Intel 80286

El Intel 80286 (también comercializado como iAPX 286 y a menudo llamado Intel 286) es un microprocesador de 16 bits que se presentó el 1 de febrero de 1982. Fue la primera CPU basada en 8086 con direcciones y buses de datos independientes y no multiplexados, y también la primera con administración de memoria y amplias capacidades de protección. El 80286 usó aproximadamente 134 000 transistores en su encarnación original nMOS (HMOS) y, al igual que el 80186 contemporáneo, podía ejecutar correctamente la mayoría del software escrito para los procesadores Intel 8086 y 8088 anteriores.

El 80286 se empleó para IBM PC/AT, se introdujo en 1984 y luego se usó ampliamente en la mayoría de las computadoras compatibles con PC/AT hasta principios de la década de 1990. En 1987, Intel envió su microprocesador 80286 número cinco millones.

Historia y rendimiento

AMD 80286 (16 MHz versión)

Los primeros chips 80286 de Intel se especificaron para una velocidad de reloj máxima de 5, 6 u 8 MHz y versiones posteriores para 12,5 MHz. Posteriormente, AMD y Harris produjeron piezas de 16 MHz, 20 MHz y 25 MHz, respectivamente. Intersil y Fujitsu también diseñaron versiones CMOS completamente estáticas de la implementación original de nMOS de carga de agotamiento de Intel, en gran parte dirigida a dispositivos alimentados por batería.

En promedio, se midió que el 80286 tenía una velocidad de alrededor de 0,21 instrucciones por reloj en el modo "típico" programas, aunque podría ser significativamente más rápido en código optimizado y en bucles estrechos, ya que muchas instrucciones podrían ejecutarse en 2 ciclos de reloj cada una. Según los informes, los modelos de 6 MHz, 10 MHz y 12 MHz funcionaron a 0,9 MIPS, 1,5 MIPS y 2,66 MIPS, respectivamente.

El último nivel E-stepping del 80286 estaba libre de varias erratas importantes que causaron problemas a los programadores y escritores de sistemas operativos en las CPU anteriores B-step y C-step (común en los clones AT y AT). Esta parte escalonada E-2 puede haber estado disponible a finales de 1986.

Intel en segundo lugar entregó este microprocesador a Fujitsu Limited alrededor de 1985.

Variantes

Arquitectura

Microarquitectura simplificada 80286

Intel 80286 muere

Intel no esperaba que las computadoras personales usaran el 286. La CPU se diseñó para sistemas multiusuario con aplicaciones multitarea, incluidas comunicaciones (como PBX automatizadas) y control de procesos en tiempo real. Tenía 134.000 transistores y constaba de cuatro unidades independientes: la unidad de dirección, la unidad de bus, la unidad de instrucciones y la unidad de ejecución, organizadas en una tubería débilmente acoplada (con búfer), al igual que en el 8086. Se produjo en un paquete de 68 pines., incluidos los paquetes PLCC (portador de chip con plomo de plástico), LCC (portador de chip sin plomo) y PGA (matriz de rejilla de clavijas).

El aumento de rendimiento del 80286 sobre el 8086 (u 8088) podría ser de más del 100 % por ciclo de reloj en muchos programas (es decir, un rendimiento duplicado a la misma velocidad de reloj). Este fue un gran aumento, totalmente comparable con las mejoras de velocidad siete años después, cuando se introdujeron el i486 (1989) o el Pentium original (1993). Esto se debió en parte a los buses de dirección y datos no multiplexados, pero principalmente al hecho de que los cálculos de dirección (como base+índice) eran menos costosos. Fueron realizados por una unidad dedicada en el 80286, mientras que el 8086 anterior tuvo que hacer un cálculo de dirección efectivo utilizando su ALU general, consumiendo varios ciclos de reloj adicionales en muchos casos. Además, el 80286 fue más eficiente en la captación previa de instrucciones, almacenamiento en búfer, ejecución de saltos y en operaciones numéricas microcodificadas complejas como MUL/DIV que su predecesor.

