ハイ メモリ領域は、A20 ゲートが有効になっている場合、80286 プロセッサのリアル モードでのみ使用できます。

A20 （アドレスライン20 ）は、 x86ベースのコンピュータシステムのシステムバスを構成する電気ラインの1つです。特にA20ラインは、アドレスバスの21番目のビットを伝送するために使用されます。

マイクロプロセッサには通常、物理アドレス空間内のワード数の2 を底とする対数に等しいアドレス ラインがあります。たとえば、4 GB のバイト アドレス指定可能な物理空間を持つプロセッサには 32 本のライン (log 2 (4 GB) = log 2 (2 32 B) = 32) が必要で、これらは A0 から A31 までの名前が付けられます。これらのラインは、送信するアドレスのビットの 0 から始まる番号にちなんで名付けられています。最下位ビットが最初であるため、ビット 0 として番号が付けられ、ライン A0 で信号が送られます。A20 はビット 20 (21 番目のビット) を送信し、アドレスが 1 MB、つまり 2 20に達するとアクティブになります。

概要

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参照: x86 メモリセグメンテーション

Intel 8086、Intel 8088、およびIntel 80186プロセッサには、A0 から A19 まで番号が付けられた 20 のアドレス ラインがありました。これにより、プロセッサは 2 の20乗バイト、つまり 1 MB にアクセスできます。このようなプロセッサの内部アドレス レジスタは 16 ビットしかありませんでした。20 ビットのアドレス空間にアクセスするために、外部メモリ参照は 16 ビットのオフセットアドレスに 16 ビットのセグメント番号を追加し、4 ビット左にシフトして 20 ビットの物理アドレスを生成しました。結果のアドレスは、セグメント × 16 +オフセットに等しくなります。[ 1 ]同じ 20 ビットの物理アドレスを生成するセグメントとオフセットの組み合わせは多数あります。そのため、メモリ内の同じバイトをアドレス指定する方法はさまざまでした。[ 2 ]例えば、4096通りのセグメントとオフセットの組み合わせのうち4つを以下に示します。これらはすべて、物理アドレスが0x000FFFFF（1MBのメモリ空間の最後のバイト）であるバイトを参照しています。

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

最後の方法で参照すると、オフセットを1増やすとF800:8000 となり、これはプロセッサにとって適切なアドレスですが、物理アドレス0x00100000（1MBを超える最初のバイト）に変換されるため、プロセッサは実際にそのバイトにアクセスするために別のアドレスラインを必要とします。8086シリーズのプロセッサにはそのようなアドレスラインがないため、上記の21番目のビットはセットされていても破棄され、アドレスF800:8000は「ラップアラウンド」[ 1 ]し、実際には物理アドレス0x00000000を指すことになります。

IBM がIBM PC AT (1984) マシンを設計したとき、同社は新しい高性能なIntel 80286マイクロプロセッサの採用を決定した。80286 は、プロテクト モードで最大 16 MB のシステム メモリをアドレス指定できた。しかし、CPU はリアル モード(スタートアップ モード) で 8086 の動作をエミュレートし、プロテクト モード用に書かれていないオペレーティング システムやプログラムを実行できるようにすることになっていた。しかし、80286 はリアル モードでは A20 ラインをゼロに強制しなかった。したがって、F800:8000の組み合わせは物理アドレス0x00000000ではなく、アドレス0x00100000を指すようになった。結果として、アドレス ラップ アラウンドに依存するプログラムは動作しなくなった。こうしたプログラムとの互換性を維持するため、IBM はマザーボードの問題を修正することを決定した。

これは、プロセッサとシステムバス間のA20ラインに論理ゲートを挿入することで実現され、 Gate-A20と名付けられました。Gate-A20はソフトウェアによって有効化または無効化することができ、アドレスバスがA20からの信号を受信するかどうかを選択できます。ラップアラウンドに依存する古いプログラムの実行では、Gate-A20は非通過に設定されています。起動時、BIOSはシステムメモリ全体をカウントしてテストする際にGate-A20をまず有効化し、その後、オペレーティングシステムに制御を移す前に無効化します。

