Intel 80286 [4] (также продаваемый как iAPX 286 [5] и часто называемый Intel 286 ) — это 16-разрядный микропроцессор , представленный 1 февраля 1982 года. Это был первый процессор на базе 8086 с отдельным, независимым процессором . мультиплексированные шины адреса и данных , а также первый с управлением памятью и широкими возможностями защиты. В своем первоначальном воплощении nMOS ( HMOS ) 80286 использовал около 134 000 транзисторов и, как и современный 80186 , [6] мог корректно выполнять большую часть программного обеспечения, написанного для более ранних процессоров Intel 8086 и 8088 . [7]
80286 использовался в IBM PC/AT , представленном в 1984 году, а затем широко использовался в большинстве компьютеров, совместимых с PC/AT, до начала 1990-х годов. В 1987 году Intel поставила свой пятимиллионный микропроцессор 80286. [8]
Первые чипы Intel 80286 были рассчитаны на максимальную тактовую частоту 5, 6 или 8 МГц , а более поздние версии - на 12,5 МГц. Позже AMD и Harris произвели детали с частотой 16 МГц, 20 МГц и 25 МГц соответственно. Intel, Intersil и Fujitsu также разработали полностью статические CMOS- версии оригинальной реализации Intel nMOS с истощающей нагрузкой , в основном предназначенные для устройств с батарейным питанием. Версия CMOS 80286 от Intel называлась 80C286.
Сообщается, что в среднем 80286 имел скорость около 0,21 инструкции за такт в «типичных» программах [9] , хотя он мог быть значительно быстрее в оптимизированном коде и в узких циклах, поскольку многие инструкции могли выполняться за 2 такта. каждый. Сообщается, что модели с частотой 6 МГц, 10 МГц и 12 МГц работают со скоростью 0,9 MIPS, 1,5 MIPS и 2,66 MIPS соответственно. [10]
Более поздний уровень E-степпинга 80286 был свободен от нескольких существенных ошибок , которые вызывали проблемы у программистов и разработчиков операционных систем в более ранних процессорах B-шага и C-шага (распространенных в клонах AT и AT). Эта шаговая часть E-2 могла появиться в продаже позднее 1986 года. [11]
Примерно в 1985 году Intel поставила этот микропроцессор компании Fujitsu Limited. [12]
Intel не ожидала, что персональные компьютеры будут использовать 286. [16] ЦП был разработан для многопользовательских систем с многозадачными приложениями, включая связь (например, автоматизированные УАТС ) и управление процессами в реальном времени . Он имел 134 000 транзисторов и состоял из четырех независимых блоков: блока адреса, блока шины, блока команд и блока исполнения, организованных в слабосвязанный (буферизованный) конвейер , так же, как и в 8086. Он выпускался в 68-контактном корпусе. , включая пакеты PLCC ( пластмассовый держатель чипа с выводами ), LCC ( носитель чипа без вывода ) и PGA ( матрица контактов ). [17]
Прирост производительности 80286 по сравнению с 8086 (или 8088) может составлять более 100% за такт во многих программах (т.е. удвоенная производительность при той же тактовой частоте). Это было значительное увеличение, полностью сравнимое с увеличением скорости семь лет спустя, когда были представлены i486 (1989 г.) или оригинальный Pentium (1993 г.). Частично это произошло из-за немультиплексированных шин адреса и данных, но главным образом из-за того, что вычисления адреса (например, base+index ) были менее затратными. Они выполнялись специальным блоком в 80286, в то время как более старый 8086 должен был выполнять эффективное вычисление адреса с использованием своего общего ALU , что во многих случаях занимало несколько дополнительных тактовых циклов. Кроме того, 80286 был более эффективен в предварительной выборке инструкций, буферизации, выполнении переходов и в сложных числовых операциях с микрокодированием , таких как MUL / DIV , чем его предшественник. [18]
В дополнение ко всем инструкциям 8086, 80286 включал в себя все новые инструкции 80186: ENTER, LEAVE, BOUND, INS, OUTS, PUSHA, POPA, PUSH немедленный, IMUL немедленный, а также немедленные сдвиги и повороты. В 80286 также добавлены новые инструкции для защищенного режима: ARPL, CLTS, LAR, LGDT, LIDT, LLDT, LMSW, LSL, LTR, SGDT, SIDT, SLDT, SMSW, STR, VERR и VERW. Некоторые инструкции для защищенного режима могут (или должны) использоваться в реальном режиме для настройки и переключения в защищенный режим, а некоторые (например, SMSW и LMSW) полезны и для самого реального режима.
