Línea A20
Señal en el bus del sistema de un sistema informático basado en x86

El área de memoria alta solo está disponible en modo real en los procesadores 80286 si la puerta A20 está habilitada.

La A20 , o línea de dirección 20 , es una de las líneas eléctricas que componen el bus de sistema de un sistema informático basado en x86 . La línea A20, en particular, se utiliza para transmitir el bit 21 del bus de dirección .

Un microprocesador normalmente tiene un número de líneas de dirección igual al logaritmo en base dos del número de palabras en su espacio de dirección física . Por ejemplo, un procesador con 4 GB de espacio físico direccionable por bytes requiere 32 líneas (log 2 (4 GB) = log 2 (2 32 B) = 32), que se denominan A0 a A31. Las líneas se nombran según el número basado en cero del bit en la dirección que están transmitiendo. El bit menos significativo es el primero y, por lo tanto, se numera como bit 0 y se señala en la línea A0. A20 transmite el bit 20 (el bit 21) y se activa una vez que las direcciones alcanzan 1 MB, o 2 20 .

Descripción general

Los procesadores Intel 8086 , Intel 8088 e Intel 80186 tenían 20 líneas de dirección, numeradas de A0 a A19; con ellas, el procesador puede acceder a 220 bytes , o 1 MB. Los registros de dirección internos de dichos procesadores solo tenían 16 bits. Para acceder a un espacio de dirección de 20 bits, una referencia de memoria externa estaba formada por una dirección de desplazamiento de 16 bits sumada a un número de segmento de 16 bits , desplazado 4 bits a la izquierda para producir una dirección física de 20 bits. La dirección resultante es igual a segmento  × 16 + desplazamiento . [1] Hay muchas combinaciones de segmento y desplazamiento que producen la misma dirección física de 20 bits. Por lo tanto, había varias formas de direccionar el mismo byte en la memoria. [2] Por ejemplo, aquí hay cuatro de las 4096 combinaciones diferentes de segmento: desplazamiento, todas haciendo referencia al byte cuya dirección física es 0x000FFFFF (el último byte en un espacio de memoria de 1 MB):

F000:FFFFF
FFFF:000F
F555:AAAF
F800:7FFF

En la última referencia, un aumento de uno en el desplazamiento da como resultado F800:8000 , que es una dirección adecuada para el procesador, pero dado que se traduce a la dirección física 0x00100000 (el primer byte sobre 1 MB), el procesador necesitaría otra línea de dirección para el acceso real a ese byte. Dado que no existe dicha línea en la línea 8086 de procesadores, el bit 21 anterior, aunque está configurado, se omite, lo que hace que la dirección F800:8000 "envuelva" [1] y apunte realmente a la dirección física 0x00000000 .

Cuando IBM diseñó la máquina IBM PC AT (1984), decidió utilizar el nuevo microprocesador Intel 80286 de mayor rendimiento . El 80286 podía direccionar hasta 16 MB de memoria del sistema en modo protegido . Sin embargo, se suponía que la CPU debía emular el comportamiento de un 8086 en modo real , su modo de inicio, de modo que pudiera ejecutar sistemas operativos y programas que no estuvieran escritos para el modo protegido. Sin embargo, el 80286 no forzaba la línea A20 a cero en modo real. Por lo tanto, la combinación F800:8000 ya no apuntaría a la dirección física 0x00000000 , sino a la dirección 0x00100000 . Como resultado, los programas que dependían del ajuste de direcciones ya no funcionarían. Para seguir siendo compatible con dichos programas, IBM decidió corregir el problema en la placa base .

Esto se logró insertando una puerta lógica en la línea A20 entre el procesador y el bus del sistema, que se denominó Gate-A20 . Gate-A20 se puede habilitar o deshabilitar mediante software para permitir o evitar que el bus de direcciones reciba una señal de A20. Está configurado para que no pase para la ejecución de programas más antiguos que dependen del wrap-around. En el momento del arranque, el BIOS primero habilita Gate-A20 cuando cuenta y prueba toda la memoria del sistema, y ​​luego lo deshabilita antes de transferir el control al sistema operativo.

