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2024-07-22T20:35:20Z

Virtuelle Speicherverwaltung: typografische Anführungszeichen

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Als '''IA-32''',<ref>{{Heise online |ID=324064 |Titel=64-Bit-Namen |Autor=Christof Windeck |Datum=2008-04-28 |Abruf=2024-01-21 |Zitat=Prozessoren mit dem seinerzeit von Intel definierten x86-Befehlssatz nennt man kurz x86-Prozessoren; lange Zeit waren damit praktisch ausschließlich 32-Bit-CPUs gemeint. Dafür nutzte Intel die Abkürzung IA-32 (Intel Architecture, 32 Bit).}}</ref> auch '''IA32''',<ref>{{Heise online |ID=91655 |Titel=IA32 Execution Layer für Windows erhältlich |Autor=Andreas Wilkens |Datum=2004-01-14 |Abruf=2024-01-21 |Zitat=Die Ausführungsschicht (Execution Layer) simuliert die 32-Bit-Intel-Architecture (IA32) bis hin zum SSE2-Befehlssatz…}}</ref> bezeichnete [[Intel]] seit Ende der 1990er Jahre die [[Befehlssatzarchitektur]] von [[x86-Prozessor]]en. Die Abkürzung „IA“ steht für {{enS|Intel Architecture}} und „32“ für die [[32-Bit-Architektur]] ab dem [[Intel 80386|80386]] – die zum damaligen Zeitpunkt aktuelle [[x86-Architektur]]. Mit der Befehlssatzerweiterung ''[[x64]]'' wurde IA-32 seit Anfang der 2000er Jahre durch [[AMD]] zur [[64-Bit-Architektur]] erweitert.

'''x86''' ist die generelle Bezeichnung für die [[Prozessorarchitektur]], die mit dem [[Intel 8086|8086]]-Prozessor von Intel 1978 als [[16-Bit-Architektur]] begründet wurde. Mit dem [[Intel 80386|80386]] wurde 1985 von Intel eine Erweiterung des [[Befehlssatz]]es auf 32-Bit eingeführt, weshalb für 80386-kompatible [[Mikroprozessor]]en auch oft die Bezeichnung '''[[i386]]''' verwendet wird bzw. [[retronym]] IA-32. Ab 1999 wurde von [[AMD]] an der Erweiterung des Befehlssatzes auf 64-Bit gearbeitet, anfangs unter der Bezeichnung ''x86-64'', die 2003 als [[AMD64]] und 2005 von Intel als [[Intel 64]] eingeführt wurde. Diese nunmehr oft als [[x64]] bezeichnete Erweiterung des x86-Befehlssatzes beinhaltet die „{{lang|en|Intel Architecture}}, 32 Bit“ ebenfalls, denn jeder 64-Bit-x86-Prozessor ist auch ein (vollwertiger) 32-Bit- und 16-Bit-x86-Prozessor. In Anlehnung an ''x86-64'' wird 32-Bit-x86 teils auch als '''x86-32''' bezeichnet.

Die x86-Architektur wird von Intel und AMD weiterentwickelt.

== Itanium ==
{{Hauptartikel|Itanium-Architektur}}
Intel hatte die x86-Architektur bereits als „Intel Architecture“ bezeichnet,<ref>{{Internetquelle |url=https://www.pcmag.com/encyclopedia/term/ia-32 |titel=IA-32 |werk=[[PC Magazine]] Encyclopedia |sprache=en |abruf=2024-01-21 |zitat=Intel had previously used Intel Architecture (IA) without a number as its x86 technology brand, but changed it to IA-32 when it introduced the 64-bit Itanium (see IA-64).}}</ref> als man mit der Neuentwicklung des [[Intel Itanium|Itanium]]-Prozessors gemeinsam mit [[HP Inc.|Hewlett-Packard]] 2001 auf den Markt kam. Die [[Itanium-Architektur]] ist eine reine [[64-Bit-Architektur]] und mit x86 bzw. IA-32 inkompatibel. Diese wurde von Intel auch „{{lang|en|Intel Architecture}} 64“ (für 64 Bit, kurz IA-64) bezeichnet, da sie die 32-Bit-x86-Architektur nach den Plänen von Intel hätte langfristig vollständig ersetzen sollen. Die „alte“ x86-Architektur benannte Intel daher retronym in „{{lang|en|Intel Architecture}} 32“ (für 32 Bit, kurz IA-32) um, was den Status beider Architekturen aus der Sicht von Intel verdeutlichen sollte.

