Línea A20

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

Un microprocesador normalmente tiene un número de líneas de dirección igual al logaritmo en base dos del número de palabras en su espacio de direcciones físicas . Por ejemplo, un procesador con 4  GB de espacio físico direccionable por byte 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 en base 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 señaliza 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 .

Los procesadores Intel 8086 , Intel 8088 e Intel 80186 tenían 20 líneas de dirección, numeradas de A0 a A19; con estas, el procesador podía acceder a ^2²⁰ bytes, o 1 MB. Los registros de direcciones internas de dichos procesadores solo tenían 16 bits. Para acceder a un espacio de direcciones de 20 bits, una referencia de memoria externa se componía de 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 maneras 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:FFFF

FFFF:000F

F555:AAAF

F800:7FFF

Referenciada de la última manera, un aumento de uno en el desplazamiento produce F800:8000 , que es una dirección correcta para el procesador, pero como se traduce a la dirección física 0x00100000 (el primer byte sobre 1 MB), el procesador necesitaría otra línea de dirección para acceder realmente a ese byte. Como no hay tal línea en la línea de procesadores 8086, el bit 21 anterior, mientras está establecido, se descarta, lo que hace que la dirección F800:8000 "se 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 arranque, para poder ejecutar sistemas operativos y programas que no estaban 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 apuntaba a la dirección física 0x00000000 , sino a la dirección 0x00100000 . Como resultado, los programas que dependían del desbordamiento de direcciones ya no funcionaban. Para mantener la compatibilidad 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, denominada Puerta-A20 . La Puerta-A20 puede habilitarse o deshabilitarse mediante software para permitir o impedir que el bus de direcciones reciba una señal de A20. Se configura como no transitable para la ejecución de programas antiguos que dependen del desbordamiento. Al arrancar, la BIOS primero habilita la Puerta-A20 cuando realiza el conteo y la prueba de toda la memoria del sistema, y ​​luego la 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 programas que requieren este bucle con programas que acceden a toda la memoria del sistema. Existen varios métodos para controlar la línea A20. ^{[ 3 ]}

Desconectar A20 no abarcaría todos los accesos a memoria superiores a 1  MB, sino solo aquellos en los rangos de 1-2  MB, 3-4  MB, 5-6  MB, etc. El software en modo real solo se ocupaba del área ligeramente superior a 1  MB, por lo que la línea Gate-A20 era suficiente.

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

El modo virtual 8086 , introducido con el Intel 80386 , permite simular el desbordamiento de la puerta A20 mediante el uso de la memoria virtual del procesador; la memoria física puede asignarse a múltiples direcciones virtuales. De este modo, la memoria asignada al primer megabyte de memoria virtual puede volver a asignarse al segundo megabyte. El sistema operativo puede interceptar los cambios en la puerta A20 y realizar los cambios correspondientes en el espacio de direcciones de memoria virtual, lo que también hace irrelevante la eficiencia de la conmutación de la línea de la puerta A20.

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

En lo que podría considerarse un "truco", la compuerta 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 puerta A20 permaneció en las CPU de Intel hasta 2008. ^{[ 5 ]} Dado que la puerta se cerraba inicialmente justo después del arranque, los sistemas operativos en modo protegido solían abrir la puerta A20 al principio del proceso de arranque para no volver a cerrarla. Dichos sistemas operativos no tenían motivos de compatibilidad para mantenerla cerrada y, al abrirla, obtenían acceso a todo el rango de direcciones físicas disponibles.

El Intel 80486 y el Pentium añadieron un pin especial llamado A20M# , que al activarse a nivel bajo fuerza a que el bit 20 de la dirección física sea cero para todos los accesos a la caché integrada o a la memoria externa. Esto era necesario, ya que el 80486 introdujo una caché integrada y, por lo tanto, enmascarar este bit en la lógica externa ya no era posible. El software aún necesita manipular la puerta lógica y debe seguir interactuando con los periféricos externos (el chipset ) para ello. ^{[ 6 ]}

La Guía de diseño del sistema PC 2001 elimina la compatibilidad con la línea A20: "Si la lógica de generación A20M# todavía está presente en el sistema, esta lógica debe terminarse de manera que las escrituras de software en el puerto de E/S 92, bit 1, no resulten en que se active A20M# en el procesador." ^{[ 7 ]}

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

Intel ya no admite la puerta A20, a partir de Haswell . La página 271 del Manual del programador de sistemas Intel, vol. 3A, de junio de 2013, indica: "La funcionalidad de A20M# se utiliza principalmente en sistemas operativos antiguos y no en sistemas operativos modernos. En los procesadores Intel 64 más recientes , es posible que A20M# no esté presente". ^{[ 8 ]}

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

En DOS , los gestores HMA, como HIMEM.SYS, tienen la "tarea adicional" de administrar la A20. HIMEM.SYS proporcionaba una API para abrir y cerrar la A20. El propio DOS podía usar esta área para algunas de sus necesidades de almacenamiento, liberando así memoria más convencional para los programas. Esta funcionalidad se habilitaba mediante las directivas DOS=HIGH`or` HIDOS=ONen el archivo de configuración CONFIG.SYS .