Originalmente, la puerta lógica era una puerta conectada al controlador de teclado Intel 8042. [1] Controlarla era un proceso relativamente lento. Desde entonces se han añadido otros métodos para permitir una multitarea más eficiente de los programas que requieren esta integración con programas que acceden a toda la memoria del sistema. Existen múltiples métodos para controlar la línea A20. [3]

Desconectar A20 no cubriría todos los accesos a la memoria por encima de 1 MB, solo aquellos en los rangos de 1-2 MB, 3-4 MB, 5-6 MB, etc. El software de modo real solo se preocupaba por el área ligeramente por encima de 1 MB, por lo que la línea Gate-A20 era suficiente.

Habilitar la línea Gate-A20 es uno de los primeros pasos que un sistema operativo x86 en modo protegido realiza en el proceso de arranque, a menudo antes de que el control haya sido pasado al kernel desde el arranque (en el caso de Linux , por ejemplo).

El modo virtual 8086 , introducido con el Intel 80386 , permite simular el envoltorio A20 utilizando las funciones de memoria virtual del procesador; la memoria física puede asignarse a múltiples direcciones virtuales. De este modo, la memoria asignada en el primer megabyte de memoria virtual puede asignarse nuevamente en el segundo megabyte de memoria virtual. El sistema operativo puede interceptar cambios en la Puerta A20 y realizar cambios correspondientes en el espacio de direcciones de memoria virtual, lo que también hace irrelevante la eficiencia de la alternancia de línea Puerta-A20.

Puerta A20

El control de la línea A20 fue una característica importante en una etapa del crecimiento de la arquitectura de IBM PC, ya que agregó acceso a 65.520 bytes adicionales (64 KB − 16 bytes) de memoria en modo real , sin cambios de software significativos.

En lo que podría decirse que fue un "hack", la puerta A20 era originalmente parte del controlador del teclado en la placa base, que podía abrirla o cerrarla dependiendo del comportamiento deseado. [4]

Para mantener la compatibilidad total con el Intel 8086 , la compuerta A20 estuvo presente en las CPU Intel hasta 2008. [5] Como la compuerta se cerraba inicialmente justo después del arranque, los sistemas operativos en modo protegido normalmente abrían la compuerta A20 al principio del proceso de arranque para no volver a cerrarla nunca más. Dichos sistemas operativos no tenían motivos de compatibilidad para mantenerla cerrada, y obtenían acceso a toda la gama de direcciones físicas disponibles al abrirla.

Los procesadores Intel 80486 y Pentium añadieron un pin especial llamado A20M# , que cuando se activaba en modo bajo obligaba a que el bit 20 de la dirección física fuera cero para todos los accesos a la memoria caché integrada o a la memoria externa. Esto era necesario, ya que el 80486 introdujo una memoria caché integrada y, por tanto, ya no era posible enmascarar este bit en la lógica externa. El software todavía necesita manipular la puerta y debe seguir lidiando con los periféricos externos (el chipset ) para ello. [6]

La Guía de diseño de sistemas de PC PC 2001 elimina la compatibilidad para la línea A20: "Si la lógica de generación de A20M# todavía está presente en el sistema, esta lógica debe terminarse de manera que el software escriba en el puerto de E/S 92, bit 1, no dé como resultado que se confirme A20M# al procesador". [7]

La compatibilidad con la compuerta A20 se modificó en la microarquitectura Nehalem (algunas fuentes afirman incorrectamente que se eliminó la compatibilidad con A20). En lugar de que la CPU tenga un pin A20M# dedicado que reciba la señal de si se debe enmascarar o no el bit A20, se ha virtualizado para que la información se envíe desde el hardware periférico a la CPU mediante ciclos de bus especiales. [ cita requerida ] Desde un punto de vista de software, el mecanismo funciona exactamente como antes, y un sistema operativo aún debe programar hardware externo (que a su vez envía los ciclos de bus antes mencionados a la CPU) para deshabilitar el enmascaramiento A20. [ cita requerida ]

Intel ya no admite la compuerta A20, a partir de Haswell . La página 271 del Manual del programador de sistemas Intel, vol. 3A, de junio de 2013, establece: "La funcionalidad de A20M# se utiliza principalmente en sistemas operativos más antiguos y no en sistemas operativos modernos. En los procesadores Intel 64 más nuevos , A20M# puede estar ausente". [8]

Manipulador A20

El controlador A20 es un software de gestión de memoria de IBM PC que controla el acceso al área de memoria alta (HMA). Los administradores de memoria extendida suelen ofrecer esta funcionalidad. Los controladores A20 reciben su nombre de la línea de dirección número 21 del microprocesador, la línea A20.

