在許多PC的CMOS設置裏，都有一項叫做“A20 Enable“的設置，不知道大家是否就此設置困惑過，這個A20是什麼呢？
說A20則不得不說PC機的內存，我儘量用簡短的語言說明白PC機內存的一些獨有的術語，在我剛接觸PC機的時候（1985年前後），如果你的機器有一塊10M或者20M的硬盤，那已經是一臺不錯的機器，如果你的機器有256K的內存，那絕對是高配置，那時候還沒有3.5"的軟盤，都是使用5"的容量僅360K的軟盤，所以那個時候，設計IBM PC的IBM公司非常自信地認爲，1M內存是一個根本達不到的天文數字，我想由於這種思想的作怪（我猜的），IBM非常愚蠢地把PC機1M存儲空間的最上面的384K用作了ROM和系統設備，這種設計給現在的PC機的內存結構埋下了麻煩的伏筆，如果當初IBM把PC機的1M存儲空間的最下面的384K用作ROM和系統設備，可能現在就會少好多麻煩，這個後面說。
寫到這裏的時候，我想起了許多事，大家是否知道我國的第一臺電子計算機是什麼型號？是什麼樣子？是1958年生產的103機，後來又有了全晶體管的電子計算機，很榮幸的是，在我工作過的單位裏，曾經有過這麼一臺全晶體管的電子計算機，就是那種使用穿孔紙帶輸入計算機程序，佔地好幾百平方米，一旦開動需要幾十人進行維護的傢伙，我到這個單位的時候，這臺機器早已不再運轉的，80年代的時候，我有幸參加了這臺機器的拆解工作，給我印象最深的是，我終於看到了當時在教科書裏說的“磁鼓”（估計現在的教科書裏也沒有了），一種看上去像篩子一樣的東西，那就是當年的存儲器，用於在紙帶上打孔進行程序輸入的穿孔機我用過，樣子很像老式的英文打字機。還有那種8英寸的軟盤，估計現在也很少有人見過了。
好了言歸正傳，大家都知道，8088/8086只有20位地址線，按理它的尋址空間是2^20，應該是1024KB，但PC機的尋址結構是segment:offset，segment和offset都是16位的寄存器，最大值是0ffffh，換算成物理地址的計算方法是把segment左移4位，再加上offset，所以segment:offset所能表達的尋址空間最大應爲0ffff0h + 0ffffh = 10ffefh（前面的0ffffh是segment=0ffffh並向左移動4位的結果，後面的0ffffh是可能的最大offset），這個計算出的10ffefh是多大呢？大約是1088KB，就是說，segment:offset的地址表達能力，超過了20位地址線的物理尋址能力，你說這是不是有點麻煩。在早先，由於所有的機器都沒有那麼大的內存，加上地址線只有20位，所以當你用segment:offset的方式企圖尋址100000h這個地址時，由於沒有實際的第21位地址線，你實際尋址的內存是00000h的位置，如果你企圖尋址100001h這個地址時，你實際得到的內容是地址00001h上的內容，所以這個事對實際使用幾乎沒有任何影響，但是後來就不行了，出現了80286，地址線達到了24位，使segment:offset尋址100000h--10ffefh這將近64K的存儲器成爲可能，爲了保持向下兼容，於是出現了A20 Gate，這是後話，我們後面再細說。
我們可能經常聽到一些只有在PC機上纔有的一些關於存儲器的專有名詞，包括：常規內存（Conventional Memory）、上位內存區（Upper Memory Area）、高端內存區（High Memory Area）和擴展內存（Extended Memory），我儘量把這幾個東東說明白，這需要下面這張著名的圖。
這張圖很清楚地說明了問題，大家都知道，DOS下的“常規內存”只有640K，這640K就是從0--A0000H這段地址空間；所謂“上位內存區”，指的就是20位地址線所能尋址到的1M地址空間的上面384K空間，就是從A0001H--100000H這段地址空間，也就是我們說的用於ROM和系統設備的地址區域，這384K空間和常規內存的640K空間加起來就是20位地址線所能尋址的完整空間1024KB；由於80286和80386的出現使PC機的地址線從20位變成24位又變成32位，尋址能力極大地增加，1M以上的內存尋址空間，我們統稱爲“擴展內存”；這裏面絕大部分內存區域只能在保護模式下才能尋址到，但有一部分既可以在保護模式下，也可以在實模式下尋址，這就是我們前面提到過的地址100000h--10ffefh之間的這塊內存，爲了表明其特殊性，我們把這塊有趣的內存區叫做“高端內存”。