IA-64 (Itanium) setzte sich jedoch nicht durch, auch deshalb nicht, weil die Architektur als Neuentwicklung nicht x86-kompatibel war – 32-Bit-x86 „IA-32“, die mit dem [[i386]]-Befehlssatz begründet wurde, war bereits durch [[x86-Prozessor#Hersteller|viele Hersteller]] implementiert und etabliert. Seit den 1980er Jahren ist die x86-Architektur die weltweit am weitesten verbreitete Prozessorarchitektur für [[Personal Computer]], was auch mit dem großen Erfolg des [[IBM Personal Computer|IBM PC]] und der damit begründeten [[Plattform (Computer)|Plattform]] der [[IBM-PC-kompatibler Computer|IBM-PC-kompatiblen Computer]] zusammenhängt, und es somit eine Vielzahl an bestehenden [[Computerprogramm|Programmen]] gab, die für den Itanium-Prozessor erst hätten neu programmiert werden müssen.

Als AMD 2003 die 64-Bit-Erweiterung [[AMD64]] für die bestehende x86-Architektur einführte, wurde diese auf Anhieb vom Markt erfolgreich angenommen, unter anderem gerade deswegen, weil bestehende x86-Programme unverändert darauf liefen. Intel musste 2005 notgedrungen nachziehen und implementierte mit [[Intel 64]] eine zu AMD64 kompatible 64-Bit-Erweiterung für die x86-Architektur IA-32, was die „{{lang|en|Intel Architecture}}, 32 Bit“ nun zu einer 64-Bit-Architektur machte.<ref>{{Heise online |ID=324064 |Titel=64-Bit-Namen |Autor=Christof Windeck |Datum=2008-04-28 |Abruf=2016-11-19 |Zitat=Weil es nur noch wenige aktuelle x86-Prozessoren gibt, die den x64-Betriebsmodus nicht beherrschen …, wird die Bezeichnung IA-32 zunehmend auch synonym für x86-64-Prozessoren verwendet.}}</ref> Um Verwirrung zu vermeiden, wurde 64-Bit-x86 von Microsoft und Sun mit „[[x64]]“ (in Anlehnung an x86) bezeichnet, obwohl sich auch „x86-64“ als allgemeine Bezeichnung gehalten hat und zur Abgrenzung dazu retronym auch „x86-32“, in Anlehnung an ''x86-64'', für die 32-Bit-x86-Architektur Verwendung findet, genau wie „x86-16“ vor allem in historischem Kontext für die 16-Bit-x86-Architektur.

== Architekturmerkmale ==
Die ''{{lang|en|Intel [[Befehlssatzarchitektur|Architecture]]}} 32 (Bit)'', IA-32, ist eine Weiterentwicklung der 16-Bit-Architekturen von Intels [[8086]]- und [[80286]]-Prozessoren. Alle [[Register (Prozessor)|Register]], einschließlich der Adressregister, wurden in dieser Architektur auf 32 [[Bit]]s erweitert. Die Anzahl der Register blieb gleich. Die [[Assemblersprache|Mnemonic]] der erweiterten Register wurden mit einem vorangestellten ''E'', für extended (deutsch: erweitert), gekennzeichnet, beispielsweise ''EAX'' (32-Bit) von zuvor ''AX'' (16-Bit). Um Abwärtskompatibilität zu erzielen, wurden die 32-Bit-Register als Erweiterung der 16-Bit-Register der 80286-Architektur realisiert, sodass unter der Bezeichnungen für die 16-Bit-Register auf die unteren 16-Bit der 32-Bit-Register weiterhin zugegriffen werden kann: beispielsweise liefert ''AX'' auf die unteren 16-Bit des 32-Bit-''EAX''-Registers.