En DOS , los administradores de HMA como HIMEM.SYS tienen la "tarea adicional" de administrar A20. HIMEM.SYS proporcionó una API para abrir y cerrar A20. El propio DOS podría usar el área para algunas de sus necesidades de almacenamiento, liberando así más memoria convencional para los programas. Esa funcionalidad fue habilitada por las directivas DOS=HIGHo HIDOS=ONen el archivo de configuración CONFIG.SYS .

Programas afectados

Desde 1980, el wrap de dirección fue usado internamente por 86-DOS y MS-DOS para implementar el punto de entrada CALL 5 de DOS en el desplazamiento +5 a +9 (que emula el punto de entrada de API CALL 5 BDOS de estilo CP/M-80 en el desplazamiento +5 a +7) en el Prefijo de Segmento de Programa (PSP) (que se parece parcialmente a la página cero de CP/M-80 ). [9] [10] Esto fue utilizado, en particular, por programas traducidos por máquina desde CP/M-80 a través de traductores de lenguaje ensamblador [9] como TRANS86 de Seattle Computer Products . [11] El manejador CALL 5 al que se refiere este punto de entrada reside en la dirección física de la máquina 0x000000C0 (superponiendo así los cuatro bytes del punto de entrada de rutina de servicio de interrupción reservado para INT 30h y el primer byte de INT 31h en la tabla de vectores de interrupción de modo real x86 ). [12] [13] [14] Sin embargo, debido al diseño de CP/M-80, que cargaba el sistema operativo inmediatamente encima de la memoria disponible para que se ejecutara el programa de aplicación, la dirección de destino de 16 bits del 8080 / Z80 almacenada en el desplazamiento +6 a +7 en la página cero también podría interpretarse deliberadamente como el tamaño del primer segmento de memoria. [9] Para emular esto en DOS con su esquema de direccionamiento segmento:desplazamiento 8086, el desplazamiento de 16 bits del punto de entrada de llamada lejana tenía que coincidir con este tamaño de segmento (es decir, 0xFEF0 ), que se almacena en el desplazamiento +6 a +7 en el PSP, superponiendo partes del CALL 5. [13] [14] La única forma de conciliar estos requisitos era elegir un valor de segmento que, cuando se sumaba a 0xFEF0 , daba como resultado una dirección de 0x001000C0 , que, en un 8086, daba como resultado 0x000000C0 . [15] [12] [14]

A20 tuvo que ser deshabilitado para que se produjera el cambio de dirección y para que los programas DOS que utilizan esta interfaz funcionaran. Las versiones más nuevas de DOS que pueden reubicar partes de sí mismas en la HMA, generalmente crean una copia del punto de entrada en FFFF:00D0 en la HMA (que nuevamente se resuelve en 0x001000C0 físico ), de modo que la interfaz pueda funcionar sin tener en cuenta el estado de A20. [14] [16]

Un programa que se sabe que utiliza la interfaz CALL 5 es la versión DOS del compilador Small-C . [17] Además, la utilidad SPELL en Word 3.0 (1987) de Microsoft es uno de los programas que dependen de la interfaz CALL 5 y que deben configurarse de forma correspondiente. [18] PC-NFS (1993) de Sun Microsystems también requiere la corrección de CALL 5. [16]

Además, para ahorrar espacio en el programa, [1] algunos programadores de BIOS y DOS usaban un truco , por ejemplo, para tener un segmento que tuviera acceso a los datos del programa (como de F800:0000 a F800:7FFF , apuntando a las direcciones físicas 0x000F8000–0x000FFFFF ), así como a los datos de E/S (como el búfer del teclado) que se encontraban en el primer segmento de memoria (con las direcciones F800:8000 a F800:FFFF apuntando a las direcciones físicas 0x00000000 a 0x00007FFF ).

