خط A20

يُعدّ خط العنوان A20 ، أو خط العنوان 20 ، أحد الخطوط الكهربائية التي تُشكّل ناقل النظام في نظام حاسوب قائم على معالج x86 . ويُستخدم خط A20 تحديدًا لنقل البت الحادي والعشرين على ناقل العنوان .

يحتوي المعالج الدقيق عادةً على عدد من خطوط العناوين يساوي اللوغاريتم الثنائي لعدد الكلمات في مساحة عناوينه الفيزيائية . على سبيل المثال، يحتاج معالج بسعة 4  جيجابايت من المساحة الفيزيائية القابلة للعنونة بالبايت إلى 32 خطًا ( _log₂ (4  جيجابايت)  = log₂ ₍ 2³² ^بايت ) = 32)، وتُسمى هذه الخطوط من A0 إلى A31. تُسمى الخطوط نسبةً إلى رقم البت في العنوان الذي تُرسله، بدءًا من الصفر. البت الأقل أهمية هو الأول، ولذلك يُرقم بالبت 0 ويُشار إليه على الخط A0. يُرسل الخط A20 البت 20 (البت الحادي والعشرين) ويُصبح نشطًا عندما تصل العناوين إلى 1  ميجابايت، أو ^2²⁰ .

كانت معالجات إنتل 8086 ، وإنتل 8088 ، وإنتل 80186 تحتوي على 20 خط عنوان، مرقمة من A0 إلى A19؛ وباستخدامها، يستطيع المعالج الوصول إلى 2^ ²⁰ بايت، أو 1  ميجابايت. كانت سجلات العناوين الداخلية لهذه المعالجات تحتوي على 16 بت فقط. للوصول إلى مساحة عنوان 20 بت، كان يتم تكوين مرجع ذاكرة خارجي من عنوان إزاحة 16 بت مضافًا إليه رقم مقطع 16 بت ، مع إزاحة 4 بتات إلى اليسار لإنتاج عنوان فعلي 20 بت. العنوان الناتج يساوي المقطع  × 16  + الإزاحة . ^{[ 1 ]} توجد العديد من تركيبات المقطع والإزاحة التي تُنتج نفس العنوان الفعلي 20 بت. لذلك، كانت هناك طرق مختلفة لعنونة نفس البايت في الذاكرة. ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، إليك أربعة من أصل 4096 تركيبة مختلفة من المقطع:الإزاحة، وكلها تشير إلى البايت الذي عنوانه الفعلي هو 0x000FFFFF (آخر بايت في  مساحة ذاكرة 1 ميجابايت):

F000:FFFF

FFFF:000F

F555:AAAF

F800:7FFF

بالرجوع إلى الطريقة الأخيرة، تؤدي زيادة الإزاحة بمقدار واحد إلى F800:8000 ، وهو عنوان صحيح للمعالج، ولكن بما أنه يُترجم إلى العنوان الفيزيائي 0x00100000 (أول بايت يزيد عن 1 ميجابايت)، سيحتاج المعالج إلى خط عنوان آخر للوصول الفعلي إلى هذا البايت. ولأن هذا الخط غير موجود في معالجات 8086، فإن البت 21 أعلاه، رغم كونه مُفعّلاً، يُحذف، مما يتسبب في التفاف العنوان F800:8000 ^{[ 1 ]} ليشير فعليًا إلى العنوان الفيزيائي 0x00000000 . 

عندما صممت شركة IBM جهاز IBM PC AT (1984)، قررت استخدام معالج Intel 80286 الجديد عالي الأداء . كان بإمكان معالج 80286 الوصول إلى ما يصل إلى 16  ميجابايت من ذاكرة النظام في الوضع المحمي . مع ذلك، كان من المفترض أن يحاكي المعالج سلوك معالج 8086 في الوضع الحقيقي ، أي وضع بدء التشغيل، لكي يتمكن من تشغيل أنظمة التشغيل والبرامج غير المصممة للوضع المحمي. لكن معالج 80286 لم يُجبر خط A20 على الصفر في الوضع الحقيقي. لذلك، لم يعد التركيب F800:8000 يشير إلى العنوان الفعلي 0x00000000 ، بل إلى العنوان 0x00100000 . ونتيجة لذلك، توقفت البرامج التي تعتمد على التفاف العنوان عن العمل. ولضمان التوافق مع هذه البرامج، قررت IBM معالجة المشكلة على اللوحة الأم .