Der Adressbus ist 32 Bits breit und demzufolge ist die Adressierbarkeit auf 4 [[Byte|GiB]] (physischer Adressraum) begrenzt. Ausnahmen sind der [[Intel 80386|80386SX]], welcher nur einen 24-Bit-Adressbus besaß. Ab dem [[Intel Pentium Pro|Pentium Pro]] wurde mittels [[Physical Address Extension|PAE]] eine Adresserweiterung auf 36 Bits erzielt, bei späteren Generationen sogar mehr, z. B. 40 Bits beim [[AMD K8]]. Mit 36 Bits lassen sich 64 GiB adressieren, sodass unter einer 32-Bit-Umgebung mit Einschränkungen mehr als 4 GiB genutzt werden können, wenn vom Betriebssystem PAE umgesetzt wird. Beispielsweise nutzt [[Linux]] die PAE-Erweiterung automatisch, wenn diese vom Prozessor unterstützt wird – bei neueren Distributionen ist PAE sogar Voraussetzung, da sich damit auch das [[NX-Bit]] nutzen lässt. Unter 32-Bit-Versionen von [[Microsoft Windows|Windows]] von [[Microsoft]] hingegen wurde PAE wegen Kompatibilitätsproblemen mit bestehenden Treibern nicht genutzt, sodass 32-Bit-[[Microsoft Windows NT|Windows-NT]] auf 4 GiB Arbeitsspeicher beschränkt ist.

Mit der 64-Bit-Befehlssatzerweiterung [[x64]] wurde IA-32 zu einer 64-Bit-Architektur weiterentwickelt, wobei auch die Anzahl der Register verdoppelt wurde. Im neuen Betriebsmodus sind sowohl 32-Bit- als auch 64-Bit-Submodi vorhanden. Im ''{{lang|en|Compatibility Mode}}'' bezeichneten x64-Betriebsmodus läuft IA-32-Software unverändert auch auf 64-Bit-x86-Prozessoren im 64-Bit-Modus, sodass 64-Bit-Betriebssysteme unveränderte IA-32-Programme nutzen können. Im neuen 64-Bit-Modus ''{{lang|en|Long Mode}}'' (AMD) bzw. ''{{lang|en|IA32e Mode}}'' (Intel) hingegen kann, neben 64-Bit-Software, auch dafür geschriebene (angepasste) 32-Bit-Software von der doppelten Anzahl an Registern profitieren ([[x32 (ABI)|x32]]).

== Nomenklatur ==
{{Siehe auch|x86-Architektur#Nomenklatur|x64#Bezeichnungen}}
{| class="wikitable float-right" style="margin-left:1em;"
! Architektur
! übliche Bezeichnungen
|-
|[[32-Bit-Architektur|32-Bit]]-[[x86-Architektur]] des [[Intel 80386|80386]]
|[[i386]] – [[i686]], ''IA-32 (od. IA32)'', ''x86-32''
|-
|[[64-Bit-Architektur|64-Bit]]-[[x86-Architektur]] des [[AMD Opteron|Opteron]]
|x86-64, amd64 (od. [[AMD64]]), [[x64]]
|}
IA-32 bezeichnete ursprünglich nur die 32-Bit-x86-Architektur des [[Intel 80386|80386]] und seiner Nachfolger, denn damals waren diese allesamt 32-Bit-Prozessoren. Problematisch wird die von Intel gewählte Bezeichnung erst mit der 64-Bit-Erweiterung [[x64]] – denn diese zählt als Weiterentwicklung und Erweiterung von IA-32, zu der x64 voll kompatibel ist. Retronym finden sich zur genaueren Unterscheidung daher auch die Bezeichnungen '''x86-32'''<ref>{{Literatur |Autor=Tom Yager |Titel=(Enterprise Strategies) So long, Wintel |Sammelwerk=[[InfoWorld]] |Nummer=47 |Verlag=[[International Data Group]] |Datum=2002-11-25 |Sprache=en |Seiten=34 |Online={{Google Buch |BuchID=oj0EAAAAMBAJ |Seite=34}} |Zitat=Windows on x86-32 hardware has been the de facto safe platform since the release of Windows NT 4.0 in 1996.}}</ref> für die 32-Bit- und '''x86-64''' für die 64-Bit-x86-Architektur.