前面我們提過由於IBM的愚蠢設計給PC機的內存結構埋下了麻煩的伏筆，現在我們來說說這個麻煩。我們都見過PC機上的內存條，但是由於上位內存區的存在，這個內存條上的地址居然不能連續，就是說，這個內存條上要有0--A0000H的地址空間，還要有100000h--最大內存容量的地址空間，中間的384K地址空間必須留出來給ROM用，在現如今一個芯片就好幾兆的情況下，你說這個內存條應該怎麼做，當然我相信一定是可以做出來的，但肯定很麻煩，如果當初IBM把這個“上位內存區”放在地址低端，就是0--6000h這一部分，豈不是這個麻煩就沒有了？！
但是，實際的內存條上地址都是連續的，並沒有人把這段地址空間留出來給ROM使用，原因很簡單，採用技術手段把這段地址空間空出來，比浪費這384K內存的成本還要高，所以在這個地址區域就出現了很奇怪的現象，ROM和RAM的地址重疊。 實際上，往往ROM並不能完全覆蓋整個384K區域，這樣就會有一些地址沒有被ROM佔用，那麼這部分地址上的RAM仍然是可以使用的。實際上，和ROM重疊的這384K RAM一般也不會被浪費，說到這裏，不得不說所謂的ROM Shadowing了，RAM和ROM的性能是有很大差異的，RAM的存取速度要遠遠大於ROM，而且RAM可以32位存取，ROM通常只能16位，所以目前的PC機對這塊RAM和ROM重疊的區域的處理採用一種ROM Shadowing的技術方式，當機器加電後，先讓ROM有效，RAM無效，然後讀出ROM內容，再讓ROM無效，RAM有效，把讀出的ROM內容放到相同地址的RAM中，並把相應位置的RAM設定爲只讀，這樣就把ROM搬到了RAM中，地址完全一樣，只是性能比使用ROM要高些，這塊RAM就好像ROM的Shadow一樣。
回到我們的主題A20 Gate，出現80286以後，爲了保持和8086的兼容，PC機在設計上在第21條地址線（也就是A20）上做了一個開關，當這個開關打開時，這條地址線和其它地址線一樣可以使用，當這個開關關閉時，第21條地址線（A20）恆爲0，這個開關就叫做A20 Gate，很顯然，在實模式下要訪問高端內存區，這個開關必須打開，在保護模式下，由於使用32位地址線，如果A20恆等於0，那麼系統只能訪問奇數兆的內存，即只能訪問0--1M、2-3M、4-5M......，這顯然是不行的，所以在保護模式下，這個開關也必須打開。
下面我們來看一下PC機是怎麼實現A20 Gate的。
早期的PC機，控制鍵盤有一個單獨的單片機8042，現如今這個芯片已經給集成到了其它大片子中，但其功能和使用方法還是一樣，當PC機剛剛出現A20 Gate的時候，估計實在找不到控制它的地方了，同時爲這點小事也不值得增加芯片，於是工程師使用這個8042鍵盤控制器來控制A20 Gate，但A20 Gate真的和鍵盤一點關係也沒有，我們先從軟件的角度簡單介紹一下8042這個芯片。
8042有4個寄存器
-
1個8-bit長的Input buffer；Write-Only；
-
1個8-bit長的Output buffer； Read-Only；
-
1個8-bit長的Status Register；Read-Only；
-
1個8-bit長的Control Register；Read/Write。
有兩個端口地址：60h和64h。
- 讀60h端口，讀output buffer
- 寫60h端口，寫input buffer
- 讀64h端口，讀Status Register
對Control Register的操作相對要複雜一些，首先要向64h端口寫一個命令（20h爲讀命令，60h爲寫命令），然後根據命令從60h端口讀出Control Register的數據或者向60h端口寫入Control Register的數據（64h端口還可以接受許多其它的命令）。
先來看看Status Register的定義，我們後面要用bit 0和bit 1：
