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）

【-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

【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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【1】8086/8088的寻址和问题

【2】80286的寻址和问题

【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：

【5】有请实模式+保护模式闪亮登场（干货）

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；

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

7.2）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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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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