当初、論理ゲートはIntel 8042キーボードコントローラに接続されたゲートでした。[ 1 ]制御は比較的遅いプロセスでした。その後、このラップアラウンドを必要とするプログラムと、システムメモリ全体にアクセスするプログラムとのマルチタスクをより効率的に実行できるように、他の方法が追加されました。A20ラインを制御する方法は複数あります。[ 3 ]

A20を切断しても、1MBを超えるメモリアクセスはすべてラップされるわけではなく、1～2MB、3～4MB、5～6MBなどの範囲のアクセスのみがラップされます。リアルモードソフトウェアは1MBをわずかに上回る領域のみを処理するため、Gate-A20ラインで十分でした。

Gate-A20 ラインを有効にすることは、保護モードの x86 オペレーティング システムがブートアップ プロセスで実行する最初のステップの 1 つであり、多くの場合、ブートストラップからカーネルに制御が渡される前に行われます(たとえば、 Linuxの場合)。

Intel 80386で導入された仮想8086モードは、プロセッサの仮想メモリ機能を用いてA20のラップアラウンドをシミュレートすることを可能にします。物理メモリは複数の仮想アドレスにマッピングされます。つまり、仮想メモリの最初のメガバイトにマッピングされたメモリは、仮想メモリの2番目のメガバイトにも再びマッピングされる可能性があります。オペレーティングシステムはゲートA20への変更を傍受し、仮想メモリのアドレス空間に対応する変更を加える可能性があり、これもゲートA20ラインのトグルの効率を無関係にします。

A20ゲート

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A20 ラインの制御は、IBM PC アーキテクチャの成長過程のある段階では重要な機能でした。これは、ソフトウェアを大幅に変更することなく、リアルモードで追加の 65,520 バイト (64 KB - 16 バイト) のメモリへのアクセスを追加したためです。

おそらく「ハック」だったと思われるA20ゲートは、もともとマザーボード上のキーボードコントローラーの一部であり、必要な動作に応じてゲートを開いたり閉じたりすることができました。[ 4 ]

Intel 8086との完全な互換性を維持するため、A20ゲートは2008年までIntel CPUに存在していました。[ 5 ]このゲートは起動直後に閉じられていたため、プロテクトモードのオペレーティングシステムは通常、起動プロセスの早い段階でA20ゲートを開き、二度と閉じないようにしていました。このようなオペレーティングシステムには、A20ゲートを閉じたままにする互換性上の理由はなく、ゲートを開くことで利用可能な物理アドレスの全範囲にアクセスできるようになりました。

Intel 80486とPentiumには、 A20M#という特別なピンが追加されました。このピンをLowにアサートすると、すべてのオンチップキャッシュ（または外部メモリ）アクセスにおいて、物理アドレスのビット20が0に強制されます。これは、80486がオンチップキャッシュを導入したため、外部ロジックでこのビットをマスクすることができなくなったため、必要な機能でした。ソフトウェアは依然としてゲートを操作する必要があり、そのためには外部周辺機器（チップセット）とのやり取りが必要になります。[ 6 ]

PCシステム設計ガイドPC 2001では、A20ラインの互換性が削除されています。「A20M#生成ロジックがシステムにまだ存在する場合、このロジックは、I/Oポート92のビット1へのソフトウェア書き込みによってプロセッサにA20M#がアサートされないように終了する必要があります。」[ 7 ]

A20ゲートのサポートは、Nehalemマイクロアーキテクチャで変更されました（一部の情報源では、A20サポートが削除されたと誤って主張しています）。CPUがA20ビットをマスクするかどうかの信号を受信する専用のA20M#ピンを持つのではなく、周辺ハードウェアからCPUへ特別なバスサイクルを使用して情報が送信されるように仮想化されました。[要出典]ソフトウェアの観点から見ると、このメカニズムは以前と全く同じように機能し、オペレーティングシステムはA20マスクを無効にするために、外部ハードウェア（そして前述のバスサイクルをCPUに送信する）をプログラムする必要があります。[要出典]

