A20線

A20 、つまりアドレス 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 番目のビットを送信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数のアドレス 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。ラインの名前は、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付けられます。最下位ビットが最初であるため、ビット 0 と番号が付けられ、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。

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、プロセッサはこれらを使用して 2 ²⁰バイト、つまり 1 MB にアクセスできます。これらの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には、外部メモリ参照が 16 ビットのオフセットアドレスと 16 ビットのセグメント番号で構成され、4 ビット左にシフトされて 20 ビットの物理アドレスが生成されます。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。したがって、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：オフセットの組み合わせのうち4つを次に示します。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、オフセットが 1 増加するとF800:8000となり、これはプロセッサの適切なアドレスですが、物理アドレス0x00100000 (1 MB を超える最初のバイト) に変換されるため、プロセッサはそのバイトに実際にアクセスするために別のアドレス ラインが必要になります。8086 ラインのプロセッサにはそのようなラインがないため、上記の 21 番目のビットは設定されていてもドロップされ、アドレスF800:8000 が「ラップアラウンド」し^{[1] 、実際には物理アドレス}0x00000000を指すことになります。

IBM は、IBM PC AT (1984) マシンを設計したとき、新しい高性能のIntel 80286マイクロプロセッサを使用することを決定しました。80286 は、保護モードで最大 16 MB のシステム メモリをアドレス指定できました。ただし、CPU は、起動モードであるリアルモードでは 8086 の動作をエミュレートし、保護モード用に作成さ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ました。ただし、80286 は、リアル モードでは A20 ラインをゼロに強制しませんでした。したがって、組み合わせF800:8000 は、物理アドレス0x00000000ではなく、アドレス0x00100000を指すようになりました。その結果、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りました。このような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ました。

これは、プロセッサとシステム バスの間の A20 ラインにロジック 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または無効にすることができ、アドレス バスが A20 からの信号を受信できるようにしたり、受信しないようにしたりできます。ラップアラウンドに依存する古いプログラムを実行する場合は、非通過に設定されています。起動時に、BIOSは最初にシステム メモリ全体をカウントしてテストするときに Gate-A20 を有効にし、次にオペレーティング システムに制御を渡す前に Gate-A20 を無効にします。

もともと、ロジックゲートは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]これを制御するの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のより効率的な}マルチタスクを可能にするために、他の方法が追加されました。A20 ラインを制御するには複数の方法があります。^[3]

A20 を切断しても、1 MB を超えるすべてのメモリ アクセスがラップされるわけではなく、1～2 MB、3～4 MB、5～6 MB などの範囲のメモリ 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 1 MB よりわずかに上の領域のみを対象とするため、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 モードでは、プロセッサの仮想メモリ機能を使用して A20 ラップアラウンドをシミュレートできます。物理メモリは複数の仮想アドレスにマップできます。したがって、仮想メモリの最初のメガバイトにマップされたメモリは、仮想メモリの 2 番目のメガバイトに再度マップ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 アドレス空間に対応する変更を加える可能性があります。これにより、ゲート A20 ラインのトグルの効率も無関係になります。

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) のメモリにアクセスできるようになるためです。

おそらく「ハック」であったが、A20ゲートは元々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た。^[4]

Intel 8086との完全な互換性を保つため、A20ゲートは2008年までIntel CPUに存在していました。 ^[5]ゲートは最初は起動直後に閉じられていたため、保護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、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 では、A20M#という特別なピンが追加されました。このピンをローにアサートすると、すべてのオンチップキャッシュまたは外部メモリ アクセスで物理アドレスのビット 20 が 0 になります。80486 ではオンチップ キャッシュが導入され、外部ロジックでこのビットをマスクできなくなったため、このピンが必要になりました。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) を処理する必要があります。^[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A20M#がプロセッサに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、特別なバス サイクルを使用して周辺ハードウェアから CPU に情報が送信されるように仮想化されました。^{[引用が必要]}ソフトウェアの観点からは、メカニズムは以前とまった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 (次に前述のバス サイクルを CPU に送信) をプログラムする必要があります。^{[引用が必要]}