Desde 1980, el envoltorio de direcciones fue utilizado internamente por 86-DOS y MS-DOS  para implementar el punto de entrada DOS CALL 5 en el desplazamiento +5 a +9 (que emula el punto de entrada de la API BDOS CALL 5 de estilo CP/M-80 en el desplazamiento +5 a +7) en el Prefijo de Segmento de Programa (PSP) (que se asemeja parcialmente a la página cero de CP/M-80 ). ^{[ 9 ] [ 10 ]} Esto fue utilizado, en particular, por programas traducidos automáticamente de 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 (superponiéndose así a los cuatro bytes del punto de entrada de la rutina de servicio de interrupción reservados para INT 30h y el primer byte de INT 31h en la tabla de vectores de interrupción del modo real x86 ). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Sin embargo, por el diseño de CP/M-80, que cargaba el sistema operativo inmediatamente por 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 podía interpretarse deliberadamente como el tamaño del primer segmento de memoria. ^{[ 9 ]} Para emular esto en DOS con su esquema de direccionamiento segmento:desplazamiento del 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, superponiéndose a partes de la CALL 5. ^{[ 13 ] [ 14 ]} La única forma de conciliar estos requisitos era elegir un valor de segmento que, cuando se suma a 0xFEF0 , resulta en una dirección de 0x001000C0 , que, en un 8086, se despliega a 0x000000C0 . ^{[ 15 ] [ 12 ] [ 14 ]}     

A20 debía estar deshabilitado para que se produjera el desbordamiento y funcionaran los programas de DOS que utilizaban esta interfaz. Las versiones más recientes de DOS que pueden reubicar partes de sí mismas en el HMA, normalmente crean una copia del punto de entrada en FFFF:00D0 en el HMA (que de nuevo se resuelve en la dirección física 0x001000C0 ), de modo que la interfaz pueda funcionar independientemente del estado de A20. ^{[ 14 ] [ 16 ]}

Un programa que utiliza la  interfaz CALL 5 es la versión para DOS del compilador Small-C . ^{[ 17 ]} Además, la utilidad SPELL de Microsoft Word 3.0 (1987) es uno de los programas que dependen de la  configuración de la interfaz CALL 5. ^{[ 18 ]} PC-NFS (1993) de Sun Microsystems también requiere la corrección de CALL 5. ^{[ 16 ]} 

Además, para ahorrar espacio de 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 direcciones F800:8000 a F800:FFFF apuntando a las direcciones físicas 0x00000000 a 0x00007FFF ).

Este truco funciona siempre y cuando el código no se ejecute en la memoria baja , los primeros 64  KB de RAM, una condición que siempre se cumplía en las versiones antiguas de DOS sin capacidades de carga alta.

Con el núcleo de DOS reubicado en áreas de memoria más altas, la memoria baja quedó cada vez más disponible para los programas, lo que provocó que aquellos que dependían del desbordamiento fallaran. ^{[ 19 ]} Los cargadores ejecutables en versiones más recientes de DOS intentan detectar algunos tipos comunes de programas afectados y parchearlos sobre la marcha para que funcionen también en memoria baja ^{[ 20 ]} o cargarlos 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 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 empleaban esto eran compresores de ejecutables como Spacemaker de Realia ^{[ 20 ]} (escrito por Robert BK Dewar en 1982 y utilizado 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 y versiones posteriores de Microsoft. ^{[ 19 ] [ 1 ] [ 28 ] [ 26 ]} Los programas procesados ​​con EXEPACK mostrarían un mensaje de error "El archivo empaquetado está dañado". ^{[ 1 ] [ 20 ] [ 28 ]}

Existen diversas utilidades de terceros para modificar archivos ejecutables comprimidos , ya sea reemplazando la(s) rutina(s) de descompresión problemática(s) mediante la restauración de sustituciones, 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 .

• Compatibilidad de errores
• Almacenamiento informático
• Área de memoria alta (HMA)
• LOADFIX (directiva CONFIG.SYS) (PTS-DOS)
• Decodificación de dirección incompleta
• Cargadores de arranque

• Brouwer, Andries Evert (2001). "A20 - un dolor del pasado" . Archivado del original el 9 de septiembre de 2017. Recuperado el 9 de septiembre de 2017 .
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