تم تحقيق ذلك بإضافة بوابة منطقية على خط A20 بين المعالج وناقل النظام، والتي سُميت بوابة A20 . يمكن تفعيل أو تعطيل بوابة A20 برمجياً للسماح لناقل العناوين باستقبال إشارة من A20 أو منعه. يتم ضبطها على وضع عدم المرور لتنفيذ البرامج القديمة التي تعتمد على الالتفاف. عند بدء التشغيل، يقوم نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS) أولاً بتفعيل بوابة A20 عند عدّ واختبار جميع ذاكرة النظام، ثم يعطلها قبل نقل التحكم إلى نظام التشغيل.

في الأصل، كانت البوابة المنطقية عبارة عن بوابة متصلة بوحدة تحكم لوحة المفاتيح Intel 8042. ^{[ 1 ]} وكانت عملية التحكم بها بطيئة نسبيًا. ومنذ ذلك الحين، أُضيفت طرق أخرى لتحسين كفاءة تعدد المهام للبرامج التي تتطلب هذا الالتفاف مع البرامج التي تصل إلى ذاكرة النظام بأكملها. توجد طرق متعددة للتحكم في سلسلة A20. ^{[ 3 ]}

لن يؤدي فصل A20 إلى حجب جميع عمليات الوصول إلى الذاكرة التي تتجاوز 1  ميجابايت، بل فقط تلك التي تقع ضمن نطاقات 1-2  ميجابايت، 3-4  ميجابايت، 5-6  ميجابايت، وهكذا. يهتم برنامج الوضع الحقيقي فقط بالمساحة التي تزيد قليلاً عن 1  ميجابايت، لذا كان خط Gate-A20 كافيًا.

يُعد تمكين خط Gate-A20 أحد الخطوات الأولى التي يقوم بها نظام التشغيل x86 في الوضع المحمي في عملية بدء التشغيل، وغالبًا قبل أن يتم نقل التحكم إلى النواة من التمهيد (في حالة Linux ، على سبيل المثال).

يُتيح وضع 8086 الافتراضي ، الذي طُرح مع معالج Intel 80386 ، محاكاة التفاف A20 باستخدام إمكانيات الذاكرة الافتراضية للمعالج؛ حيث يُمكن ربط الذاكرة الفعلية بعناوين افتراضية متعددة. وبالتالي، يُمكن ربط الذاكرة المُخصصة في أول ميغابايت من الذاكرة الافتراضية مرة أخرى في الميغابايت الثاني منها. يُمكن لنظام التشغيل اعتراض التغييرات التي تطرأ على البوابة A20 وإجراء تغييرات مُقابلة على مساحة عناوين الذاكرة الافتراضية، مما يُلغي أهمية كفاءة تبديل خط البوابة A20.

كان التحكم في خط A20 ميزة مهمة في مرحلة ما من نمو بنية IBM PC، حيث أضاف إمكانية الوصول إلى 65520 بايت إضافية (64  كيلوبايت - 16  بايت) من الذاكرة في الوضع الحقيقي ، دون تغييرات برمجية كبيرة.

فيما يمكن اعتباره "اختراقاً"، كانت بوابة A20 في الأصل جزءاً من وحدة تحكم لوحة المفاتيح على اللوحة الأم، والتي يمكنها فتحها أو إغلاقها حسب السلوك المطلوب. ^{[ 4 ]}

للحفاظ على التوافق التام مع معالج Intel 8086 ، ظلّت بوابة A20 موجودة في معالجات Intel حتى عام 2008. ^{[ 5 ]} ولأن هذه البوابة كانت تُغلق مباشرةً بعد بدء التشغيل، كانت أنظمة التشغيل في الوضع المحمي تفتح بوابة A20 في وقت مبكر من عملية بدء التشغيل حتى لا تُغلقها مرة أخرى. لم يكن لدى هذه الأنظمة أي أسباب تتعلق بالتوافق لإبقائها مغلقة، وقد مكّنها فتحها من الوصول إلى كامل نطاق العناوين الفيزيائية المتاحة.