Intel 80286 имел 24-битную адресную шину и, как таковое, имел физическое адресное пространство 16 МБ по сравнению с адресным пространством предыдущих процессоров x86 размером 1 МБ. Это был первый процессор x86, поддерживающий виртуальную память объемом до 1 ГБ посредством сегментации. [19] Однако стоимость памяти и первоначальная редкость программного обеспечения, использующего память более 1 МБ, означали, что вплоть до конца производства компьютеры 80286 редко поставлялись с оперативной памятью более 1 МБ. [18] Кроме того, как отмечено ниже, при доступе к расширенной памяти из реального режима наблюдалось снижение производительности.
Модель 286 была первым процессором семейства x86, поддерживающим режим защищенного виртуального адреса , обычно называемый « защищенным режимом ». Кроме того, это был первый коммерчески доступный микропроцессор со встроенными возможностями MMU (системы, использующие современные Motorola 68010 и NS320xx , могли быть оснащены дополнительным контроллером MMU). Это позволило бы IBM - совместимым продуктам впервые иметь передовые многозадачные операционные системы и конкурировать на рынке серверов / рабочих станций , где доминирует Unix .
В защищенный режим 80286 было введено несколько дополнительных инструкций, которые полезны для многозадачных операционных систем.
Еще одной важной особенностью 80286 является предотвращение несанкционированного доступа. Это достигается за счет:
В 80286 (и в его сопроцессоре Intel 80287 ) арифметические операции могут выполняться над следующими различными типами чисел:
По замыслу 286 не мог вернуться из защищенного режима в базовый, совместимый с 8086 режим реального адреса (« реальный режим ») без аппаратного сброса. В PC/AT, представленном в 1984 году, IBM добавила внешнюю схему, а также специализированный код в ПЗУ BIOS и микроконтроллер клавиатуры 8042 , чтобы позволить программному обеспечению вызывать сброс, обеспечивая повторный вход в реальный режим, сохраняя при этом активную память и возвращая управление компьютеру. программа, которая инициировала сброс. (БИОС обязательно задействуется, поскольку он получает управление непосредственно при перезагрузке ЦП.) Хотя этот метод работал правильно, он приводил к огромным потерям производительности.
Теоретически приложения реального режима могут напрямую выполняться в 16-битном защищенном режиме , если соблюдаются определенные правила (вновь предложенные с появлением 80286); однако, поскольку многие программы DOS не соответствовали этим правилам, защищенный режим не получил широкого распространения до появления его преемника, 32-битного процессора Intel 80386 , который был разработан для легкого переключения между режимами и обеспечения эмуляции реальный режим в защищенном режиме. Когда Intel разрабатывала процессор 286, он не был рассчитан на многозадачность приложений реального режима; реальный режим был задуман как простой способ для начального загрузчика подготовить систему и затем переключиться в защищенный режим; по сути, в защищенном режиме 80286 был разработан как новый процессор, во многом похожий на своих предшественников, в то время как реальный режим 80286 предлагался для систем меньшего масштаба, которые могли бы извлечь выгоду из более совершенной версии ядра ЦП 80186 с преимуществами такие как более высокие тактовые частоты, более быстрое выполнение инструкций (измеренное в тактах) и немультиплексированные шины, но не 24-битное (16 МБ) пространство памяти.
Для поддержки защищенного режима добавлены новые инструкции: ARPL, VERR, VERW, LAR, LSL, SMSW, SGDT, SIDT, SLDT, STR, LMSW, LGDT, LIDT, LLDT, LTR, CLTS. Также имеются новые исключения (внутренние прерывания): неверный код операции, сопроцессор недоступен, двойная ошибка , переполнение сегмента сопроцессора, ошибка стека, переполнение сегмента/ошибка общей защиты и другие только для защищенного режима.