El 80286 incluía, además de todas las instrucciones del 8086, todas las nuevas instrucciones del 80186: ENTER, LEAVE, BOUND, INS, OUTS, PUSHA, POPA, PUSH inmediato, IMUL inmediato y turnos y rotaciones inmediatos. El 80286 también agregó nuevas instrucciones para el modo protegido: ARPL, CLTS, LAR, LGDT, LIDT, LLDT, LMSW, LSL, LTR, SGDT, SIDT, SLDT, SMSW, STR, VERR y VERW. Algunas de las instrucciones para el modo protegido pueden (o deben) usarse en modo real para configurar y cambiar al modo protegido, y algunas (como SMSW y LMSW) son útiles para el modo real en sí.

El Intel 80286 tenía un bus de direcciones de 24 bits y, como tal, tenía un espacio de direcciones físicas de 16 MB, en comparación con el espacio de direcciones de 1 MB de los procesadores x86 anteriores. Fue el primer procesador x86 en admitir memoria virtual que admitía hasta 1 GB a través de la segmentación. Sin embargo, el costo de la memoria y la rareza inicial del software que usaba la memoria por encima de 1 MB significaron que, hasta el final de su producción, las computadoras 80286 rara vez se enviaban con más de un megabyte de RAM. Además, hubo una penalización de rendimiento relacionada con el acceso a la memoria extendida desde el modo real, como se indica a continuación.

Características

Siemens 80286 (10 MHz versión)

IBM 80286 (8 MHz versión)

Modo protegido

El 286 fue el primero de la familia de CPU x86 en admitir el modo de dirección virtual protegida, comúnmente llamado "modo protegido". Además, fue el primer microprocesador comercialmente disponible con capacidades MMU en el chip (los sistemas que utilizan los contemporáneos Motorola 68010 y NS320xx podrían equiparse con un controlador MMU opcional). Esto permitiría a los compatibles de IBM tener sistemas operativos multitarea avanzados por primera vez y competir en el mercado de servidores/estaciones de trabajo dominado por Unix.

Se introdujeron varias instrucciones adicionales en el modo protegido de 80286, que son útiles para los sistemas operativos multitarea.

Otra característica importante de 80286 es la prevención del acceso no autorizado. Esto se logra mediante:

• Formando diferentes segmentos para datos, código y pila, y evitando su superposición.
• Asignar niveles de privilegio a cada segmento. Los segmentos con niveles más bajos de privilegios no pueden acceder a segmentos con mayores niveles de privilegios.

En 80286 (y en su coprocesador Intel 80287), las operaciones aritméticas se pueden realizar en los siguientes tipos de números diferentes:

• decimal empacado sin firma,
• binario no firmado,
• unsigned unpacked decimal,
• firmado binario,
• números de punto flotante (sólo con un 80287).

Por diseño, el 286 no podía volver del modo protegido al modo de dirección real básico compatible con 8086 ("modo real") sin un reinicio iniciado por hardware. En el PC/AT introducido en 1984, IBM agregó un circuito externo, así como un código especializado en el ROM BIOS y el microcontrolador periférico 8042 para permitir que el software provoque el reinicio, lo que permite el reingreso en modo real mientras retiene la memoria activa y devuelve el control al programa que inició el reinicio. (El BIOS está necesariamente involucrado porque obtiene el control directamente cada vez que se reinicia la CPU). Aunque funcionó correctamente, el método impuso una gran penalización en el rendimiento.