インテルはHaswell以降、A20ゲートのサポートを終了しました。2013年6月の『インテル システムプログラマーズマニュアル Vol. 3A』の271ページには、「A20M#の機能は主に古いオペレーティングシステムで使用され、最新のオペレーティングシステムでは使用されません。新しいIntel 64プロセッサでは、A20M#が存在しない場合があります。」と記載されています。[ 8 ]

A20ハンドラー

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A20ハンドラは、IBM PCの メモリマネージャソフトウェアであり、ハイメモリ領域（HMA）へのアクセスを制御します。通常、この機能は拡張メモリマネージャによって提供されます。A20ハンドラは、マイクロプロセッサの21番目のアドレスラインであるA20ラインにちなんで名付けられています。

DOSでは、 HIMEM.SYSなどの HMA マネージャは、A20 を管理するという「追加タスク」を担っています。HIMEM.SYS はA20 をオープン/クローズするためのAPIを提供していました。DOS 自体は、この領域をストレージニーズの一部に使用でき、プログラムがより多くのコンベンショナルメモリを使用できるようになっています。この機能は、CONFIG.SYSDOS=HIGH設定ファイルのまたはHIDOS=ONディレクティブによって有効化されていました。

影響を受けるプログラム

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1980年以来、アドレスラップは86-DOSとMS-DOSで内部的に使用され、プログラムセグメントプレフィックス（PSP）（ CP/M-80のゼロページに部分的に似ている）のオフセット+5から+9のDOS CALL 5エントリポイント（オフセット+5から+7のCP/M-80スタイルのCALL 5 BDOS APIエントリポイントをエミュレートする）を実装しました。[ 9 ] [ 10 ]これは特に、シアトルコンピュータプロダクツのTRANS86などのアセンブリ言語トランスレータ[ 9 ]を介してCP/M-80から機械翻訳されたプログラムで利用されました。[ 11 ]このエントリポイントが参照するCALL 5ハンドラは、マシンの物理アドレス0x000000C0に常駐しています（そのため、INT 30hに予約されている割り込みサービスルーチンエントリポイントの4バイトと、x86リアルモード割り込みベクターテーブル内のINT 31hの最初のバイトが重複しています）。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]ただし、アプリケーションプログラムが実行できるメモリのすぐ上にオペレーティングシステムをロードするCP/M-80の設計により、ゼロページのオフセット+6～+7に格納されている8080 / Z80の16ビットターゲットアドレスは、意図的に最初のメモリセグメントのサイズとして解釈される可能性もあります。[ 9 ]これをDOSの8086セグメント:オフセットアドレス指定方式でエミュレートするためには、ファーコールエントリポイントの16ビットオフセットがこのセグメントサイズ（つまり0xFEF0）と一致する必要がありました。このセグメントサイズはPSPのオフセット+6から+7に格納され、CALL 5の一部と重複しています。[ 13 ] [ 14 ]これらの要件を調和させる唯一の方法は、0xFEF0に加算するとアドレスが0x001000C0になり、8086では0x000000C0にラップアラウンドするセグメント値を選択することでした。[ 15 ] [ 12 ] [ 14 ]

ラップアラウンドが発生し、このインターフェースを使用するDOSプログラムが動作するためには、A20を無効にする必要がありました。HMAに自身の一部を移動できる新しいDOSバージョンは、通常、 HMAのFFFF:00D0（これも物理アドレス0x001000C0に解決されます）にあるエントリポイントのコピーを作成し、A20の状態に関係なくインターフェースが動作できるようにします。[ 14 ] [ 16 ]