Защищенный режим 80286 регулярно не использовался в компьютерных приложениях в течение многих лет после его выпуска, отчасти из-за высокой стоимости добавления расширенной памяти к ПК, но также из-за необходимости программного обеспечения для поддержки большой базы пользователей 8086 шт. Например, в 1986 году единственной программой, которая его использовала, была VDISK, драйвер RAM-диска , входящий в состав PC DOS 3.0 и 3.1. DOS могла использовать дополнительную оперативную память, доступную в защищенном режиме ( расширенная память ), либо через вызов BIOS ( INT 15h, AH=87h), как RAM-диск , либо как эмуляцию расширенной памяти . [18] Трудность заключалась в несовместимости старых программ DOS реального режима с защищенным режимом. Они просто не могли работать в этом новом режиме без существенных изменений. В защищенном режиме управление памятью и обработка прерываний выполнялись иначе, чем в реальном режиме. Кроме того, программы DOS обычно напрямую обращались к данным и сегментам кода, которые им не принадлежали, поскольку реальный режим позволял им действовать без ограничений; напротив, цель разработки защищенного режима заключалась в том, чтобы запретить программам доступ к каким-либо сегментам, кроме их собственных, если специальный доступ не был явно разрешен. Хотя можно было настроить среду защищенного режима, которая позволяла бы всем программам получать доступ ко всем сегментам (поместив все дескрипторы сегментов в GDT и назначив им одинаковый уровень привилегий), это подорвало почти все преимущества защищенного режима, за исключением расширенное (24-битное) адресное пространство. Перед разработчиками ОС встал выбор: либо начать с нуля и создать ОС, на которой не будет работать подавляющее большинство старых программ, либо придумать медленную и уродливую версию DOS (т. е. уродливую с внутренней технической точки зрения). точки зрения), но по-прежнему будет запускать большинство старых программ. Защищенный режим также не обеспечивал достаточного преимущества в производительности по сравнению с реальным режимом, совместимым с 8086, чтобы оправдать поддержку его возможностей; на самом деле, за исключением переключения задач при многозадачности, на самом деле это приводило только к снижению производительности из-за замедления многих инструкций из-за множества дополнительных проверок привилегий. В защищенном режиме регистры по-прежнему были 16-битными, и программисту по-прежнему приходилось использовать карту памяти, состоящую из сегментов по 64 КБ, как и в реальном режиме. [20]
В январе 1985 года компания Digital Research представила операционную систему Concurrent DOS 286 1.0, разработанную в сотрудничестве с Intel . Продукт будет функционировать строго как операционная система в собственном режиме (т.е. в защищенном режиме) 80286, позволяя пользователям в полной мере использовать преимущества защищенного режима для выполнения многопользовательских и многозадачных операций во время эмуляции 8086. [21] [22] [23] Это работало на этапе прототипа чипа B-1, но Digital Research обнаружила в мае проблемы с эмуляцией на этапе производства C-1, что не позволяло запускать Concurrent DOS 286. Программное обеспечение 8086 в защищенном режиме. Выпуск Concurrent DOS 286 был отложен до тех пор, пока Intel не разработает новую версию чипа. [21] В августе, после обширного тестирования образцов 80286 с шагом E-1, компания Digital Research признала, что Intel исправила все задокументированные ошибки 286, но заявила, что все еще существуют недокументированные проблемы с производительностью чипа в предварительной версии Concurrent DOS 286, работающей на шаг Е-1. В Intel заявили, что подход, который Digital Research хотела использовать для эмуляции программного обеспечения 8086 в защищенном режиме, отличался от первоначальных спецификаций. Тем не менее, на этапе E-2 они внесли небольшие изменения в микрокод , которые позволили Digital Research гораздо быстрее запускать режим эмуляции. [11] Названная ОС IBM 4680 , IBM первоначально выбрала DR Concurrent DOS 286 в качестве основы своего компьютера IBM 4680 для продуктов IBM Plant System и торговых терминалов в 1986 году . [24] FlexOS 286 компании Digital Research версии 1.3, производная версия Concurrent DOS 286 была разработана в 1986 году, представлена в январе 1987 года и позже принята IBM для своей ОС IBM 4690 , но на нее повлияли те же ограничения.
Проблемы привели к тому, что Билл Гейтс назвал 80286 «безмозглым чипом», [25] [ не удалось проверить ] [ когда? ], поскольку было ясно, что новая среда Microsoft Windows не сможет запускать несколько приложений MS-DOS с 286. Возможно, это было причиной раскола между Microsoft и IBM, поскольку IBM настаивала на том, что OS/2 изначально была совместным предприятием. между IBM и Microsoft будет работать на 286 (и в текстовом режиме).
Другими операционными системами, использовавшими защищенный режим 286, были Microsoft Xenix (около 1984 года), [26] Coherent , [27] и Minix . [28] Им меньше мешали ограничения защищенного режима 80286, поскольку они не предназначались для запуска приложений MS-DOS или других программ реального режима. В своем преемнике 80386 компания Intel усовершенствовала защищенный режим для адресации большего объема памяти, а также добавила отдельный виртуальный режим 8086 — режим в защищенном режиме с гораздо лучшей совместимостью с MS-DOS, чтобы удовлетворить расходящиеся потребности рынка. [29]
Этот список компонентов интерфейса шины, подключаемых к микропроцессору Intel 80286.