Zur Unterscheidung findet sich oft IA-32 (auch als „IA32“ oder „ia32“, manchmal aber auch „i386“) für die 32-Bit-x86-Architektur bzw. x64 (oder amd64, „x86-64“ oder „x86_64“) für die 64-Bit-x86-Architektur. Beispiele dafür sind u. a. diverse Betriebssysteme, so unterscheidet etwa [[Slackware]] zwischen „ia32“ (32-Bit-x86) und „x64_64“ (64-Bit-x86),<ref>{{Heise online |ID=6355921 |Titel=Slackware 15.0: Modellpflege nach langer Pause beim Linux-Urgestein |Autor=Martin Gerhard Loschwitz |Datum=2022-02-08 |Abruf=2022-02-16 |Zitat=Sie stehen in Varianten sowohl für die x86_64-Architektur als auch die alte Intel-Architektur IA32 zur Verfügung.}}</ref> oder auch [[Unified Extensible Firmware Interface|UEFI]]-[[Bootloader]] auf [[Wechseldatenträger]]n (32-Bit-EFI auf x86: <code>\EFI\Boot\Boot'''IA32'''.efi</code>, 64-Bit-EFI auf x86: <code>\EFI\Boot\Boot'''x64'''.efi</code>).<ref>{{Internetquelle |url=https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/03_Boot_Manager.html#removable-media-boot-behavior |titel=3. Boot Manager, 3.5.1.1. Removable Media Boot Behavior |werk=UEFI Specification 2.10 |hrsg=UEFI Forum |datum=2022 |sprache=en |abruf=2024-01-21}}</ref>

Die von Intel und HP entwickelte [[Itanium-Architektur]], auch mit „{{lang|en|Intel Architecture}} 64 (Bit)“ bzw. abgekürzt „IA-64“ bezeichnet, ist ''keine'' x86-Architektur. Es besteht jedoch die Gefahr der Verwechslung mit „x64“, der 64-Bit-x86-Architektur.

== Betriebsarten ==
Neben dem [[Real Mode]], in dem kompatibel zum 16-Bit-Intel-8086 der [[Konventioneller Speicher|konventionelle Arbeitsspeicher]] und der [[Upper Memory Block|obere Speicherbereich]], das ist der erste, untere [[Byte|Megabyte]] des Arbeitsspeichers, ohne Beschränkung über [[Speicheradresse#Segmentierte Adressen|Offset]] und [[Datensegment|Segment]] angesprochen werden kann, kennt die ''{{lang|en|Intel Architecture 32-Bit}}'' zwei bzw. drei weitere Betriebsarten:

* {{lang|en|[[Schutzmodus|Protected Mode]]}}, der bis zu 4 GB Speicher durchgängig (linear) adressieren kann und einen hardwareseitigen Speicherschutz garantiert (über die [[Virtuelle Speicherverwaltung]] der [[Memory Management Unit|MMU]]), was Multitasking-/Multiuser-Betriebssysteme mit [[Multitasking#Präemptives Multitasking|präemptivem Multitasking]] ermöglicht.
* {{lang|en|System Management Mode}} (SMM), welcher für die Leistungsreduktion und Hersteller-spezifische Eigenschaften eingesetzt wird. Der SMM läuft in einem separaten Arbeitsspeicher ab, sodass laufende Prozesse und Betriebssysteme nicht beeinflusst werden.
* Bei 64-Bit-x86-Prozessoren kommt zusätzlich der ''{{lang|en|Long Mode}}'' (AMD) bzw. der ''{{lang|en|IA32e Mode}}'' (Intel) hinzu, der die zwei Submodi ''{{lang|en|64-Bit Mode}}'' und ''{{lang|en|Compatibility Mode}}'' bereitstellt. (Siehe [[x64#Betriebsmodi]].)

