ロングモード

x86-64 コンピュータアーキテクチャでは、ロングモードは64 ビットオペレーティングシステムが64 ビットの命令とレジスタにアクセスできるモードです。64 ビットプログラムは 64 ビットモードと呼ばれるサブモードで実行され、32 ビットプログラムと16 ビット保護モードプログラムは互換モードと呼ばれるサブモードで実行されます。リアルモードまたは仮想 8086 モードプログラムは、ロングモードでネイティブに実行することはできません。

概要

x86-64 プロセッサは、プロセッサがロングモードでない場合にサポートされているモードであるリアルモードまたは保護モードで実行されている場合、 IA-32プロセッサと同じように動作します。

CPUID拡張属性フィールドのビットは、リアルモードまたは保護モードのプログラムに、プロセッサがロングモードに移行できるかどうかを通知します。これにより、プログラムは x86-64 プロセッサを検出できます。これは、Intel IA-64プロセッサが、プログラムが IA-32 エミュレーションで実行されているかどうかを検出できるようにするために使用する CPUID 属性ビットに似ています。

レガシーBIOS を実行しているコンピュータでは、BIOS とブートローダはリアルモードで実行されます。実行がx86-64 をサポートするオペレーティングシステムカーネルに渡された後、カーネルは CPU のロングモードサポートを確認し、ロングモードに入るための命令を実行します。UEFI を実行しているコンピュータでは、 UEFI ファームウェア (CSM とレガシーオプション ROMを除く)、すべての UEFI ブートローダ、およびオペレーティングシステムカーネルはすべてロングモードで実行されます。

メモリ制限

レジスタのサイズは以前のx86 アーキテクチャから 64 ビットに増加しましたが、メモリのアドレス指定はまだ完全な 64 ビットに増加していません。当面は、完全な 64 ビットを必要とするほどのメモリをコンピュータに装備することは非現実的です。それが当てはまる限り、ロード/ストアユニット、キャッシュタグ、MMU 、およびTLB は、使用可能なメモリを失うことなく簡素化できます。この制限にもかかわらず、ソフトウェアは完全な 64 ビットポインタを使用してプログラムされるため、将来のプロセッサやオペレーティングシステムでサポートされるようになると、徐々に大きなアドレス空間を使用できるようになります。

現在の制限

x86-64アーキテクチャを実装した最初のCPU、すなわちAMD Athlon 64 / Opteron（K8）CPUは、48ビットの仮想アドレス^[1]^{: 129–130}と40ビットの物理アドレスを持っていました。^[1]^{: 4}

これらのプロセッサの仮想アドレス空間は 2 つの 47 ビット領域に分割されており、1 つは可能な限り低いアドレスから始まり、もう 1 つは最大のアドレスから下方に伸びています。この範囲外のアドレスを使用しようとすると、一般保護違反が発生します。

物理アドレスの制限により、コンピュータがアクセスできるRAM の容量が制限されます。ccNUMAマルチプロセッサシステム (Opteron) では、CPU がホームノードかリモートノードかに関係なくすべてのメモリを直接アドレス指定 (およびキャッシュ) できるため、リモートノードにインストールされているメモリもこれに含まれます。K8 の物理メモリの 1 TB制限 (40 ビット) は、一般的なパーソナルコンピュータの標準からすると非常に大きいですが、スーパーコンピュータで使用するには制限だった可能性があります。その結果、K10 (または「10h」)マイクロアーキテクチャは48 ビットの物理アドレスを実装し、最大 256 TBの RAM をアドレス指定できます。^[2]

必要に応じて、マイクロアーキテクチャはソフトウェアからの副作用なしに段階的に拡張することができ、同時に実装コストを節約できます。将来の拡張のために、アーキテクチャは仮想アドレス空間を64ビットに、物理メモリアドレッシングを52ビット（ページテーブルエントリフォーマットによって制限されます）に拡張することをサポートしています。^{[3]これにより、プロセッサは2}⁶⁴バイト（16エクサバイト）の仮想アドレス空間と2 ⁵²バイト（4ペタバイト）の物理アドレス空間をアドレス指定できるようになります。

参照

参考文献

^ ab 「AMD64 アーキテクチャプログラマーズマニュアル第 2 巻: システムプログラミング」(PDF) 2016 年. 2015 年 4 月 9 日閲覧。
^ 「AMD ファミリー 10h プロセッサ向け BIOS およびカーネル開発者ガイド (BKDG)」(PDF)。p. 30 。2015 年 4 月 9 日閲覧。物理アドレス空間が 48 ビットに増加。
^ AMD 2016、p. 24：「AMD64 アーキテクチャでは、このサポートが強化され、64 ビットの仮想アドレスを 52 ビットの物理アドレスに変換できるようになりました。ただし、プロセッサ実装では、より小さな仮想アドレスと物理アドレス空間をサポートできます。」

外部リンク

Zeichick, Alan (2003-12-03). 「AMD Athlon 64 プロセッサのプラットフォームとツール」。開発者。AMD。2012-02-14 にオリジナルからアーカイブ。ロングモードの新機能のガイド
Chourdakis, Michael (2015-05-21). 「PC 用のリアル、保護されたロングモードアセンブリチュートリアル」。Code Project。

[amd-24593-1] 「AMD64 アーキテクチャプログラマーズマニュアル第 2 巻: システムプログラミング」(PDF) 2016 年. 2015 年 4 月 9 日閲覧。

[amd10h-2] 「AMD ファミリー 10h プロセッサ向け BIOS およびカーネル開発者ガイド (BKDG)」(PDF)。p. 30 。2015 年 4 月 9 日閲覧。物理アドレス空間が 48 ビットに増加。

[FOOTNOTEAMD201624-3] AMD 2016、p. 24：「AMD64 アーキテクチャでは、このサポートが強化され、64 ビットの仮想アドレスを 52 ビットの物理アドレスに変換できるようになりました。ただし、プロセッサ実装では、より小さな仮想アドレスと物理アドレス空間をサポートできます。」