أضاف معالجا إنتل 80486 وبنتيوم دبوسًا خاصًا يُسمى A20M# ، والذي عند تفعيله بمستوى منخفض، يُجبر البت رقم 20 من العنوان الفيزيائي على أن يكون صفرًا لجميع عمليات الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت المدمجة أو الذاكرة الخارجية. كان ذلك ضروريًا، لأن معالج 80486 قدّم ذاكرة تخزين مؤقت مدمجة، وبالتالي لم يعد من الممكن إخفاء هذا البت في الدوائر المنطقية الخارجية. لا يزال البرنامج بحاجة إلى معالجة البوابة، ولا يزال عليه التعامل مع الأجهزة الطرفية الخارجية ( مجموعة الشرائح ) للقيام بذلك. ^{[ 6 ]}

يزيل دليل تصميم نظام الكمبيوتر الشخصي PC 2001 التوافق مع خط A20: "إذا كانت منطق توليد A20M# لا تزال موجودة في النظام، فيجب إنهاء هذا المنطق بحيث لا تؤدي عمليات الكتابة البرمجية إلى منفذ الإدخال/الإخراج 92، البت 1، إلى تأكيد A20M# للمعالج." ^{[ 7 ]}

تم تغيير دعم بوابة A20 في بنية Nehalem الدقيقة (تزعم بعض المصادر خطأً إزالة دعم A20). فبدلاً من وجود منفذ A20M# مخصص في وحدة المعالجة المركزية لاستقبال إشارة تحديد ما إذا كان سيتم إخفاء بت A20 أم لا، تم تحويله إلى وضع افتراضي بحيث تُرسل المعلومات من الأجهزة الطرفية إلى وحدة المعالجة المركزية باستخدام دورات ناقل خاصة. من الناحية البرمجية، تعمل الآلية تمامًا كما كانت سابقًا، ولا يزال يتعين على نظام التشغيل برمجة الأجهزة الخارجية (التي بدورها ترسل دورات الناقل المذكورة إلى وحدة المعالجة المركزية) لتعطيل إخفاء بت A20.

لم تعد شركة إنتل تدعم بوابة A20، بدءًا من معالجات Haswell . تنص الصفحة 271 من دليل مبرمجي أنظمة إنتل، المجلد 3A، الصادر في يونيو 2013، على ما يلي: "تُستخدم وظيفة A20M# بشكل أساسي في أنظمة التشغيل القديمة، ولا تُستخدم في أنظمة التشغيل الحديثة. قد لا تكون A20M# موجودة في معالجات إنتل 64 الأحدث ." ^{[ 8 ]}

معالج A20 هو برنامج لإدارة ذاكرة أجهزة IBM PC، يتحكم في الوصول إلى منطقة الذاكرة العالية (HMA). عادةً ما توفر برامج إدارة الذاكرة الموسعة هذه الوظيفة. سُمّي معالج A20 بهذا الاسم نسبةً إلى سطر العنوان الحادي والعشرين للمعالج الدقيق، وهو سطر A20.

في نظام التشغيل DOS ، تتولى برامج إدارة الذاكرة المخصصة (HMA) مثل HIMEM.SYS مهمة إضافية تتمثل في إدارة A20. يوفر HIMEM.SYS واجهة برمجة تطبيقات (API) لفتح وإغلاق A20. يمكن لنظام DOS نفسه استخدام هذه المساحة لتلبية بعض احتياجاته التخزينية، مما يتيح مساحة أكبر من الذاكرة التقليدية للبرامج. وقد تم تفعيل هذه الوظيفة من خلال DOS=HIGHتوجيهات HIDOS=ONفي ملف التكوين CONFIG.SYS .