bit meaning
-----------------------------------------------------------------------
0 output register (60h) 中有數據
1 input register (60h/64h) 有數據
2 系統標誌（上電覆位後被置爲0）
3 data in input register is command (1) or data (0)
4 1=keyboard enabled, 0=keyboard disabled (via switch)
5 1=transmit timeout (data transmit not complete)
6 1=receive timeout (data transmit not complete)
7 1=even parity rec'd, 0=odd parity rec'd (should be odd)
除了這些資源外，8042還有3個內部端口：Input Port、Outport Port和Test Port，這三個端口的操作都是通過向64h發送命令，然後在60h進行讀寫的方式完成，其中本文要操作的A20 Gate被定義在Output Port的bit 1上，所以我們有必要對Outport Port的操作及端口定義做一個說明。
- 讀Output Port
向64h發送0d0h命令，然後從60h讀取Output Port的內容 - 寫Output Port
向64h發送0d1h命令，然後向60h寫入Output Port的數據
另外我們還應該介紹兩個命令：
- 禁止鍵盤操作命令
向64h發送0adh - 打開鍵盤操作命令
向64h發送0aeh
有了這些命令和知識，我們可以考慮操作A20 Gate了，有關8042芯片更詳細的資料，請參考該芯片的Data Sheet。
如何打開和關閉A20 Gate。
理論上講，我們只要操作8042芯片的輸出端口（64h）的bit 1，就可以控制A20 Gate，但實際上，當你準備向8042的輸入緩衝區裏寫數據時，可能裏面還有其它數據沒有處理，所以，我們要首先禁止鍵盤操作，同時等待數據緩衝區中沒有數據以後，才能真正地去操作8042打開或者關閉A20 Gate。打開A20 Gate的具體步驟大致如下：
1.關閉中斷；
2.等待8042 Input buffer爲空；
3.發送禁止鍵盤操作命令；
4.等待8042 Input buffer爲空；
5.發送讀取8042 Output Port命令；
6.等待8042 Output buffer有數據；
7.讀取8042 Output buffer，並保存得到的字節；
8.等待8042 Input buffer爲空；
9.發送Write 8042 Output Port命令到8042 Input buffer；
10.等待8042 Input buffer爲空；
11.將從8042 Output Port得到的字節的第2位置1（或清0），然後寫入8042 Input buffer；
12.等待，直到8042 Input buffer爲空爲止；
13.發送允許鍵盤操作命令到8042 Input buffer；
14. 打開中斷。
下面是完成打開A20 Gate的代碼：
A20Enable:
cli ;1.關閉中斷
call WaitInbufEmpty ;2.等待8042 Input buffer爲空；
mov al, 0adh
mov dx, 64h
out dx, al ;3.發送禁止鍵盤操作命令
call WaitInbufEmpty ;4.等待8042 Input buffer爲空；
mov al, 0d0h
mov dx, 64h
out dx, al ;5.發送讀取8042 Output Port命令；
call WaitOutbufFull ;6.等待8042 Output buffer有數據；
mov dx, 60h
in al, dx ;7.讀取8042 Output buffer
push ax ;保存讀取的數據
call WaitInbufEmpty ;8.等待8042 Input buffer爲空；
