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实模式切换到保护模式,为什么要开启A20地址线(系统升级产生的兼容性问题)

时间:2015-08-26 17:59:50      阅读:251      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:操作系统   处理器   

【-1】写在前面:

以下部分内容总结于 http://blog.csdn.net/ruyanhai/article/details/7181842

complementary: 兼容性是指运行在前期CPU,如8086/8088上的的程序,也可以运行在其以后的处理器,如80286上;


【0】看看intel处理器的发展历程

技术分享


【1】8086/8088的寻址和问题

1.1)寻址:在8086/8088中,只有20根地址总线,所以可以访问的地址是2^20=1M,但由于8086/8088是16位地址模式,能够表示的地址范围是0-64K,所以为了在8086/8088下能够访问1M内存,Intel采取了分段的模式:16位段基地址:16位偏移。其绝对地址计算方法为:16位基地址左移4位+16位偏移=20位地址;(这个比较简单)

1.2)问题: 但这种方式引起了新的问题,通过上述分段模式,能够表示的最大内存为:FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh=1M+64K-16Bytes(1M多余出来的部分被称做高端内存区HMA)。但8086/8088只有20位地址线,如果访问100000h~10FFEFh之间的内存,则必须有第21根地址线。所以当程序员给出超过1M(100000H-10FFEFH)的地址时,系统并不认为其访问越界而产生异常,而是自动从重新0开始计算,也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的,这种技术被称为wrap-around。


【2】80286的寻址和问题

2.0)寻址: 到了80286,系统的地址总线发展为24根,这样能够访问的内存可以达到2^24=16M。Intel在设计80286时提出的目标是,在实模式下,系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样,也就是说,在实模式下,80286以及后续系列,应该和8086/8088完全兼容;

2.1)问题:如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存,80286将实际访问这块内存,而不是像过去一样重新从0开始,因为80286有这个寻址能力,但是这就不能满足和8086/8088的系统兼容性,因为8086/8088不能访问到100000H-10FFEFH之间的内存的真实地址而是按照对1M求模的内存寻址方式;


【3】再浅谈80286 和 8086/8088 间的兼容性问题:(实模式下,80286的系统表现要同8086/8088的一致)

3.1)当A20被禁止时:程序员给出100000H~10FFEFH间的地址,80286和8086/8088 的系统表现是一致的,即按照对1M求模的方式进行寻址,满足系统升级的兼容性问题;

3.2)当A20被开启时:程序员给出的100000H~10FFEFH间的地址,80286是访问的真实地址,而8086/8088是始终是按照对1M求模的方式进行的(这里注意,是始终);


【4】解决方法:

为了解决上述问题,IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线(从0开始数是第20根),被称为A20Gate:如果A20 Gate被打开,则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候,系统将真正访问这块内存区域;如果A20Gate被禁止,则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候,系统仍然使用8086/8088的方式。


【5】有请实模式+保护模式闪亮登场(干货)

5.1)实模式:实模式就是, 为了实现系统升级的兼容性,如80286的系统表现(包括80286以后的CPU)要与8086/8088 的系统表现一致,就需要80286 CPU访问100000H-10FFEFH之间的地址的时候, 按照对1M求模的方式进行, 无论A20地址线开启关闭与否, 这种内存访问情况 称为实模式;

5.2)保护模式:保护模式就是, 以A20地址线开启为前提,80286 CPU访问100000H-10FFEFH之间的地址的时候, 是访问真实的内存地址,不是求模访问,如访问100001H,就是真真切切地 访问 0x 100001H,而不是求模的 0x000001H 地址, 这种内存访问情况称为保护模式;

5.3)诞生日: 实模式是从8088/8086 就开始存在了, 而保护模式从 80286 才开始存在;


【6】为什么需要保护模式?(因为实模式与生俱来,是伴随着8088/8086 从天而降的,它仅仅是访问内存的一种方式而已; 还有对于8086/8088而言,它只有实模式这一种内存寻址方式,而对于80286包括其以后的CPU,有实模式和保护模式两种寻址方式,因为要兼顾系统兼容性)

显然随着CPU的升级,8088/8086的内存寻址方式已经无法满足需要,也可以说,为了能够访问10FFEFH以上的内存,则必须进入保护模式;


【7】A20被禁止+被开启的不同结果

7.1)如果A20Gate被禁止:对于80286来说,其地址为24bit,其地址表示为EFFFFF;对于80386极其随后的32-bit芯片来说,其地址表示为FFEFFFFF。这种表示的意思是如果A20Gate被禁止,则其第20-bit在CPU做地址访问的时候是无效的,永远只能被作为0;

7.2)如果A20 Gate被打开:则其第20-bit是有效的,其值既可以是0,又可以是1;

7.3)所以:在保护模式下,如果A20 Gate被打开,则可以访问的内存则是连续的;如果A20Gate被禁止,则可以访问的内存只能是偶数段,

因为是20位(从0始)总为零,所23~20位只能是0000、0010、0100、0110、1000、1010、1100、1110对应十六进制为0、2、4、6、8、A、C、E。对应的十六进制地址段是000000-0FFFFF,200000-2FFFFF,400000-4FFFFF…

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实模式切换到保护模式,为什么要开启A20地址线(系统升级产生的兼容性问题)

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原文地址:http://blog.csdn.net/pacosonswjtu/article/details/48005813

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