CALL 5インターフェースを使うことが知られているプログラムとしては、Small-CコンパイラのDOS版がある。[ 17 ]また、マイクロソフトのWord 3.0 （1987年）のSPELLユーティリティも、CALL 5インターフェースの設定を必要とするプログラムの1つである。[ 18 ] サン・マイクロシステムズのPC-NFS（1993年）もCALL 5の修正を必要とする。[ 16 ]

また、プログラムスペースを節約するために、[ 1 ]一部のBIOSおよびDOSプログラマーは、たとえば、プログラムデータ（物理アドレス0x000F8000 ～0x000FFFFFを指すF800:0000～F800:7FFFなど）にアクセスできる1つのセグメントと、最初のメモリセグメント（アドレスF800:8000～F800:FFFFで、物理アドレス0x00000000～0x00007FFFを指す）に配置されたI/Oデータ（キーボードバッファなど）にアクセスできるセグメントを持つなどのトリックを使用しました。

このトリックは、コードが低メモリ(RAM の最初の 64 KB)で実行されない限り機能します。これは、高負荷機能のない古い DOS バージョンでは常に当てはまっていた条件です。

DOSカーネルが高位メモリ領域に再配置されたため、低位メモリがプログラムに利用可能となり、ラップアラウンドに依存するプログラムが失敗するようになりました。[ 19 ] DOSの新しいバージョンの実行可能ローダーは、影響を受けるプログラムの一般的なタイプを検出し、低位メモリでも機能するようにオンザフライでパッチを適用するか[ 20 ]、実行を渡す前に最初の64KBより上にロードします。[ 20 ]自動的に検出されないプログラムの場合は、LOADFIX [ 21 ]またはMEMMAX  -L [ 21 ]を使用して、プログラムを最初の64KBより上にロードするように強制できます。

このトリックはIBM/Microsoft Pascal自体と、それでコンパイルされたプログラムで利用されており、[ 22 ] [ 23 ] [ 10 ] [ 17 ]これにはMicrosoftのMASMも含まれる。[ 17 ]これを使用した一般的な開発ユーティリティとしては、 RealiaのSpacemaker [ 20 ] （ 1982年にRobert BK Dewarによって書かれ、 Norton Utilitiesの初期のバージョンを圧縮するために使用された[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]）やMicrosoftのEXEPACK [ 19 ] [ 20 ] [ 1 ] [ 28 ] [ 17 ]（1985年にReuben Bormanによって書かれた）などの実行可能ファイル圧縮プログラム、およびMicrosoftのLINK 3.02以降で同等の/E[XEPACK]オプションがある。[ 19 ] [ 1 ] [ 28 ] [ 26 ] EXECPACKで処理されたプログラムは「パックされたファイルが壊れています」というエラーメッセージを表示します。[ 1 ] [ 20 ] [ 28 ]

問題のある解凍ルーチンをリスタブによって置き換えたり、元のファイルの展開と復元を試みたりして、 圧縮された実行可能ファイルを変更するためのさまざまなサードパーティ製ユーティリティが存在します。

最近のレガシーBIOS ブートローダー（ GNU GRUBなど）はA20ラインを使用します。[ 3 ] UEFIブートローダーは32ビット 保護モードまたは64ビット ロングモードを使用します。

参照

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参考文献

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  21. ^ a b ポール、マティアス R. (1997-07-30) [1996-06-18、1994-05-01]。 「V.4. Bessere Speicherausnutzung mit selbsthochladenden Programmen」。NWDOS-TIP — Novell DOS 7 に関するヒントとコツ、詳細、バグ、回避策を含む Blick です。リリース 157 (ドイツ語) (第 3 版)。2016-11-04 のオリジナルからアーカイブ。2014 年 8 月 6 日に取得。 {{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)NWDOSTIP.TXT (注: 提供されたリンクは、コレクションの一部であるのHTML変換バージョンを指していますMPDOSTIP.ZIP。) [20]
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  27. ^ Necasek, Michal (2018年4月30日). 「Realia SpaceMaker」 . OS/2 Museum . 2019年1月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年2月22日閲覧。
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