Este truco funciona siempre que el código no se ejecute en memoria baja (los primeros 64 KB de RAM), una condición que siempre era cierta en versiones anteriores de DOS sin capacidades de alta carga.

Con el núcleo DOS reubicado en áreas de memoria más altas, la memoria baja se volvió cada vez más disponible para los programas, causando que aquellos que dependían del wraparound fallaran. [19] Los cargadores ejecutables en versiones más nuevas de DOS intentan detectar algunos tipos comunes de programas afectados y los parchean sobre la marcha para que funcionen también en memoria baja [20] o los cargan por encima de los primeros 64 KB antes de pasarles la ejecución. [20] Para los programas que no se detectan automáticamente, se puede usar LOADFIX [21] o MEMMAX  -L [21] para forzar que los programas se carguen por encima de los primeros 64 KB.

El truco fue utilizado por el propio IBM/Microsoft Pascal , así como por programas compilados con él, [22] [23] [10] [17] incluyendo MASM de Microsoft . [17] Otras utilidades de desarrollo comúnmente utilizadas que usaban esto eran compresores ejecutables como Spacemaker de Realia [20] (escrito por Robert BK Dewar en 1982 y usado para comprimir versiones tempranas de Norton Utilities [24] [25] [26] [27] ) y EXEPACK de Microsoft [19] [20] [1] [28] [17] (escrito por Reuben Borman en 1985) así como la opción equivalente /E[XEPACK] en LINK 3.02 de Microsoft y superiores. [19] [1] [28] [26] Los programas procesados ​​con EXEPACK mostrarían un mensaje de error "El archivo empaquetado está dañado". [1] [20] [28]

Existen varias utilidades de terceros para modificar ejecutables comprimidos , ya sea reemplazando las rutinas de descompresión problemáticas mediante un reensamblaje o intentando expandir y restaurar el archivo original.

Los cargadores de arranque BIOS heredados modernos (como GNU GRUB ) utilizan la línea A20. [3] Los cargadores de arranque UEFI utilizan el modo protegido de 32 bits o el modo largo de 64 bits .

Véase también

Referencias

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  21. ^ ab Paul, Matthias R. (30 de julio de 1997) [18 de junio de 1996, 1 ​​de mayo de 1994]. "V.4. Bessere Speicherausnutzung mit selbsthochladenden Programmen". NWDOS-TIP: consejos y trucos para Novell DOS 7, con un clic para deshacer detalles, errores y soluciones. Versión 157 (en alemán) (3 ed.). Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2016 . Consultado el 6 de agosto de 2014 . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ) (NB: el enlace proporcionado apunta a una versión convertida a HTML del NWDOSTIP.TXT, que es parte de la MPDOSTIP.ZIPcolección). [20]
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  27. ^ Necasek, Michal (30 de abril de 2018). «Realia SpaceMaker». Museo OS/2 . Archivado desde el original el 27 de enero de 2019. Consultado el 22 de febrero de 2019 .
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Lectura adicional

  • Brouwer, Andries Evert (2001). "A20 - un dolor del pasado". Archivado desde el original el 2017-09-09 . Consultado el 2017-09-09 .
  • Collins, Robert R. (2001). "A20/Reset Anomalies". Archivado desde el original el 2017-09-09 . Consultado el 2017-09-09 .
  • Necasek, Michal (30 de enero de 2018) [28 de enero de 2018, 26 de enero de 2018]. "WordStar Again". Museo OS/2 . Archivado desde el original el 28 de julio de 2019. Consultado el 28 de julio de 2019 .
  • Ingenoso, Tony (1998-12-20). "Capítulo 13 - La compuerta A20 y el HMA". Cómo hacer que el código funcione mejor: cómo minimizar el tamaño del código de 80x86 y, a veces, hacerlo más rápido (libro electrónico). Archivado desde el original el 2019-11-18 . Consultado el 2019-11-18 .
  • Ludloff, Christian (2011). «Cosas heredadas de la arquitectura x86: KBC, PS/2 y A20M#». sandpile.org . Archivado desde el original el 2021-08-15 . Consultado el 2022-01-02 .
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