位置,如果你企图寻址100001h这个地址时,你实际得到的内容是地址00001h上的内容,所以这个事对实际使用几乎没有任何影响,但是后来就不行了,出现了80286,地址线达到了24位,使segment:offset寻址100000h--10ffefh这将近64K的存储器成为可能,为了保持向下兼容,于是出现了A20 Gate,这是后话,我们后面再细说。

    我们可能经常听到一些只有在PC机上才有的一些关于存储器的专有名词,包括:常规内存(Conventional Memory)、上位内存区(Upper Memory Area)、高端内存区(High Memory Area)和扩展内存(Extended Memory),我尽量把这几个东东说明白,这需要下面这张著名的图。

关于A20 Gate - whowin - DOS编程技术

    这张图很清楚地说明了问题,大家都知道,DOS下的“常规内存”只有640K,这640K就是从0--A0000H这段地址空间;所谓“上位内存区”,指的就是20位地址线所能寻址到的1M地址空间的上面384K空间,就是从A0001H--100000H这段地址空间,也就是我们说的用于ROM和系统设备的地址区域,这384K空间和常规内存的640K空间加起来就是20位地址线所能寻址的完整空间1024KB;由于80286和80386的出现使PC机的地址线从20位变成24位又变成32位,寻址能力极大地增加,1M以上的内存寻址空间,我们统称为“扩展内存”;这里面绝大部分内存区域只能在保护模式下才能寻址到,但有一部分既可以在保护模式下,也可以在实模式下寻址,这就是我们前面提到过的地址100000h--10ffefh之间的这块内存,为了表明其特殊性,我们把这块有趣的内存区叫做“高端内存”。

    前面我们提过由于IBM的愚蠢设计给PC机的内存结构埋下了麻烦的伏笔,现在我们来说说这个麻烦。我们都见过PC机上的内存条,但是由于上位内存区的存在,这个内存条上的地址居然不能连续,就是说,这个内存条上要有0--A0000H的地址空间,还要有100000h--最大内存容量的地址空间,中间的384K地址空间必须留出来给ROM用,在现如今一个芯片就好几兆的情况下,你说这个内存条应该怎么做,当然我相信一定是可以做出来的,但肯定很麻烦,如果当初IBM把这个“上位内存区”放在地址低端,就是0--6000h这一部分,岂不是这个麻烦就没有了?!

    但是,实际的内存条上地址都是连续的,并没有人把这段地址空间留出来给ROM使用,原因很简单,采用技术手段把这段地址空间空出来,比浪费这384K内存的成本还要高,所以在这个地址区域就出现了很奇怪的现象,ROM和RAM的地址重叠。 实际上,往往ROM并不能完全覆盖整个384K区域,这样就会有一些地址没有被ROM占用,那么这部分地址上的RAM仍然是可以使用的。实际上,和ROM重叠的这384K RAM一般也不会被浪费,说到这里,不得不说所谓的ROM Shadowing了,RAM和ROM的性能是有很大差异的,RAM的存取速度要远远大于ROM,而且RAM可以32位存取,ROM通常只能16位,所以目前的PC机对这块RAM和ROM重叠的区域的处理采用一种ROM Shadowing的技术方式,当机器加电后,先让ROM有效,RAM无效,然后读出ROM内容,再让ROM无效,RAM有效,把读出的ROM内容放到相同地址的RAM中,并把相应位置的RAM设定为只读,这样就把ROM搬到了RAM中,地址完全一样,只是性能比使用ROM要高些,这块RAM就好像ROM的Shadow一样。

    回到我们的主题A20 Gate,出现80286以后,为了保持和8086的兼容,PC机在设计上在第21条地址线(也就是A20)上做了一个开关,当这个开关打开时,这条地址线和其它地址线一样可以使用,当这个开关关闭时,第21条地址线(A20)恒为0,这个开关就叫做A20 Gate,很显然,在实模式下要访问高端内存区,这个开关必须打开,在保护模式下,由于使用32位地址线,如果A20恒等于0,那么系统只能访问奇数兆的内存,即只能访问0--1M、2-3M、4-5M......,这显然是不行的,所以在保护模式下,这个开关也必须打开。