IntelはHaswell以降、A20ゲートをサポートしなくなりました。2013年6月のIntel System Programmers Manual 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 ハンドラーは、高メモリ領域(HMA)へのアクセスを制御するIBM PC メモリ マネージャーソフトウェアです。通常、この機能は拡張メモリマネージャーによって提供されます。A20 ハンドラーは、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 マネージャには、A20 を管理する「追加タスク」があります。HIMEM.SYS は、 A20 を開いたり閉じたりするためのAPI を提供しました。DOS 自体は、ストレージのニーズに応じてこの領域を使用できるため、プログラム用により多くのコンベンショナル メモリを解放できます。この機能は、CONFIG.SYS構成ファイルのDOS=HIGHまたはディレクティブによって有効になりました。 HIDOS=ON

1980 年以来、アドレス ラップは86-DOSとMS-DOSによって内部的に使用され、プログラム セグメント プレフィックス(PSP) (CP/ M-80のゼロ ページに部分的に類似) 内のオフセット +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) を実装していました。^{[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使用されました。^{[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 に存在します (そのため、INT 30h 用に予約されている}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]}しかし、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から+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8086セグメント:オフセットアドレス指定方式でDOS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。これは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に追加したときにアドレスが0x001000C0になるセグメント値を選択することでした。これは8086では0x000000C0にラップアラウンドします。^{[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プログラムが機能するためには、A20を無効にする必要がありました。HMAに一部を再配置できる新しいDOSバージョンは、通常、 HMAのFFFF:00D0（これも物理的な0x001000C0に解決されます）の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機能できるようにします。^{[14] [16]}

CALL 5 インターフェースを使用するプログラムとして知られているのは、Small-Cコンパイラの DOS バージョンです。^{[17]また、Microsoft の}Word 3.0 (1987)の SPELL ユーティリティも、CALL 5 インターフェースの設定に依存するプログラムの 1 つです。^[18] Sun MicrosystemsのPC-NFS (1993) も CALL 5 の修正を必要とします。^[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からF800:7FFFなど）にアクセスできるセグメントを1つ持つなど、トリックを使用しました。また、最初のメモリセグメント（物理アドレス0x00000000から0x00007FFFを指すアドレスF800:8000からF800:FFFF ）に配置されたI/Oデータ（キーボードバッファなど）にもアクセスできます。

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カーネルが高位の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できるようになり、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より上に強制的にロードすることができます。

このトリックはIBM/Microsoft Pascal自体だけでなく、それを使ってコンパイルされたプログラムでも利用されており、^{[22] [23] [10] [17]} MicrosoftのMASMもその1つである。^[17]これを使った他の一般的に使われた開発ユーティリティには、RealiaのSpacemaker ^[20] ( 1982年にRobert BK Dewarによって書かれ、 Norton Utilities ^{[24] [25] [26] [27]}の初期バージョンの圧縮に使われた)やMicrosoftのEXEPACK ^{[19] [20] [1] [28] [17]} (1985年にReuben Bormanによって書かれた)などの実行可能圧縮プログラムや、MicrosoftのLINK 3.02以降に含まれる同等の/E[XEPACK]オプションがある。^{[19] [1] [28] [26]} EXEPACK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する。^{[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、元のファイルを拡張して復元したりすることで、 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。

• バグの互換性
• コンピュータストレージ
• ハイメモリ領域(HMA)
• LOADFIX (CONFIG.SYS ディレクティブ) (PTS-DOS)
• 不完全なアドレスデコード
• ブートローダー

• Brouwer, Andries Evert (2001)。「A20 - 過去の痛み」。2017年9月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年9月9日閲覧。
• Collins, Robert R. (2001). 「A20/Reset Anomalies」。2017年9月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年9月9日閲覧。
• Necasek, Michal (2018-01-30) [2018-01-28, 2018-01-26]. 「WordStar Again」. OS/2 Museum . 2019-07-28 にオリジナルからアーカイブ。 2019-07-28に取得。
• Ingenoso, Tony (1998-12-20). 「第 13 章 - A20 ゲートと HMA」。コードをより良く機能させる - 80x86 コードのサイズを最小限に抑え、場合によっては高速化する方法 (電子書籍)。2019-11-18 にオリジナルからアーカイブ。2019-11-18に取得。
• Ludloff, Christian (2011). 「x86 アーキテクチャのレガシー機能: KBC、PS/2、A20M#」. sandpile.org . 2021-08-15 にオリジナルからアーカイブ。2022-01-02に取得。