En teoría, las aplicaciones en modo real podrían ejecutarse directamente en modo protegido de 16 bits si se siguieran ciertas reglas (nuevamente propuestas con la introducción del 80286); sin embargo, como muchos programas de DOS no se ajustaban a esas reglas, el modo protegido no se usó mucho hasta la aparición de su sucesor, el Intel 80386 de 32 bits, que fue diseñado para alternar fácilmente entre modos y proporcionar una emulación de modo real dentro del modo protegido. Cuando Intel diseñó el 286, no fue diseñado para poder realizar múltiples tareas en aplicaciones de modo real; el modo real estaba destinado a ser una forma sencilla para que un cargador de arranque preparara el sistema y luego cambiara al modo protegido; esencialmente, en modo protegido, el 80286 fue diseñado para ser un nuevo procesador con muchas similitudes con sus predecesores, mientras que el modo real en el 80286 se ofreció para sistemas de menor escala que podrían beneficiarse de una versión más avanzada del núcleo de CPU 80186, con ventajas como frecuencias de reloj más altas, ejecución de instrucciones más rápida (medida en ciclos de reloj) y buses no multiplexados, pero no el espacio de memoria de 24 bits (16 MB).

Para admitir el modo protegido, se agregaron nuevas instrucciones: ARPL, VERR, VERW, LAR, LSL, SMSW, SGDT, SIDT, SLDT, STR, LMSW, LGDT, LIDT, LLDT, LTR, CLTS. También hay nuevas excepciones (interrupciones internas): código de operación no válido, coprocesador no disponible, falla doble, saturación de segmento del coprocesador, falla de pila, saturación de segmento/falla de protección general y otras solo para el modo protegido.

Compatibilidad con SO

El modo protegido del 80286 no se utilizó de forma rutinaria en las aplicaciones de PC hasta muchos años después de su lanzamiento, en parte debido al alto costo de agregar memoria extendida a una PC, pero también debido a la necesidad de software para admitir la gran base de usuarios de 8086 PC. Por ejemplo, en 1986 el único programa que lo utilizaba era VDISK, un controlador de disco RAM incluido con PC DOS 3.0 y 3.1. Un DOS podría utilizar la RAM adicional disponible en modo protegido (memoria extendida) ya sea a través de una llamada de BIOS (INT 15h, AH=87h), como disco RAM o como emulación de memoria expandida. La dificultad residía en la incompatibilidad de los programas DOS en modo real más antiguos con el modo protegido. Simplemente no podían ejecutarse de forma nativa en este nuevo modo sin una modificación significativa. En el modo protegido, la administración de la memoria y el manejo de interrupciones se realizaron de manera diferente que en el modo real. Además, los programas de DOS normalmente accedían directamente a datos y segmentos de código que no les pertenecían, ya que el modo real les permitía hacerlo sin restricciones; por el contrario, la intención del diseño del modo protegido era evitar que los programas accedieran a cualquier segmento que no fuera el propio, a menos que se permitiera explícitamente un acceso especial. Si bien fue posible configurar un entorno de modo protegido que permitió que todos los programas accedieran a todos los segmentos (colocando todos los descriptores de segmento en la GDT y asignándoles a todos el mismo nivel de privilegio), esto socavó casi todas las ventajas del modo protegido excepto el espacio de direcciones extendido (24 bits). La elección a la que se enfrentaron los desarrolladores de sistemas operativos fue comenzar desde cero y crear un sistema operativo que no ejecutara la gran mayoría de los programas antiguos, o crear una versión de DOS que fuera lenta y fea (es decir, fea desde un punto de vista técnico interno). punto de vista) pero aún ejecutaría la mayoría de los programas antiguos. El modo protegido tampoco proporcionó una ventaja de rendimiento lo suficientemente significativa sobre el modo real compatible con 8086 para justificar el soporte de sus capacidades; en realidad, a excepción de los cambios de tareas cuando se realizan varias tareas a la vez, en realidad solo produjo una desventaja de rendimiento, al ralentizar muchas instrucciones a través de una letanía de verificaciones de privilegios adicionales. En el modo protegido, los registros seguían siendo de 16 bits y el programador aún se veía obligado a utilizar un mapa de memoria compuesto por segmentos de 64 kB, al igual que en el modo real.