Als Option des {{lang|en|Protected Mode}} (32-Bit) existiert außerdem der {{lang|en|[[Virtual 8086 Mode]]}}, der ein oder mehrere {{lang|en|Real-Mode}}-Programme ausführen kann – dies wurde zur Ausführung von [[MS-DOS]]-kompatiblen Programmen unter 32-Bit-Betriebssystemen benötigt und war wichtig für eine schonende [[Migration (Informationstechnik)|Migration]] von [[PC-kompatibles DOS|DOS]] zu moderneren Betriebssystemen. Der auf 64-Bit-x86 „x64“ vorhandene ''{{lang|en|Compatibility Mode}}'' ist, abgesehen vom Fehlen des ''{{lang|en|Virtual 8086 Mode}}'', vollständig zum 32-Bit-{{lang|en|Protected-Mode}} der „{{lang|en|Intel Architecture 32-Bit}}“, IA-32, kompatibel. IA-32-Programme laufen damit weiterhin auch in 64-Bit-Betriebsumgebungen. Da seit der Umstellung auf 64-Bit MS-DOS-kompatible Programme nur noch relativ wenig genutzt werden, spielt der ''{{lang|en|Virtual 8086 Mode}}'' keine sehr große Rolle mehr; Wenn benötigt müssen auf 64-Bit-Betriebssystemen 16-Bit-Modi vollständig emuliert werden.

== Protected Mode: Virtuelle Speicherverwaltung und Speicherschutz ==
=== Virtuelle Speicherverwaltung ===
Die neue [[Virtuelle Speicherverwaltung]] ist primär für den Multitasking-Betrieb ausgelegt ({{lang|en|Protected Mode}}). Mittels {{lang|en|[[Memory Management Unit]]}} (MMU) können mehrere Programme im Speicher konfliktfrei quasi-gleichzeitig ausgeführt werden. Hierzu wird jedes Programm in einem (virtuellen) Speicherraum ausgeführt, in dem es alleine existiert und damit nicht mit anderen Programmen in Speicherzugriffskonflikte kommen kann, so dass Speicherschutz erzielt wird (z. B. „Programm A überschreibt irrtümlich bei Programm B eine Variable im Speicher“ kann nicht mehr auftreten). Dies erreicht die MMU über eine Tabelle ([[Translation Lookaside Buffer|TLB]]) in der für die zuletzt lokalisierten virtuellen Adresse aller Programme die echte physische Adresse eines Speicherblocks vermerkt ist. Bei jedem Zugriff (Speicher anfordernd, schreibend oder lesend) wird, transparent für Programme und Programmierer, auf eine eindeutige physische Adresse umgelenkt. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass eine Speicherfragmentierung des physischen Speichers nicht mehr auftreten kann. Durch die Adressumsetzung kann die MMU fast beliebig zerstückelten physischen Speicher als durchgängig zugreifbaren Block virtuellen Speichers dem Programm präsentieren. Dies ist ein effektiver Mechanismus, so lange die Größe des physischen Speichers deutlich kleiner ist als die des virtuellen Adressraums (4 GByte). Durch die kontinuierlich fallenden RAM-Speicherpreise ist dies inzwischen nicht mehr gegeben; der virtuelle Speicherraum kann die Fragmentierung des physischen Speichers nicht mehr immer kaschieren, da er nun selbst zu stark fragmentiert sein kann.
[[Datei:Ia-32-addresstranslation-de.svg|mini|IA-32 Adressübersetzung]]

=== Virtuelle Adressübersetzung ===
Die IA-32-Architektur verwendet eine 48 Bit breite [[Segmentierung (Speicherverwaltung)#Intels x86-Prozessoren im Protected-Mode|segmentierte]] logische Adresse, welche zu 16 Bit aus Selektor und zu 32 Bit aus Offset besteht. Durch die Segmentierung wird die logische Adresse in eine lineare 32-Bit-Adresse übersetzt und kann anschließend durch den [[Paging#Adressabbildung|Paging-Mechanismus]] in eine physische 32-Bit-Adresse übersetzt werden. Wird Paging vom System nicht eingesetzt, so ist die lineare 32-Bit-Adresse die physische Adresse.