    下面我们来看一下PC机是怎么实现A20 Gate的。

     早期的PC机,控制键盘有一个单独的单片机8042,现如今这个芯片已经给集成到了其它大片子中,但其功能和使用方法还是一样,当PC机刚刚出现A20 Gate的时候,估计实在找不到控制它的地方了,同时为这点小事也不值得增加芯片,于是工程师使用这个8042键盘控制器来控制A20 Gate,但A20 Gate真的和键盘一点关系也没有,我们先从软件的角度简单介绍一下8042这个芯片。

    8042有4个寄存器

  • 1个8-bit长的Input buffer;Write-Only;

  • 1个8-bit长的Output buffer; Read-Only;

  • 1个8-bit长的Status Register;Read-Only;

  • 1个8-bit长的Control Register;Read/Write。

    有两个端口地址:60h和64h。

  • 读60h端口,读output buffer
  • 写60h端口,写input buffer
  • 读64h端口,读Status Register

    对Control Register的操作相对要复杂一些,首先要向64h端口写一个命令(20h为读命令,60h为写命令),然后根据命令从60h端口读出Control Register的数据或者向60h端口写入Control Register的数据(64h端口还可以接受许多其它的命令)。

    先来看看Status Register的定义,我们后面要用bit 0和bit 1:

    bit    meaning
    -----------------------------------------------------------------------
     0     output register (60h) 中有数据
     1     input register (60h/64h) 有数据
     2     系统标志(上电复位后被置为0)
     3     data in input register is command (1) or data (0)
     4     1=keyboard enabled, 0=keyboard disabled (via switch)
     5     1=transmit timeout (data transmit not complete)
     6     1=receive timeout (data transmit not complete)
     7     1=even parity rec'd, 0=odd parity rec'd (should be odd)

    除了这些资源外,8042还有3个内部端口:Input Port、Outport Port和Test Port,这三个端口的操作都是通过向64h发送命令,然后在60h进行读写的方式完成,其中本文要操作的A20 Gate被定义在Output Port的bit 1上,所以我们有必要对Outport Port的操作及端口定义做一个说明。

  • 读Output Port
    向64h发送0d0h命令,然后从60h读取Output Port的内容
  • 写Output Port
    向64h发送0d1h命令,然后向60h写入Output Port的数据

    另外我们还应该介绍两个命令:

  • 禁止键盘操作命令
    向64h发送0adh
  • 打开键盘操作命令
    向64h发送0aeh

    有了这些命令和知识,我们可以考虑操作A20 Gate了,有关8042芯片更详细的资料,请参考该芯片的Data Sheet。

     如何打开和关闭A20 Gate。

    理论上讲,我们只要操作8042芯片的输出端口(64h)的bit 1,就可以控制A20 Gate,但实际上,当你准备向8042的输入缓冲区里写数据时,可能里面还有其它数据没有处理,所以,我们要首先禁止键盘操作,同时等待数据缓冲区中没有数据以后,才能真正地去操作8042打开或者关闭A20 Gate。打开A20 Gate的具体步骤大致如下:

    1.关闭中断;
    2.等待8042 Input buffer为空;
    3.发送禁止键盘操作命令
    4.等待8042 Input buffer为空;
    5.发送读取8042 Output Port命令;
    6.等待8042 Output buffer有数据;
    7.读取8042 Output buffer,并保存得到的字节;
    8.等待8042 Input buffer为空
    9.发送Write 8042 Output Port命令到8042 Input buffer
    10.等待8042 Input buffer为空;
    11.将从8042 Output Port得到的字节的第2位置1(或清0),然后写入8042 Input buffer
    12.等待,直到8042 Input buffer为空为止;
    13.发送允许键盘操作命令到8042 Input buffer;
    14. 打开中断。

    下面是完成打开A20 Gate的代码:

