物理地址擴展

物理地址擴展

在計算機科學中,物理地址擴展(Physicaladdressextension)或實體位置延伸(PAE)是指x86和x86-64處理器的一個特色,即如果作業系統提供適當支持,則可以在32位的系統中使用超過4GiB位元組的實體記憶體。PAE為IntelPentiumPro及以上級別的CPU(包括除了匯流排頻率為400MHz的這個版本的奔騰M之外的所有新型號奔騰系列處理器)所支持,其他兼容的處理器,如速龍(Athlon)和AMD的較新型號的CPU也支持PAE。

概述

計算機科學中,

物理地址擴展

實體位置延伸

PAE

)是指

x86和

x86-64

處理器的一個特色,即如果

作業系統提供適當支持,則可以在

32位的系統中使用超過4

GiB位元組的實體記憶體。PAE為

Intel

Pentium Pro及以上級別的

CPU(包括除了匯流排頻率為400MHz的這個版本的奔騰M之外的所有新型號奔騰系列處理器)所支持,其他兼容的處理器,如

速龍(Athlon)和

AMD的較新型號的CPU也支持PAE。

x86的處理器增加了額外的地址線以選擇那些增加了的記憶體,所以實體記憶體的大小從32位增加到了36位。最大的實體記憶體由4GiB增加到了64GiB。

32位的

虛擬地址(

線性地址)則沒有變,所以一般的套用軟體可以繼續使用地址為32位的指令;如果用

平面記憶體模式的話,這些軟體的地址空間也被限制為4GiB。作業系統用

頁表將這4GiB的地址空間映射到大小為64GiB的實體記憶體,而這個映射對各個

進程一般是不一樣的。這樣一來,即使不能為單單一個程式所用,那些增加了的物理記憶體仍然可以發揮作用。

對於需要超過4GiB記憶體的套用軟體來說,除了一般的PAE支持,還需要作業系統提供另外的特殊的技術。在

Windows上,這種技術叫做Address Windowing Extensions(AWE)。而在

類Unix的系統上則有多種技術在使用,例如使用mmap()按需要把一部分檔案映射到地址空間;但是,這還沒有成為一個標準。

頁表結構

在傳統的32位的保護模式中,x86處理器使用一種兩級的轉換方案。在這種方案中,控制暫存器CR3指向一個長4KiB的頁目錄(page directory);頁目錄又分為1024個每個4KiB的頁表(page table);最後頁表又分為1024個每個長4KiB的頁。

啟用PAE(通過設定控制暫存器CR4的第5位來啟用)會改變上面的方案。默認情況下,每頁的大小是4KiB的。頁表和頁目錄中的表項都從32位擴為64位(8位元組)以使用附加的地址位。但是,頁表和頁目錄的總大小不變。所以,頁表和頁目錄現在都只有512個表項。因為這變成了原來方案的一半,所以另外的一個級加了進來:CR3現在指向的是頁目錄指針表,即一個包含4個頁目錄指針的表。

頁目錄里的表項的第7位叫做PS(Page Size)。如果這個位設為1,則頁目錄的表項不再指向頁表,而是指向一個2MiB的頁。頁目錄里還有另外一個叫NX位元的標誌位。它是第63位,表示No eXecute。因為頁表項中最低的12位,要么是這種標識位,要么是和作業系統相關的數據,所以最多可有52位在將來用於在2^52位元組,即4pebibyte的物理記憶體中定址。

現在,x86架構只使用該52位中的36位。對於在長模式(long mode)中的x86-64處理器,PAE是必須的;其中使用了52位中的40位或48位。

CPU對PAE模式的支持可以通過CPUID標誌PAE來識別。

未啟用PAE, 4 KB的頁未啟用PAE, 4 KB的頁
未啟用PAE, 4 MB的頁未啟用PAE, 4 MB的頁
啟用PAE,4 KB的頁啟用PAE,4 KB的頁
啟用PAE,2 MB的頁啟用PAE,2 MB的頁

作業系統的支持

FreeBSD

FreeBSD的4.x系列從4.9開始支持PAE,而5.x系列則從5.1開始。6.x及以後的系列都支持PAE。對核心的關於

PAE

的配置是必須的。如果一個可載入核心模組是啟用了PAE的,則它只可以被載入到一個啟用了PAE的核心;FreeBSD中二進制版本的模組沒有啟用PAE,所以它們不能載入到啟用了PAE的核心。並不是所有驅動程式都支持4GiB的物理記憶體的;這種驅動程式不能在啟用了PAE的核心下正常工作。

Linux

Linux核心從2.6版本開始全面支持PAE,這使得在32位的機器上可以訪問64GB的記憶體。啟用了PAE的Linux核心還需要同樣支持PAE的CPU。從2008年起,很多一般的發布的Linux版本都默認使用啟用了PAE的核心。

MacOSX

運行在IntelCPU上的

Mac OS X都支持PAE和NX位;在受

蘋果支持的CPU上它也支持該兩種特性。即使Mac OS X 10.5 Leopard核心仍然是32位的,但是

Mac Pro和

Xserve系統現在也是支持32GiB的RAM的。

Solari

Solaris從版本7開始支持PAE。但是,版本7的那些沒有專門支持PAE的第三方驅動程式在支持PAE的系統上可能會發生錯誤,甚至完全崩潰。

Window

PAE受下列版本的32位版的Windows所支持:

系統版本 最大物理記憶體支持
Windows 2000 Advanced Server 8 GiB
Windows 2000 Datacenter Server 32 GiB
Windows XP 4 GiB
Windows Server 2003 Enterprise Edition 32 GiB
Windows Server 2003 SP1+ or R2 Enterprise Edition 64 GiB
Windows Server 2003 Datacenter Edition 64 GiB
Windows Server 2003 Standard Edition 4 GiB
Windows Vista 4 GiB
Windows Server 2008 Enterprise or Datacenter Edition 64 GiB
Windows Server 2008 other editions 4 GiB
Windows 7 Starter 2 GiB
Windows 7 other editions 4 GiB

Windows XP SP2和其他新的版本,默認在有no-execute (NX)和execute-disable (XD)特性的處理器上以PAE模式運行以允許NX。NX(或XD)在頁表項的第63位。如果沒有PAE,頁表項只就32位;所以要利用NX這個特性的話,就必須運行在PAE模式下。但是,基於為保證驅動兼容等原因,微軟通過許可證,在核心中把桌面版Windows(包括Windows XP、Windows Vista和Windows 7)和部分低端

Windows Server的物理地址空間限制為4GiB。

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