Intel 80286

Intel 80286 — это 16-разрядный микропроцессор с архитектурой x86, выпущенный корпорацией Intel 8 февраля 1982 года. Он стал третьим процессором в семействе x86 после 8086 и 8088 и первым, реализовавшим аппаратную поддержку многозадачности и защиты памяти, что заложило основу для современных операционных систем. Процессор использовался в персональных компьютерах IBM PC/AT и их клонах, а также в промышленных и встраиваемых системах.

История

Разработка и выпуск

Разработка 80286 началась вскоре после успеха 8086, когда инженеры Intel стремились расширить возможности архитектуры x86, сохранив программную совместимость. Процессор был анонсирован в 1982 году и поступил в массовое производство в 1984 году. Первоначальная тактовая частота составляла 6 МГц, а позже были выпущены версии на 8, 10 и 12,5 МГц. Процессор изготавливался по 1,5-мкм технологии CMOS (для версии 80C286) или HMOS (для версии 80286), содержал около 134 000 транзисторов и размещался в 68-выводном корпусе PLCC или PGA.

Коммерческий успех

Наибольшую известность 80286 получил благодаря компьютеру IBM PC/AT, выпущенному в 1984 году. Этот компьютер стал стандартом для деловых и научных приложений, а 80286 обеспечивал производительность, достаточную для работы с текстовыми редакторами, электронными таблицами и базами данных. Процессор также использовался в клонах IBM PC, производимых компаниями Compaq, Dell, Hewlett-Packard и другими. К концу 1980-х годов 80286 был вытеснен 32-разрядным процессором Intel 80386, но продолжал применяться в бюджетных и встраиваемых системах до середины 1990-х годов.

Архитектура

Режимы работы

Intel 80286 поддерживал два режима работы: реальный и защищённый.

• Реальный режим — режим совместимости с 8086, в котором процессор адресует до 1 МБ памяти (20-битная адресация) и работает как быстрый 8086. В этом режиме 80286 выполнял все программы, написанные для 8086 и 8088, без изменений.
• Защищённый режим — новый режим, в котором процессор адресует до 16 МБ физической памяти (24-битная адресация) и поддерживает виртуальную память, многозадачность и защиту памяти. В защищённом режиме используются дескрипторы сегментов, которые определяют права доступа и границы сегментов, что предотвращает некорректное обращение к памяти и повышает надёжность системы.

Регистры

Процессор имел 14 16-разрядных регистров, разделённых на группы:

• Общие регистры: AX, BX, CX, DX (каждый можно использовать как два 8-разрядных: AL/AH, BL/BH, CL/CH, DL/DH).
• Индексные и указательные регистры: SI, DI, BP, SP.
• Сегментные регистры: CS, DS, SS, ES.
• Регистры состояния и управления: IP (счётчик команд), FLAGS (флаги состояния), MSW (слово состояния машины).

Шина и адресация

80286 имел 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную шину адреса. Адресация памяти осуществлялась через сегменты (16-разрядные сегментные регистры) и смещения (16-разрядные регистры или непосредственные значения). В реальном режиме адрес вычислялся как (сегмент * 16) + смещение, что давало 20-разрядный адрес. В защищённом режиме сегментный регистр содержал индекс в таблице дескрипторов, который определял базовый адрес (24-разрядный) и границы сегмента.

Система прерываний

Процессор поддерживал до 256 аппаратных и программных прерываний. Аппаратные прерывания обрабатывались через два контроллера Intel 8259A (программируемый контроллер прерываний), которые обеспечивали 15 уровней прерываний (IRQ0–IRQ15). Программные прерывания вызывались инструкцией INT n, где n — номер прерывания от 0 до 255.

Особенности

Защита памяти

Защищённый режим 80286 ввёл четыре уровня привилегий (кольца защиты: 0 — самый привилегированный, для ядра ОС; 3 — наименее привилегированный, для пользовательских программ). Каждый сегмент имел уровень привилегий (DPL), и доступ к сегменту разрешался только при достаточном уровне привилегий. Это позволяло изолировать операционную систему от приложений и предотвращать сбои в работе системы.

Многозадачность

80286 аппаратно поддерживал переключение задач через дескрипторы задач (TSS — Task State Segment). Каждая задача имела свой TSS, который содержал состояние регистров, указатели на стеки и другие данные. Переключение задач выполнялось по прерыванию или вызову, что позволяло операционной системе эффективно управлять многозадачностью.