منذ عام 1980، استُخدم التفاف العنوان داخليًا في نظامي 86-DOS و MS-DOS لتنفيذ  نقطة دخول DOS CALL 5 عند الإزاحة من +5 إلى +9 (والتي تحاكي نقطة دخول واجهة برمجة تطبيقات BDOS CALL 5 بنمط CP/M-80 عند الإزاحة من +5 إلى +7) في بادئة مقطع البرنامج (PSP) (والتي تشبه جزئيًا الصفحة الصفرية لنظام CP/M-80 ). ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد استُخدم هذا الأسلوب تحديدًا في البرامج المترجمة آليًا من CP/M-80 عبر مترجمات لغة التجميع ^{[ 9 ]} مثل برنامج TRANS86 من شركة Seattle Computer Products . ^{[ 11 ]} يقع معالج الاستدعاء 5 الذي تشير إليه نقطة الدخول هذه في العنوان الفيزيائي للجهاز 0x000000C0 (وبذلك يتداخل مع البايتات الأربعة لنقطة دخول روتين خدمة المقاطعة المحجوزة للمقاطعة INT 30h والبايت الأول من المقاطعة INT 31h في جدول متجه المقاطعة للوضع الحقيقي x86 ). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} ومع ذلك، وفقًا لتصميم CP/M-80، الذي كان يُحمّل نظام التشغيل مباشرةً فوق الذاكرة المتاحة لتشغيل برنامج التطبيق، يمكن أيضًا تفسير عنوان الهدف 8080 / Z80 ذي 16 بت المخزن عند الإزاحة من +6 إلى +7 في الصفحة الصفرية على أنه حجم مقطع الذاكرة الأول. ^{[ 9 ]} لمحاكاة ذلك في نظام DOS باستخدام نظام عنونة المقطع:الإزاحة الخاص بمعالج 8086، كان لا بد من أن تتطابق إزاحة نقطة دخول الاستدعاء البعيدة (16 بت) مع حجم هذا المقطع (أي 0xFEF0 )، المخزن عند الإزاحة من +6 إلى +7 في PSP، متداخلةً مع أجزاء من CALL 5. ^{[ 13 ] [ 14 ]} الطريقة الوحيدة للتوفيق بين هذه المتطلبات هي اختيار قيمة مقطع، عند إضافتها إلى 0xFEF0 ، ينتج عنها عنوان 0x001000C0 ، والذي، على معالج 8086، يلتف إلى 0x000000C0 . ^{[ 15 ] [ 12 ] [ 14 ]}     

كان لا بد من تعطيل A20 لكي يحدث الالتفاف وتعمل برامج DOS التي تستخدم هذه الواجهة. عادةً ما تقوم إصدارات DOS الأحدث، التي يمكنها نقل أجزاء منها إلى HMA، بإنشاء نسخة من نقطة الدخول عند FFFF:00D0 في HMA (والتي تُحل بدورها إلى العنوان الفعلي 0x001000C0 )، بحيث يمكن للواجهة أن تعمل بغض النظر عن حالة A20. ^{[ 14 ] [ 16 ]}

من البرامج المعروفة باستخدامها  لواجهة CALL 5 نسخة DOS من مُصرّف Small-C . ^{[ 17 ]} كما أن أداة SPELL في برنامج Microsoft Word 3.0 (1987) تعتمد على واجهة CALL  5 للإعداد. ^{[ 18 ]} ويتطلب نظام التشغيل PC-NFS من Sun Microsystems (1993) أيضًا تثبيت واجهة CALL 5. ^{[ 16 ]} 

أيضًا، لتوفير مساحة البرنامج، ^{[ 1 ]} تم استخدام حيلة من قبل بعض مبرمجي BIOS وDOS، على سبيل المثال، أن يكون هناك مقطع واحد يمكنه الوصول إلى بيانات البرنامج (مثل من F800:0000 إلى F800:7FFF ، يشير إلى العناوين الفعلية 0x000F8000–0x000FFFFF )، بالإضافة إلى بيانات الإدخال/الإخراج (مثل مخزن لوحة المفاتيح المؤقت) الموجودة في مقطع الذاكرة الأول (مع العناوين من F800:8000 إلى F800:FFFF التي تشير إلى العناوين الفعلية من 0x00000000 إلى 0x00007FFF ).

تنجح هذه الحيلة طالما لم يتم تنفيذ الكود في الذاكرة المنخفضة ، أي أول 64  كيلوبايت من ذاكرة الوصول العشوائي، وهو شرط كان صحيحًا دائمًا في إصدارات DOS القديمة التي لا تحتوي على إمكانيات تحميل عالية.

