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Pintos Kernel 启动详解（三）：A20 地址线启用

详细解析 Pintos 如何通过键盘控制器启用 A20 地址线，解除 1MB 内存访问限制的历史遗留问题。

发表于
作者 Zxsheather
19 分钟阅读
Pintos Kernel 启动详解（三）：A20 地址线启用

概述

A20 地址线问题是 x86 架构最著名的历史包袱之一。由于早期 IBM PC 的兼容性设计，地址线 A20 在系统启动时被禁用，导致无法访问 1MB 以上的内存。

本节代码通过键盘控制器（8042）启用 A20 地址线，为访问扩展内存做准备。

原始代码

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#### Enable A20.  Address line 20 is tied low when the machine boots,
#### which prevents addressing memory about 1 MB.  This code fixes it.

# Poll status register while busy.

1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

# Send command for writing output port.

	movb $0xd1, %al
	outb %al, $0x64

# Poll status register while busy.

1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

# Enable A20 line.

	movb $0xdf, %al
	outb %al, $0x60

# Poll status register while busy.

1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

前置知识

A20 地址线的历史

故事背景：1981年的 IBM PC

最初的 IBM PC 使用 Intel 8088 CPU，有 20 根地址线（A0-A19），可以寻址 2^20 = 1MB 内存。

地址回绕特性

在 8088 上，当程序访问超过 1MB 的地址时，地址会”回绕”：

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1MB = 0x100000
访问 0x100000 实际访问 0x00000
访问 0x100001 实际访问 0x00001
...

这是因为第 21 位（A20）不存在，被忽略

一些早期程序（包括某些 DOS 程序）依赖这个回绕行为！

80286 的问题

1982年的 Intel 80286 有 24 根地址线（A0-A23），可以寻址 16MB。但如果 A20 总是有效，那些依赖回绕的旧程序就会崩溃。

IBM 的”解决方案”

IBM 的工程师想出了一个”天才”的方法：

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通过键盘控制器（8042芯片）的一个空闲引脚来控制 A20！

默认情况下，A20 被强制拉低（等于0）
这样地址就会像 8088 一样回绕
需要访问高内存时，通过键盘控制器启用 A20

这个设计一直保留到现代 x86 系统中，成为了著名的历史包袱。

A20 对内存访问的影响

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A20 禁用时的地址映射：

物理地址（期望）    实际访问地址
────────────────    ──────────────
0x000000            0x000000    (正常)
0x0FFFFF            0x0FFFFF    (正常，1MB-1)
0x100000            0x000000    (回绕！)
0x100001            0x000001    (回绕！)
0x1FFFFF            0x0FFFFF    (回绕！)
0x200000            0x000000    (再次回绕！)

A20 启用后：
所有地址正常访问，不再回绕

8042 键盘控制器

8042（或兼容芯片）是 PC 中的键盘控制器，但它也被赋予了一些额外的功能，包括控制 A20 线。

端口地址

端口读取时写入时
0x60输出缓冲区（数据）输入缓冲区（数据/命令参数）
0x64状态寄存器命令寄存器

状态寄存器 (端口 0x64 读取)

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位 7  6  5  4  3  2  1  0
   │  │  │  │  │  │  │  │
   │  │  │  │  │  │  │  └─ OBF: 输出缓冲区满（数据可读）
   │  │  │  │  │  │  └──── IBF: 输入缓冲区满（控制器忙）
   │  │  │  │  │  └─────── 系统标志
   │  │  │  │  └────────── 命令/数据（0=数据，1=命令）
   │  │  │  └───────────── 键盘解锁
   │  │  └──────────────── 辅助设备输出缓冲区满
   │  └─────────────────── 超时错误
   └────────────────────── 奇偶错误

我们关心的是位 1 (IBF)：

  • IBF = 0：控制器空闲，可以发送命令
  • IBF = 1：控制器忙，需要等待

逐行详解

第 1-3 行：等待控制器空闲（第一次）

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1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

这是一个轮询循环

flowchart TD
    A["1: inb $0x64, %al<br/>读取状态寄存器"] --> B["testb $0x2, %al<br/>测试位1 (IBF)"]
    B --> C{"IBF = 1?<br/>控制器忙?"}
    C -->|是| A
    C -->|否| D["退出循环<br/>控制器空闲"]

指令详解

指令说明
inb $0x64, %al从端口 0x64 读取一个字节到 AL
testb $0x2, %al测试 AL 的位 1（与 0x2 进行 AND 操作）
jnz 1b如果结果非零（位1=1），跳转回标签 1

testb 指令

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testb $0x2, %al

效果：计算 AL AND 0x02，设置标志位，不保存结果

0x02 = 0000 0010 (只有位1为1)

示例：
    AL = 0x03 = 0000 0011
    0x02      = 0000 0010
    AND 结果  = 0000 0010 = 0x02 (非零)
    ZF = 0 (Zero Flag)
    