Виртуальная память

Процессор поддерживал виртуальную память через сегментацию. Каждый сегмент мог быть отображён на физическую память или на диск (через страничный обмен, реализованный программно). Однако в отличие от более поздних процессоров (80386 и выше), 80286 не имел встроенного блока управления страницами (MMU), поэтому страничная организация памяти требовала дополнительного программного обеспечения.

Производительность

Тактовая частота и быстродействие

80286 с тактовой частотой 8 МГц выполнял около 1,5–2 миллионов операций в секунду (MIPS) в реальном режиме и до 1 MIPS в защищённом режиме. Производительность была в 2–3 раза выше, чем у 8086 на той же частоте, благодаря улучшенной микроархитектуре и более быстрой работе с памятью.

Сравнение с конкурентами

Основными конкурентами 80286 были Motorola 68000 (16/32-разрядный процессор, использовавшийся в компьютерах Apple Macintosh и Amiga) и National Semiconductor NS32016. Motorola 68000 превосходил 80286 по производительности в некоторых задачах (например, в работе с графикой и математическими вычислениями), но уступал в совместимости с программным обеспечением для IBM PC. 80286 сохранял лидерство благодаря огромной базе программного обеспечения, написанного для платформы x86.

Применение

Персональные компьютеры

Основное применение 80286 — персональные компьютеры, совместимые с IBM PC/AT. Эти компьютеры использовались для офисной работы, программирования, бухгалтерского учёта и научных расчётов. Примеры: IBM PC/AT (1984), Compaq Deskpro 286 (1985), Dell System 200 (1986).

Промышленные и встраиваемые системы

Благодаря надёжности и поддержке защищённого режима, 802286 применялся в промышленных контроллерах, системах управления производством, медицинском оборудовании и телекоммуникационных устройствах. Версия 80C286 с пониженным энергопотреблением использовалась в портативных компьютерах и встраиваемых системах.

Образование и разработка

80286 использовался в учебных лабораториях для изучения архитектуры x86 и программирования на ассемблере. Многие учебники по системному программированию (например, «The 80286 Microprocessor: Architecture, Programming, and Interfacing» by James L. Antonakos) были основаны на этом процессоре.

Критика

Ограничения защищённого режима

Главным недостатком 80286 была сложность переключения из защищённого режима обратно в реальный. Для этого требовался аппаратный сброс процессора, что делало невозможным запуск старых программ (написанных для реального режима) в защищённом режиме без эмуляции. Эта проблема была решена в 80386, который поддерживал виртуальный режим 8086.

Производительность в реальном режиме

В реальном режиме 80286 работал медленнее, чем 8086 на той же тактовой частоте, из-за дополнительных тактов на декодирование инструкций и управление шиной. Это было заметно в некоторых старых программах, оптимизированных для 8086.

Отсутствие встроенного FPU

Как и 8086, 80286 не имел встроенного блока для операций с плавающей запятой (FPU). Для математических вычислений требовался отдельный сопроцессор Intel 80287, который подключался через специальный разъём и увеличивал стоимость системы.

Интересные факты

• Процессор 80286 был первым в семействе x86, который поддерживал защищённый режим, но из-за ограничений (отсутствие страничной организации памяти) он не получил широкого распространения для многозадачных операционных систем. Только с появлением 80386 защищённый режим стал стандартом для Windows и Unix.
• В версии 80286 с тактовой частотой 12,5 МГц (выпущенной в 1987 году) было увеличено количество транзисторов до 134 000, что позволило повысить производительность на 20% по сравнению с версией 8 МГц.
• Процессор 80286 использовался в некоторых игровых консолях, например, в Sega Genesis (Mega Drive) для обработки звука и управления контроллерами, хотя основным процессором был Motorola 68000.
• В 1990-х годах 80286 был вытеснен 80386 и 80486, но продолжал выпускаться для встраиваемых систем до 2000-х годов. Последняя версия, 80C286, производилась по технологии CMOS и потребляла менее 1 Вт.

Источники

• Intel Corporation. «80286 Microprocessor Data Sheet». 1982.
• Antonakos, James L. «The 80286 Microprocessor: Architecture, Programming, and Interfacing». Prentice Hall, 1988.
• Mazidi, Muhammad Ali; Mazidi, Janice Gillispie. «The 80x86 IBM PC and Compatible Computers: Assembly Language, Design, and Interfacing». Prentice Hall, 2000.
• «Intel 80286 Processor Family» — CPU-World.com.
• «IBM PC/AT Technical Reference Manual». IBM Corporation, 1984.