En enero de 1985, Digital Research presentó una vista previa del sistema operativo Concurrent DOS 286 1.0 desarrollado en cooperación con Intel. El producto funcionaría estrictamente como un sistema operativo 80286 en modo nativo (es decir, en modo protegido), lo que permitiría a los usuarios aprovechar al máximo el modo protegido para realizar operaciones multiusuario y multitarea mientras se ejecuta la emulación 8086. Esto funcionó en el paso de prototipo B-1 del chip, pero Digital Research descubrió problemas con la emulación en el paso de nivel de producción C-1 en mayo, lo que no permitía que Concurrent DOS 286 ejecutara el software 8086 en modo protegido. El lanzamiento de Concurrent DOS 286 se retrasó hasta que Intel desarrollara una nueva versión del chip. En agosto, después de extensas pruebas en muestras del paso E-1 del 80286, Digital Research reconoció que Intel corrigió todas las erratas documentadas del 286, pero dijo que todavía había problemas de rendimiento del chip sin documentar con la versión preliminar de Concurrent DOS 286 que se ejecuta en el E- 1 paso Intel dijo que el enfoque que Digital Research deseaba adoptar para emular el software 8086 en modo protegido difería de las especificaciones originales. Sin embargo, en el paso E-2, implementaron cambios menores en el microcódigo que permitirían a Digital Research ejecutar el modo de emulación mucho más rápido. Con el nombre IBM 4680 OS, IBM eligió originalmente DR Concurrent DOS 286 como la base de su computadora IBM 4680 para los productos IBM Plant System y terminales de punto de venta en 1986. Digital Research's FlexOS 286 versión 1.3, una derivación de Concurrent DOS 286, fue desarrollado en 1986, presentado en enero de 1987 y luego adoptado por IBM para su sistema operativo IBM 4690, pero las mismas limitaciones lo afectaron.

Los problemas llevaron a Bill Gates a referirse al 80286 como un 'chip sin cerebro', ya que estaba claro que el nuevo entorno de Microsoft Windows no podría ejecutar varias aplicaciones de MS-DOS con el 286. Podría decirse que fue responsable de la división entre Microsoft e IBM, ya que IBM insistió en que OS/2, originalmente una empresa conjunta entre IBM y Microsoft, se ejecutaría en un 286 (y en modo de texto).

Otros sistemas operativos que usaron el modo protegido del 286 fueron Microsoft Xenix (alrededor de 1984), Coherent y Minix. Estos se vieron menos obstaculizados por las limitaciones del modo protegido 80286 porque no tenían como objetivo ejecutar aplicaciones MS-DOS u otros programas en modo real. En su chip sucesor 80386, Intel mejoró el modo protegido para abordar más memoria y también agregó el modo 8086 virtual separado, un modo dentro del modo protegido con una compatibilidad MS-DOS mucho mejor, para satisfacer las necesidades divergentes del mercado.

Componentes de soporte

Esta lista de componentes de interfaz de bus que se conecta al microprocesador Intel 80286.

• 82230/82231 Alta Integración AT-Compatible Chip Set - El 82230 cubre esta combinación de chips: 82C284 reloj, 82288 controlador de autobús, y doble 8259A controladores de interrupción entre otros componentes. El 82231 cubre esta combinación de fichas: 8254 temporizador interrumpido, 74LS612 cartucho de memoria y controlador dual 8237A DMA entre otros componentes. Están disponibles por segunda fuente con Zymos Corp. Ambos set están disponibles USD $60 por 10 MHz versión y USD $90 por 12 MHz versión en cantidades de 100.
• 82258 Controlador avanzado de acceso directo a la memoria – Tasa de transferencia de 8 MB por segundo, soporta hasta 32 subcanales, máscara y comparación, verificación, traducción y operación de montaje/desmontaje que se están procesando simultáneamente. También apoya el alcance de 16 MB. Estos estaban disponibles por USD $170 en cantidades de 100.
• 82C284 Clock Generator and Driver - Intel segunda fuente de esta versión 82284 a Fujitsu Limited alrededor de 1985. El chipset de marca Intel estaba disponible en 20 pin PLCC en muestreo al primer trimestre de 1986.
• Controlador de autobuses 82288
• 82289 Bus Arbiter