    AL = 0x01 = 0000 0001
    0x02      = 0000 0010
    AND 结果  = 0000 0000 = 0x00 (零)
    ZF = 1 (Zero Flag)

第 4-5 行：发送”写输出端口”命令

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	movb $0xd1, %al
	outb %al, $0x64

命令 0xD1

向端口 0x64 写入 0xD1 告诉键盘控制器：

“接下来写入 0x60 端口的数据应该被当作输出端口的新值”

输出端口的结构

8042 的输出端口包含几个控制位：

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输出端口 (通过命令 0xD0 读取，0xD1 写入):

位 7  6  5  4  3  2  1  0
   │  │  │  │  │  │  │  │
   │  │  │  │  │  │  │  └─ 系统复位（0=复位）
   │  │  │  │  │  │  └──── A20 Gate（1=启用）← 我们要设置这个！
   │  │  │  │  │  └─────── 未定义
   │  │  │  │  └────────── 未定义
   │  │  │  └───────────── 输出缓冲区满中断
   │  │  └──────────────── 输入缓冲区空中断
   │  └─────────────────── 键盘时钟
   └────────────────────── 键盘数据

第 6-8 行：等待控制器空闲（第二次）

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1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

与第一次相同的等待循环。必须等待控制器处理完 0xD1 命令后才能发送数据。

第 9-10 行：写入启用 A20 的值

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	movb $0xdf, %al
	outb %al, $0x60

为什么是 0xDF？

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0xDF = 1101 1111

位分析：
    位 0 = 1：不复位系统
    位 1 = 1：启用 A20！
    位 2 = 1：未定义，保持为 1
    位 3 = 1：未定义，保持为 1
    位 4 = 1：启用输出缓冲区满中断
    位 5 = 1：启用输入缓冲区空中断
    位 6 = 1：键盘时钟高
    位 7 = 1：键盘数据高

简而言之：设置所有位为 1，特别是位 1 来启用 A20。

注意端口变化

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命令发送到端口 0x64
数据发送到端口 0x60

这是 8042 的标准协议

第 11-13 行：等待控制器空闲（第三次）

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1:	inb $0x64, %al
	testb $0x2, %al
	jnz 1b

最后一次等待，确保 A20 启用命令被处理完毕。

完整流程图

flowchart TD
    subgraph "第一阶段：等待空闲"
        A1["读取状态<br/>inb $0x64, %al"] --> A2{"IBF=1?"}
        A2 -->|是| A1
        A2 -->|否| B1
    end
    
    subgraph "第二阶段：发送命令"
        B1["发送命令 0xD1<br/>outb %al, $0x64"]
    end
    
    subgraph "第三阶段：等待空闲"
        B1 --> C1["读取状态<br/>inb $0x64, %al"] --> C2{"IBF=1?"}
        C2 -->|是| C1
        C2 -->|否| D1
    end
    
    subgraph "第四阶段：启用A20"
        D1["发送数据 0xDF<br/>outb %al, $0x60"]
    end
    
    subgraph "第五阶段：等待完成"
        D1 --> E1["读取状态<br/>inb $0x64, %al"] --> E2{"IBF=1?"}
        E2 -->|是| E1
        E2 -->|否| F1["A20 已启用！"]
    end
    
    style A1 fill:#f9f,stroke:#333
    style F1 fill:#9f9,stroke:#333

I/O 端口操作详解

IN 指令

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inb $port, %al    # 从 port 读取 1 字节到 AL
inw $port, %ax    # 从 port 读取 2 字节到 AX
inl $port, %eax   # 从 port 读取 4 字节到 EAX

OUT 指令

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outb %al, $port   # 将 AL 写入 port
outw %ax, $port   # 将 AX 写入 port
outl %eax, $port  # 将 EAX 写入 port

端口 vs 内存

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内存访问：
    mov (%ebx), %eax    # 读取内存
    mov %eax, (%ebx)    # 写入内存

端口访问：
    inb $port, %al      # 读取端口
    outb %al, $port     # 写入端口

端口是独立的地址空间，不是内存映射！
x86 有 65536 个 I/O 端口（0x0000 - 0xFFFF）

其他启用 A20 的方法

通过键盘控制器不是唯一的方法。以下是几种替代方案：

方法 2：BIOS INT 15h

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# 使用 BIOS 服务启用 A20
mov $0x2401, %ax
int $0x15

更简单，但并非所有 BIOS 都支持。

方法 3：Fast A20 Gate

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# 通过系统控制端口 A（端口 0x92）
inb $0x92, %al
orb $0x02, %al
outb %al, $0x92

更快，但可能导致某些系统出问题。

方法 4：键盘控制器命令 0xDF

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# 直接命令启用 A20
mov $0xdf, %al
outb %al, $0x64