مع نقل نواة نظام التشغيل DOS إلى مناطق ذاكرة أعلى، أصبحت الذاكرة المنخفضة متاحة بشكل متزايد للبرامج، مما تسبب في فشل البرامج التي تعتمد على آلية الالتفاف. ^{[ 19 ]} تحاول مُحمِّلات الملفات التنفيذية في الإصدارات الأحدث من DOS اكتشاف بعض أنواع البرامج المتأثرة الشائعة، إما بتصحيحها أثناء التشغيل لتعمل أيضًا في الذاكرة المنخفضة ^{[ 20 ]} أو بتحميلها فوق أول 64  كيلوبايت قبل بدء تنفيذها. ^{[ 20 ]} بالنسبة للبرامج التي لا يتم اكتشافها تلقائيًا، يمكن استخدام LOADFIX ^{[ 21 ]} أو MEMMAX  -L ^{[ 21 ]} لإجبار البرامج على التحميل فوق أول 64  كيلوبايت.

استُخدمت هذه الحيلة من قِبل IBM/Microsoft Pascal نفسها، وكذلك من قِبل البرامج المُجمّعة بها، ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 10 ] [ 17 ]} بما في ذلك MASM من Microsoft . ^{[ 17 ]} ومن بين أدوات التطوير الأخرى الشائعة الاستخدام التي تستخدم هذه الحيلة، برامج ضغط الملفات التنفيذية مثل Spacemaker من Realia ^{[ 20 ]} (الذي كتبه روبرت بي كي ديوار عام 1982 واستُخدم لضغط الإصدارات الأولى من Norton Utilities ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ) و EXEPACK من Microsoft ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 1 ] [ 28 ] [ 17 ]} (الذي كتبه روبن بورمان عام 1985)، بالإضافة إلى الخيار /E[XEPACK] المكافئ في LINK 3.02 من Microsoft والإصدارات الأحدث. ^{[ 19 ] [ 1 ] [ 28 ] [ 26 ]} ستعرض البرامج التي تتم معالجتها باستخدام EXEPACK رسالة خطأ "الملف المضغوط تالف". ^{[ 1 ] [ 20 ] [ 28 ]}

توجد العديد من الأدوات المساعدة التابعة لجهات خارجية لتعديل الملفات التنفيذية المضغوطة إما عن طريق استبدال روتين (روتينات) فك الضغط الإشكالي من خلال إعادة التشكيل، أو محاولة توسيع الملف الأصلي واستعادته.

تستخدم برامج الإقلاع الحديثة لأنظمة BIOS القديمة (مثل GNU GRUB ) خط A20. ^{[ 3 ]} بينما تستخدم برامج الإقلاع لأنظمة UEFI الوضع المحمي 32 بت أو الوضع الطويل 64 بت .

• توافق مع الأخطاء
• تخزين الكمبيوتر
• منطقة الذاكرة العالية (HMA)
• LOADFIX (توجيه CONFIG.SYS) (PTS-DOS)
• فك تشفير العنوان غير مكتمل
• برامج الإقلاع

• بروير، أندريس إيفرت (2001). "A20 - ألم من الماضي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 9 سبتمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2017 .
• كولينز، روبرت ر. (2001). "شذوذات A20/إعادة الضبط" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 9 سبتمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2017 .
• نيكاسيك، ميخال (30 يناير 2018) [28 يناير 2018، 26 يناير 2018]. "وورد ستار مجدداً" . متحف نظام التشغيل OS/2 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 يوليو 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 يوليو 2019 .
• إنجينوسو، توني (20 ديسمبر 1998). "الفصل 13 - بوابة A20 وHMA". تحسين أداء الشيفرة - كيفية تقليل حجم شيفرة 80x86 وأحيانًا تسريعها (كتاب إلكتروني). مؤرشف من الأصل في 18 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 18 نوفمبر 2019 .
• لودلوف، كريستيان (2011). "مفاهيم معمارية x86 القديمة: KBC وPS/2 وA20M#" . sandpile.org . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 أغسطس 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يناير 2022 .