リアルモード

リアル モードは、リアル アドレス モードとも呼ばれ、すべてのx86互換CPUの動作モードです。このモードの名前は、リアル モードのアドレスが常にメモリ内の実際の位置に対応することに由来しています。リアル モードは、20ビットのセグメント化されたメモリ アドレス空間 (1 MBのアドレス指定可能なメモリを提供) と、すべてのアドレス指定可能なメモリ、I/O アドレス、および周辺ハードウェアへの無制限の直接ソフトウェア アクセスを特徴としています。リアル モードでは、メモリ保護、マルチタスク、またはコード特権レベルはサポートされません。

80286のリリースで保護モードが導入される前は、リアルモードがx86 CPUで使用できる唯一のモードでした。^[1]下位互換性のため、すべてのx86 CPUはリセット時にリアルモードで起動しますが、他のモードで起動する場合は他のシステムでリアルモードをエミュレートできます。

80286 アーキテクチャでは保護モードが導入され、ハードウェア レベルのメモリ保護などが可能になりました。ただし、これらの新機能を使用するには、保護モード専用に設計された新しいオペレーティング システムが必要でした。x86 マイクロプロセッサの主な設計仕様は、それ以前のすべての x86 チップ用に作成されたソフトウェアと完全に下位互換性があることであるため、286 チップは「リアル モード」、つまり新しいメモリ保護機能をオフにしたモードで起動するように作られており、8086および8088用に作成されたオペレーティング システムを実行できます。2018 年現在、現在の x86 CPU ( x86-64 CPU を含む) はリアル モード オペレーティング システムを起動でき、エミュレーションや仮想化なしで、以前のほぼすべての x86 チップ用に作成されたソフトウェアを実行できます。2023 年に Intel は、 X86S仕様で将来の CPU からリアル モードを削除することを提案しました。

IBM が導入したPC BIOS はリアルモードで動作し、 DOSオペレーティングシステム ( MS-DOS、DR-DOSなど) も同様です。Microsoft Windowsの初期バージョンはリアルモードで動作しました。Windows /386ではプロテクトモードをある程度使用できるようになり、Windows 3.0ではこれがより完全に実現され、リアルモードで動作することも、Windows/386 のようにプロテクトモードを使用することもできます。Windows 3.0 には実際には「リアルモード」、「標準モード」、「386 拡張モード」という複数のモードがありました。386 拡張モードは 80386 プロセッサの仮想化機能の一部を必要とするため、80286 では動作しません。Windows 3.1 ではリアルモードのサポートが削除され、少なくとも 80286 プロセッサを必要とする最初の主流のオペレーティング環境となりました。これらのバージョンはいずれも、特定の機能に対してのみプロテクトモードに切り替わるため、最新の x86 オペレーティングシステムとは見なされませんでした。Unix、Linux、OS/2、Windows NTは、起動時にCPUを保護モードに切り替え、リアルモードに戻ることなく、常に保護モードの利点をすべて提供するため、最新のOSと見なされています。64ビットオペレーティングシステムは、起動段階でのみリアルモードを使用し、OSカーネルはCPUをロングモードに切り替えます。^[2]特に、80286の保護モードは、80386で導入された改良された保護モードよりもかなり原始的です。後者は386保護モードと呼ばれることもあり、現代の32ビットx86オペレーティングシステムが実行されるモードです。^[要出典]

8086、8088、および 80186 には 20 ビットのアドレス バスがありますが、Intel がこれらのプロセッサ用に選択した珍しいセグメント アドレス指定方式では、実際には 21 ビットの有効アドレスが生成されます。この方式では、16 ビットのセグメント番号を 4 ビット左にシフトし (4 つの最下位ゼロを持つ 20 ビット番号を作成)、それに 16 ビットのアドレス オフセットを追加します。合計が最大になるのは、セグメントとオフセットの両方が 0xFFFF のときで、0xFFFF0 + 0xFFFF = 0x10FFEF になります。8086、8088、および 80186 では、有効アドレスが 20 ビットをオーバーフローすると、アドレスはアドレス範囲のゼロの端に「ラップアラウンド」します。つまり、2^20 を法として計算されます (2^20 = 1048576 = 0x100000)。ただし、80286 には 24 のアドレス ビットがあり、リアル モードでも有効なアドレスは 24 ビットで計算されます。したがって、セグメント 0xFFFF および 0x000F より大きいオフセットの場合、80286 は実際には 2 番目のメガバイトのメモリの先頭にアクセスしますが、80186 およびそれ以前のバージョンでは、最初のメガバイトの先頭にある [オフセット]-0x10 に等しいアドレスにアクセスします。(80186 およびそれ以前のバージョンでは、アドレス 0 から始まるアドレス空間の最初のキロバイトは、割り込みベクター テーブルの永続的で固定された場所であることに注意してください。) したがって、リアル モードで 80286 およびそれ以降の x86 CPU によってアドレス指定可能な実際のメモリ量は、1 MB + 64 KB – 16 B = 1,114,096 B です。