=== Schutzfunktionen durch die Virtuelle Speicherverwaltung ===
Die MMU enthält vier zentrale Systemregister GDTR (''{{lang|en|Global Descriptor Table Register}}''), IDTR (''{{lang|en|Interrupt Descriptor Table Register}}''), LDTR (''{{lang|en|Local Descriptor Table Register}}'') und TR (''{{lang|en|Task Register}}''). Damit werden die Schutzmechanismen realisiert.

Die IA-32 Architektur enthält für den Multitasking/Multiuser-Betrieb die folgenden fünf Schutzfunktionen:
# Typ-Check
# Limit-Check
# Zugriff auf Daten
# Kontroll-Transfer
# Instruction-Check

Diese Schutzfunktionen werden mit verschiedenen Hardware-Mechanismen realisiert.

== Weitere Funktionen ==
In den nachfolgenden CPU-Generationen wurden weitere Funktionen hinzugefügt:

* Die Modelle des [[Intel i486|i486DX]] haben einen mathematischen [[Koprozessor]] bereits integriert, zusätzlich wurde ein [[Cache]] auf den Chip integriert (die Budget-Version ''i486 SX'' wurde mit deaktiviertem Koprozessor gefertigt). Außerdem wurde die Ausführungseinheit nach dem [[Fließbandfertigung|Fließbandprinzip]] aufgebaut, genannt [[Pipeline (Prozessor)|Prozessor-Pipeline]], was den Befehlsdurchsatz deutlich erhöht.
* Mit dem [[Pentium]] wurde eine zweite Ausführungseinheit der Architektur hinzugefügt. Diese nun parallelen Ausführungseinheiten, genannt Pipelines ''U'' und ''V'', ermöglichen [[superskalar]]e Programmausführung über [[Out-of-order execution]] des Prozessors.
* Beim Pentium [[Multi Media Extension|MMX]] wurden Befehle hinzugefügt, die mehrere ganzzahlige Daten gleichzeitig bearbeiten ([[SIMD]]) – dies ist vor allem für Multimedia-Daten sinnvoll. MMX steht für {{lang|en|“[[Matrix (Mathematik)|Matrix Math]] Extensions”}}, besonders vom [[Marketing]] aber auch häufig {{lang|en|“[[Multimedia|Multi Media]] Extensions”}} tituliert.
* Mit dem Pentium III wurden die SIMD-Befehle erweitert, um auch Gleitkommazahlen bearbeiten zu können ({{lang|en|Streaming SIMD Extensions}}/[[Internet Streaming SIMD Extensions|SSE]]).
* Beginnend mit den ''Prescott''-Modellen der Xeon-/Pentium-4-Reihe erhalten die Prozessoren eine Erweiterung um einen 64-Bit-Modus ([[Intel 64]], früher auch EM64T genannt), der weitgehend dem [[AMD64]]-Modus der Opteron- und Athlon-64-CPUs von Mitbewerber [[AMD]] entspricht.

== Siehe auch ==
* [[x86-Prozessor]]
* [[x64]] (auch x86-64)
* [[Itanium-Architektur]] bzw. IA-64 (''{{lang|en|Intel Architecture}} 64 Bit'' – nicht x86-kompatible 64-Bit-Architektur von Intel und HP)
* [[Liste der Mikroprozessoren von Intel]]
* [[Liste von Mikroprozessoren]]

== Weblinks ==
* [https://software.intel.com/en-us/articles/intel-sdm IA-64- und IA-32-Handbücher von Intel] ([[Portable Document Format|PDF]], englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Ia 32}}
[[Kategorie:Prozessorarchitektur nach Befehlssatz]]
[[Kategorie:Intel-Prozessor]]
[[Kategorie:Abkürzung|IA32]]

IA-32 - Versionsgeschichte

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