mov al, 0d1h
mov dx, 64h
out dx, al ;9.發送寫 8042 Output Port命令
call WaitInbufEmpty ;10.等待8042 Input buffer爲空
pop ax
or al, 02h ;11.將從8042 Output Port得到的字節的bit 1置1
mov dx, 60h
out dx, al ;寫入Output Port
call WaitInbufEmpty ;12.等待8042 Input buffer爲空
mov al, 0aeh
mov dx, 64h
out dx, al ;13.發送允許鍵盤操作命令
sti ;開中斷
ret
WaitInbufEmpty:
mov dx, 64h
in al, dx ;讀取Status Register
test al, 02h
jnz WaitInbufEmpty
ret
WaitOutbufFull:
mov dx, 64h
in al, dx
test al, 01 ;讀取Status Register
jz WaitOutbufFull
ret
後來，由於感覺使用8042控制A20運行太慢了（確實，那麼長的代碼，中間還要若干次的wait），所以後來又出現了所謂的Fast A20，實際上，現在的大多數機器都是Fast A20，Fast A20使用92h端口控制A20，同時BIOS裏提供了一個軟中斷來控制A20：
入口：ah=24h
al=0 關閉A20
1 打開A20
2 讀取A20狀態
int 15h
返回：如果BIOS支持此功能，CF=0，否則CF=1
CF=0時，AX返回當前A20狀態，1=打開，0=關閉
像8042中的Output Port中的定義一樣，92h端口的bit 1控制着A20，爲1時打開，爲0時關閉，從92h中讀一個byte可以看a20的當前狀態，所以對92h的操作如下：
- 讀A20狀態
mov dx, 92h
in al, dx
如果al的bit 1爲1表示a20打開，否則爲0 - 打開A20
mov dx, 92h
mov al, 02
out dx, al - 關閉A20
mov dx, 92h
mov al, 0
out dx, al
特別要注意的是，大家從這篇文章的文字中可能也能感覺到，A20 Gate的設計本身就讓人感覺很彆扭，不是那麼流暢，所以和A20有關的事情就難免也會有相同的感覺，很奇怪的是，上面介紹的三種方法並不是在每臺機器上都適用，所以如果你要做一個商業軟件其中要操作A20，那一定要三種方式聯合使用才比較穩妥，否則會有意想不到的結果，LINUX公開的啓動代碼中就是這麼做的
在DOS下有時我們會在config.sys中寫上一句：dos=high，這句就會把駐留的DOS放到高端內存區域去，怎麼放的呢？關鍵點就是打開A20，然後把DOS從常規內存搬到100000h起始的區域去，並把在常規內存中佔用的內存釋放掉，當然說起來容易，實際做的時候還有很多細節要處理。
說到DOS=HIGH，就不得不提醒大家另一件事，如果在config.sys中有dos=high這一句，那麼恐怕92h的方法和BIOS的方法都會不完全靈驗（至於操作8042的方法靈不靈我沒有試），這是DOS做了手腳，因爲DOS被放到了高端內存中，爲了保證DOS能正常運行，它不允許你把A20給關掉，遇到這種情況不要驚慌，不是我寫得不對，確實是DOS太狡猾了。
還有最後一點要特別注意，92h的bit 0是給機器發覆位信號的（8042 Output Port的bit 0也是），所以在向92h寫數據時，千萬不要讓bit 0爲1，否則機器會重新啓動，如果你的應用程序需要重新啓動機器，這也是方法之一，比jmp 0ffffh:0來的還要乾脆。
在其它我們介紹保護模式的文章中，我們會用到上面提到的打開A20的方法，屆時可能就不會做更多的解釋了。
另外，涉及操作A20的資料其實很少，有些資料我手裏也很缺乏，比如92h除bit 0和bit 1以外的定義是什麼我至今也不知道，包括本文中的一些內容也是摸索所得，並沒有資料予以佐證，所以萬一有不對的地方，不要見怪，並懇請指出。