某些键盘控制器支持这种简化方法。

Pintos 为什么选择当前方法？

  1. 兼容性：这是最标准的方法，几乎所有 PC 都支持
  2. 可靠性：正确处理了等待控制器空闲
  3. 完整性：设置了输出端口的所有相关位

验证 A20 是否启用

启用 A20 后，可以通过以下方式验证：

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# 验证 A20：比较 0x000000 和 0x100000 处的内容
# 如果 A20 禁用，它们会映射到同一位置

mov $0, %ax
mov %ax, %es            # ES = 0
mov $0xFFFF, %ax
mov %ax, %fs            # FS = 0xFFFF

# 在 ES:0 (物理 0x000000) 写入值
movl $0x12345678, %es:0

# 从 FS:0x10 (物理 0x100000) 读取
# FS:0x10 = 0xFFFF * 16 + 0x10 = 0x100000
movl %fs:0x10, %eax

# 比较
cmp $0x12345678, %eax
je a20_disabled         # 如果相同，A20 仍禁用

Pintos 没有这个验证代码，假设启用成功。

常见问题

Q1: 为什么 A20 用键盘控制器控制？

A: 纯粹是历史原因。当 IBM 设计 PC/AT 时，需要一种方式来控制 A20，而键盘控制器碰巧有一个空闲的输出引脚。使用现有硬件比添加新芯片便宜。这个”临时”解决方案一直沿用至今。

Q2: 现代系统还需要启用 A20 吗？

A: 是的！现代 x86 CPU 和主板仍然模拟这个行为以保持兼容性。BIOS 启动时 A20 默认禁用。不过，许多 BIOS 会在启用保护模式之前自动启用 A20。

Q3: 如果不启用 A20 就切换到保护模式会怎样？

A: 系统会表现出奇怪的行为：

  • 访问奇数 MB 的内存会回绕到偶数 MB
  • 例如：访问 3MB 位置实际访问 2MB 位置
  • 内核可能会覆盖自己的代码或数据
  • 通常导致系统崩溃

Q4: 轮询循环会不会无限循环？

A: 在正常工作的硬件上不会。键盘控制器通常在几微秒内处理完命令。如果控制器真的卡住了，系统会挂起，这是硬件故障的表现。

技术细节补充

8042 命令表（部分）

命令功能
0x20读取命令字节
0x60写入命令字节
0xD0读取输出端口
0xD1写入输出端口
0xDD禁用 A20
0xDF启用 A20
0xFE系统复位（脉冲）

时序考虑

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8042 键盘控制器的大致时序：

命令/数据写入后，控制器需要处理时间
典型的处理时间：10-100 微秒

轮询循环确保：
1. 不在控制器忙时发送数据
2. 给控制器足够时间处理上一个命令

练习思考

思考题 1

为什么要轮询三次而不是两次？能不能去掉最后一次轮询？

点击查看答案 三次轮询的原因： 1. 第一次：确保可以发送 0xD1 命令 2. 第二次：确保 0xD1 命令被处理，可以发送数据 3. 第三次：确保 0xDF 数据被处理完成 理论上可以去掉最后一次轮询，因为后续代码不会立即使用键盘控制器。但是： - 留着更安全，确保 A20 完全启用 - 如果后面代码依赖 A20，不等待可能导致竞态条件 保守的做法是保留所有轮询。

思考题 2

如果键盘控制器不存在或损坏，代码会怎样？

点击查看答案 可能的情况： 1. **控制器不存在**：读取 0x64 可能返回 0xFF（所有位为1），包括 IBF 位。代码会进入无限循环。 2. **控制器损坏**：取决于损坏方式。可能： - 无限循环 - A20 启用失败 - 产生异常 3. **虚拟化环境**：虚拟机通常正确模拟 8042，或者默认启用 A20。 实际上，没有键盘控制器的系统很少见。更稳健的代码会： - 设置超时计数器 - 尝试多种 A20 启用方法 - 在失败时报告错误

思考题 3

0xDF 中哪些位是必须设置的，哪些是可选的？

点击查看答案 必须设置的位： - 位 0 = 1：防止系统复位 - 位 1 = 1：启用 A20 可能重要的位： - 位 6、7：键盘时钟和数据，应保持为 1 理论上，最小值可以是 0x03（只设置位 0 和位 1）。 但使用 0xDF（所有位为 1 除了位 5）是更安全的选择，因为： - 保持键盘正常工作 - 不改变其他可能重要的设置 - 是广泛测试过的值

下一步

A20 地址线已启用，现在我们可以访问超过 1MB 的内存了。但在切换到保护模式之前，还需要创建临时页表来支持分页。下一篇文档将介绍：临时页表创建

技术, Pintos
OS Pintos 汇编 内核 A20 键盘控制器
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权