80286 より前のプログラムの中には、ラップアラウンド (モジュロ) メモリ アドレス指定動作を利用するように設計されていたものがあったため、80286 では下位互換性に問題がありました。21 番目のアドレス ライン (チップから出てくる実際のロジック信号線) をロジック ロー (ゼロを表す) に強制すると、モジュロ 2^20 効果が得られ、以前のプロセッサのアドレス演算と一致するようになりますが、80286 にはこの機能を実行する内部機能がありません。IBM は、80286 をIBM PC/ATに使用したとき、80286 の A20 ピンとシステム バスの間にある A20 アドレス ラインを有効または無効にする (ゼロに強制する) ソフトウェア設定可能なゲートを組み込むことでこの問題を解決しました。これは Gate-A20 (A20 ゲート) と呼ばれ、現在でも PC チップセットに実装されています。 IBM-/MS-DOS 用の HIMEM.SYS 拡張メモリ ドライバのほとんどのバージョンでは、ロード時に「A20 ハンドラ」がインストールされているというメッセージが表示されることで有名です。これは Gate-A20 を制御し、プログラムのニーズに合わせて調整するソフトウェアです。保護モードでは A20 ラインを有効にする必要があり、そうしないと物理アドレス エラーが発生し、システム クラッシュにつながる可能性があります。最近のレガシー ブート ローダ ( GNU GRUBなど) は A20 ラインを使用します。^[3]

Intel は、プロテクト モードを使用するオペレーティング システムが完全に新しいモードで実行され、プロテクト モードのオペレーティング システムで実行されるすべてのプログラムもプロテクト モードで実行されることを意図して、x86 ファミリにプロテクト モードを導入しました。リアル モードと、かなり制限された 286 プロテクト モードとの間にも大きな違いがあるため、リアル モード用に作成されたプログラムは、書き直さなければプロテクト モードで実行できません。したがって、ユーザーが依存している既存のリアル モード アプリケーションの基盤が広範囲にわたるため、リアル モードを放棄することは業界にとって問題となり、プログラマーはモードを自由に切り替える方法を模索しました。しかし、Intel は、プロセッサの使用目的に合わせて、80286 でプロテクト モードに簡単に切り替えられる方法を提供しましたが、リアル モードに戻す簡単な方法は提供しませんでした。386 より前は、プロテクト モードからリアル モードに戻す唯一の方法は、プロセッサをリセットすることでした。リセット後、8086 以前の x86 CPU との互換性を保つため、常にリアル モードで起動します。プロセッサをリセットしてもシステムの RAM はクリアされないため、これは扱いにくく非効率的ですが、実際には実行可能です。プロテクト モードでは、プロセッサの状態がメモリに保存され、プロセッサがリセットされてリアル モードで再起動し、リアル モード コードを実行して、メモリから保存された状態を復元します。その後、プログラムがプロテクト モードに戻る準備ができるまで、他のリアル モード コードを実行できます。リアル モードへの切り替えには時間がかかりますが、この手法により、プロテクト モードのプログラムは、完全にリアル モードで実行される BIOS などのサービスを使用できます (BIOS は、もともと8088ベースのIBM パーソナル コンピュータモデル(マシン タイプ) 5150 用に設計されました)。このモード切り替え手法は、 DPMI (エミュレートされた DOS ではなく実際の DOS 下) やDOS/4GWなどのDOS エクステンダーでも使用され、プロテクト モードのプログラムを DOS で実行できるようにしています。 DPMI システムまたは DOS エクステンダーは、リアル モードに切り替えて DOS または BIOS 呼び出しを呼び出し、その後、保護モードで実行されるアプリケーション プログラムに戻ります。

NT カーネルへの移行により、オペレーティング システムはコンピュータの起動に DOS を必要としなくなり、また DOS を使用できなくなりました。コンピュータをリアル モードで再起動する必要性は、Windows 3.1x以降は減少し、 Windows MEではサポートされなくなりました。現在、リアル モードを必要とする DOS アプリケーションを新しいバージョンの Windows から実行する唯一の方法は、DOSBoxやx86 仮想化製品などのエミュレータを使用することです。

• アンリアルモード
• 保護モード
• ブートローダー
• 80386
• IA-32
• x86アセンブリ言語
• 従来のメモリ

• Chourdakis, Michael (2015 年 5 月 21 日)。「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。