    A20Enable:
                cl
i                     ;1.关闭中断
               
call WaitInbufEmpty    ;2.等待8042 Input buffer为空;
                mov al, 0adh
                mov dx, 64h
                out dx, al              ;3.发送禁止键盘操作命令
                
call WaitInbufEmpty    ;4.等待8042 Input buffer为空;
               
mov al, 0d0h
                mov dx, 64h
               
out dx, al              ;5.发送读取8042 Output Port命令;
               
call WaitOutbufFull     ;6.等待8042 Output buffer有数据;
                mov dx, 60h
               
in al, dx               ;7.读取8042 Output buffer
               
push ax                 ;保存读取的数据
               
call WaitInbufEmpty     ;8.等待8042 Input buffer为空
               
mov al, 0d1h
                mov dx, 64h
               
out dx, al              ;9.发送写 8042 Output Port命令
                
call WaitInbufEmpty     ;10.等待8042 Input buffer为空
               
pop ax
               
or al, 02h              ;11.将从8042 Output Port得到的字节的bit 1置1
  
             mov dx, 60h
               
out dx, al              ;写入Output Port
               
call WaitInbufEmpty    ;12.等待8042 Input buffer为空
               
mov al, 0aeh
                mov dx, 64h
               
out dx, al              ;13.发送允许键盘操作命令
                
sti                     ;开中断
               
ret

   
WaitInbufEmpty:
                mov dx, 64h
               
in al, dx               ;读取Status Register
               
test al, 02h
               
jnz WaitInbufEmpty
               
ret

WaitOutbufFull:
                mov dx, 64h
                in al, dx
                
test al, 01             ;读取Status Register
               
jz WaitOutbufFull
                
ret

    后来,由于感觉使用8042控制A20运行太慢了(确实,那么长的代码,中间还要若干次的wait),所以后来又出现了所谓的Fast A20,实际上,现在的大多数机器都是Fast A20,Fast A20使用92h端口控制A20,同时BIOS里提供了一个软中断来控制A20:

    入口:ah=24h
          al=0    关闭A20
             1    打开A20
             2    读取A20状态
          int 15h

    返回:如果BIOS支持此功能,CF=0,否则CF=1
          CF=0时,AX返回当前A20状态,1=打开,0=关闭

    像8042中的Output Port中的定义一样,92h端口的bit 1控制着A20,为1时打开,为0时关闭,从92h中读一个byte可以看a20的当前状态,所以对92h的操作如下:

  • 读A20状态
    mov dx, 92h
    in al, dx
    如果al的bit 1为1表示a20打开,否则为0
  • 打开A20
    mov dx, 92h
    mov al, 02
    out dx, al
  • 关闭A20
    mov dx, 92h
    mov al, 0
    out dx, al

    特别要注意的是,大家从这篇文章的文字中可能也能感觉到,A20 Gate的设计本身就让人感觉很别扭,不是那么流畅,所以和A20有关的事情就难免也会有相同的感觉,很奇怪的是,上面介绍的三种方法并不是在每台机器上都适用,所以如果你要做一个商业软件其中要操作A20,那一定要三种方式联合使用才比较稳妥,否则会有意想不到的结果,LINUX公开的启动代码中就是这么做的

    在DOS下有时我们会在config.sys中写上一句:dos=high,这句就会把驻留的DOS放到高端内存区域去,怎么放的呢?关键点就是打开A20,然后把DOS从常规内存搬到100000h起始的区域去,并把在常规内存中占用的内存释放掉,当然说起来容易,实际做的时候还有很多细节要处理。

    说到DOS=HIGH,就不得不提醒大家另一件事,如果在config.sys中有dos=high这一句,那么恐怕92h的方法和BIOS的方法都会不完全灵验(至于操作8042的方法灵不灵我没有试),这是DOS做了手脚,因为DOS被放到了高端内存中,为了保证DOS能正常运行,它不允许你把A20给关掉,遇到这种情况不要惊慌,不是我写得不对,确实是DOS太狡猾了。

    还有最后一点要特别注意,92h的bit 0是给机器发复位信号的(8042 Output Port的bit 0也是),所以在向92h写数据时,千万不要让bit 0为1,否则机器会重新启动,如果你的应用程序需要重新启动机器,这也是方法之一,比jmp 0ffffh:0来的还要干脆。

    在其它我们介绍保护模式的文章中,我们会用到上面提到的打开A20的方法,届时可能就不会做更多的解释了。 

    另外,涉及操作A20的资料其实很少,有些资料我手里也很缺乏,比如92h除bit 0和bit 1以外的定义是什么我至今也不知道,包括本文中的一些内容也是摸索所得,并没有资料予以佐证,所以万一有不对的地方,不要见怪,并恳请指出。

 

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