實體位址擴充

實體位址擴充（Physical Address Extension，縮寫為PAE），又釋實體位置延伸，是x86處理器的一個功能，讓中央處理器在32位元作業系統下存取超過4GiB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）所支援，其他相容的處理器，如速龍（Athlon）和AMD的較新型號的CPU也支援PAE。

x86的處理器增加了額外的位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位元增加到了36位元。最大的實體記憶體由4GiB增加到了64GiB。

32位元的虛擬位址（線性位址）則沒有變，所以一般的應用軟體可以繼續使用位址為32位元的指令；如果用平面主記憶體模式的話，這些軟體的位址空間也被限制為4GiB。作業系統用頁表將這4GiB的位址空間對映到大小為64GiB的實體記憶體，而這個對映對各個行程一般是不一樣的。這樣一來，即使不能為單單一個程式所用，那些增加了的實體記憶體仍然可以發揮作用。

對於需要超過4GiB主記憶體的應用軟體來說，除了一般的PAE支援，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對映到位址空間；但是，這還沒有成為一個標準。

頁表結構

在傳統的32位元的保護模式中，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。預設情況下，每頁的大小是4KiB的。頁表和頁目錄中的表項都從32位元擴為64位元（8位元組）以使用附加的位址位。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標表，即一個包含4個頁目錄指標的表。

頁目錄裡的表項的第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位元，要麼是這種標識位，要麼是和作業系統相關的資料，所以最多可有52位在將來用於在2⁵² 位元組，即4pebibyte的實體記憶體中定址。

現在，x86架構只使用該52位中的36位元。對於在長模式（long mode）中的x86-64處理器，PAE是必須的；其中AMD64使用了52位中的40位或48位元^[1]，而Intel64將最多使用46位^[2]。

CPU對PAE模式的支援可以通過CPUID標誌PAE來辨識。

頁表結構
未啟用PAE, 4 KiB的頁
未啟用PAE, 4 MiB的頁
啟用PAE，4 KiB的頁
啟用PAE，2 MiB的頁

作業系統的支援

FreeBSD

FreeBSD的4.x系列從4.9開始支援PAE，而5.x系列則從5.1開始。6.x及以後的系列都支援PAE。對核心的PAE的組態是必須的。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援4GiB的實體記憶體的；這種驅動程式不能在啟用了PAE的核心下正常工作^[3]。

Linux

Linux核心從2.6版本開始全面支援PAE^[4]，這使得在32位元的機器上可以訪問高達64GiB的實體記憶體。啟用了PAE的Linux核心還需要同樣支援PAE的CPU。從2008年起，很多一般發布的Linux版本都預設使用啟用了PAE的核心。

Mac OS X

執行在Intel　CPU上的Mac OS X都支援PAE和NX位；在受蘋果支援的CPU上它也支援該兩種特性。即使Mac OS X 10.5 Leopard核心仍然是32位元的，但是Mac Pro和Xserve系統現在也是支援32GiB的RAM的。^[5]

Solaris

Solaris從版本7開始支援PAE。但是，版本7的那些沒有專門支援PAE的第三方驅動程式在支援PAE的系統上可能會發生錯誤，甚至完全崩潰。^[6]。

Windows

PAE受下列版本的32位元版的Windows所支援：^[7]^[8]

系統版本	最大實體記憶體支援
Windows 2000 Advanced Server	8 GiB
Windows 2000 Datacenter Server	32 GiB
Windows XP ^[9]	4 GiB
Windows Server 2003 Enterprise Edition	32 GiB
Windows Server 2003 SP1+ or R2 Enterprise Edition	64 GiB
Windows Server 2003 Datacenter Edition ^[10]	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，預設在有no-execute (NX)和execute-disable (XD)特性的處理器上以PAE模式執行以允許NX。NX（或XD）在頁表項的第63位。如果沒有PAE，頁表項就只有32位元；所以要利用NX這個特性的話，就必須執行在PAE模式下。但是，基於保證驅動相容性等原因，微軟通過許可證，在核心中把電腦版Windows（包括Windows XP、Windows Vista和Windows 7）和部分低階Windows Server的實體位址空間限制為4GiB。

參見

PSE-36: an alternative to Physical Address Extension
Page Size Extension
Architecture of Windows NT

參考資料

^ Intel 64 and IA-32 Software Developer's Manual—Volume 3A (PDF). Intel. [2007-11-16]. （原始內容存檔 (PDF)於2009-02-20）. Page 3.42.
^ Intel 64 architecture increases the linear address space for software to 64 bits and supports physical address space up to 46 bits." on page Vol. 1 2-21 of Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual September 2014 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
^ FreeBSD PAE(4) man page. 2003-04-08 [2007-11-26]. （原始內容存檔於2021-02-25）.
^ Wonderful World of Linux 2.6. （原始內容存檔於2003-07-16）.
^ Road to Mac OS X 10.6 Snow Leopard: 64-Bits. 2008-09-26 [2008-09-26]. （原始內容存檔於2020-12-10）.
^ Solaris 7 5/99 Release Notes (Intel Platform Edition), Appendix B: Hardware Compatibility List and Device Configuration Guide (Intel Platform Edition) 5/99. 1999 [2007-11-26]. ^{[永久失效連結]}
^ Memory Limits for Windows releases. Microsoft. December 5, 2007 [2007-12-10]. （原始內容存檔於2007-12-17）.
^ Intel Physical Addressing Extensions (PAE) in Windows 2000. Microsoft. October 26, 2007 [2007-12-29]. （原始內容存檔於2015-03-06）.
^ Physical Address Extension. Microsoft. [2008-12-15]. （原始內容存檔於2008-04-30）.
^ Memory Support and Windows Operating Systems. 2007 [2008-03-22]. （原始內容存檔於2011-02-19）.

外部連結

[1] Intel 64 and IA-32 Software Developer's Manual—Volume 3A (PDF). Intel. [2007-11-16]. （原始內容存檔 (PDF)於2009-02-20）. Page 3.42.

[2] Intel 64 architecture increases the linear address space for software to 64 bits and supports physical address space up to 46 bits." on page Vol. 1 2-21 of Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual September 2014 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[3] FreeBSD PAE(4) man page. 2003-04-08 [2007-11-26]. （原始內容存檔於2021-02-25）.

[4] Wonderful World of Linux 2.6. （原始內容存檔於2003-07-16）.

[5] Road to Mac OS X 10.6 Snow Leopard: 64-Bits. 2008-09-26 [2008-09-26]. （原始內容存檔於2020-12-10）.

[6] Solaris 7 5/99 Release Notes (Intel Platform Edition), Appendix B: Hardware Compatibility List and Device Configuration Guide (Intel Platform Edition) 5/99. 1999 [2007-11-26]. ^{[永久失效連結]}

[7] Memory Limits for Windows releases. Microsoft. December 5, 2007 [2007-12-10]. （原始內容存檔於2007-12-17）.

[8] Intel Physical Addressing Extensions (PAE) in Windows 2000. Microsoft. October 26, 2007 [2007-12-29]. （原始內容存檔於2015-03-06）.

[9] Physical Address Extension. Microsoft. [2008-12-15]. （原始內容存檔於2008-04-30）.

[10] Memory Support and Windows Operating Systems. 2007 [2008-03-22]. （原始內容存檔於2011-02-19）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]