El Intel 80286 [4] (también comercializado como iAPX 286 [5] 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 CPU separada, no buses de datos y direcciones multiplexados y también el primero con gestión de memoria y amplias capacidades de protección. El 80286 utilizó aproximadamente 134.000 transistores en su encarnación nMOS ( HMOS ) original y, al igual que el 80186 contemporáneo , [6] podía ejecutar correctamente la mayor parte del software escrito para los procesadores Intel 8086 y 8088 anteriores. [7]
El 80286 se empleó para IBM PC/AT , introducido en 1984, y luego ampliamente utilizado en la mayoría de las computadoras compatibles con PC/AT hasta principios de los años 1990. En 1987, Intel lanzó su microprocesador 80286 número cinco millones. [8]
Los primeros chips 80286 de Intel se especificaron para una velocidad máxima de 5, 6 u 8 MHz y los lanzamientos posteriores para 12,5 MHz. Posteriormente, AMD y Harris produjeron piezas de 16 MHz, 20 MHz y 25 MHz, respectivamente. Intel, Intersil y Fujitsu también diseñaron versiones CMOS totalmente estáticas de la implementación nMOS de carga de agotamiento original de Intel , principalmente dirigidas a dispositivos que funcionan con baterías. La versión CMOS de Intel del 80286 era la 80C286.
En promedio, se informó que el 80286 tenía una velocidad de aproximadamente 0,21 instrucciones por reloj en programas "típicos", [9] aunque podría ser significativamente más rápido en código optimizado y en bucles cerrados, ya que muchas instrucciones podrían ejecutarse en 2 ciclos de reloj. cada. Según los informes, se midió que los modelos de 6 MHz, 10 MHz y 12 MHz funcionaban a 0,9 MIPS, 1,5 MIPS y 2,66 MIPS respectivamente. [10]
El último nivel de paso E del 80286 estaba libre de varias erratas importantes que causaron problemas a los programadores y escritores de sistemas operativos en las CPU de paso B y C anteriores (comunes en los clones AT y AT). Es posible que esta pieza escalonada E-2 haya estado disponible a finales de 1986. [11]
Intel adquirió en segundo lugar este microprocesador para Fujitsu Limited alrededor de 1985. [12]
Intel no esperaba que las computadoras personales usaran el 286. [16] La CPU fue diseñada 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 instrucción y la unidad de ejecución, organizadas en una tubería ligeramente acoplada (amortiguada) , al igual que en el 8086. Se produjo en un paquete de 68 pines. , incluidos los paquetes PLCC ( portador de chips con terminales de plástico ), LCC ( portador de chips sin conductores ) y PGA ( matriz de rejilla de pines ). [17]
El aumento de rendimiento del 80286 sobre el 8086 (u 8088) podría ser 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 a 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 datos y direcciones no multiplexados, pero principalmente al hecho de que los cálculos de direcciones (como base+index ) eran menos costosos. Fueron realizados por una unidad dedicada en el 80286, mientras que el 8086 más antiguo tenía que realizar cálculos de direcciones efectivos utilizando su ALU general , consumiendo varios ciclos de reloj adicionales en muchos casos. Además, el 80286 era 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. [18]
El 80286 incluía, además de todas las instrucciones del 8086, todas las instrucciones nuevas del 80186: ENTRAR, SALIR, BOUND, INS, OUTS, PUSHA, POPA, PUSH inmediato, IMUL inmediato y turnos y rotaciones inmediatas. 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 que admitió memoria virtual que admite hasta 1 GB mediante segmentación. [19] Sin embargo, el costo de la memoria y la rareza inicial del software que utilizaba una memoria superior a 1 MB significaron que hasta el final de su producción, 80286 computadoras rara vez se enviaban con más de 1 MB de RAM. [18] Además, hubo una penalización en el rendimiento al acceder a la memoria extendida desde el modo real, como se indica a continuación.
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 disponible comercialmente con capacidades MMU en chip (los sistemas que utilizan los contemporáneos Motorola 68010 y NS320xx podrían equiparse con un controlador MMU opcional). Esto permitiría a los compatibles con IBM tener sistemas operativos multitarea avanzados por primera vez y competir en el mercado de servidores / estaciones de trabajo dominado por Unix [ cita necesaria ] .
Se introdujeron varias instrucciones adicionales en el modo protegido de 80286, que son útiles para sistemas operativos multitarea.
Otra característica importante de 80286 es la prevención del acceso no autorizado. Esto se logra mediante:
En 80286 (y en su coprocesador Intel 80287 ), se pueden realizar operaciones aritméticas con los siguientes tipos diferentes de números:
Por diseño, el 286 no podía volver del modo protegido al modo de dirección real básico compatible con el 8086 (" modo real ") sin un reinicio iniciado por el hardware. En el PC/AT introducido en 1984, IBM añadió circuitos externos, así como código especializado en la ROM BIOS y el microcontrolador del teclado 8042 para permitir que el software provocara el reinicio, permitiendo el reingreso en modo real mientras se retenía la memoria activa y se devolvía el control al sistema. programa que inició el reinicio. (El BIOS está necesariamente involucrado porque obtiene el control directamente cada vez que la CPU se reinicia). Aunque funcionó correctamente, el método impuso una enorme 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 utilizó ampliamente hasta la aparición de su sucesor, el Intel 80386 de 32 bits , que fue diseñado para ir y venir entre modos fácilmente 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 en 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; Básicamente, 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 velocidades 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 han agregado 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, doble falla , desbordamiento de segmento de coprocesador, falla de pila, desbordamiento de segmento/fallo de protección general y otras solo para el modo protegido.
El modo protegido del 80286 no se utilizó de forma rutinaria en 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 soportar la gran base de usuarios de 8086 uds. 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 mediante una llamada al BIOS (INT 15h, AH=87h), como un disco RAM o como emulación de memoria expandida . [18] La dificultad radicaba en la incompatibilidad de los programas DOS más antiguos en modo real con el modo protegido. Simplemente no podían ejecutarse de forma nativa en este nuevo modo sin modificaciones significativas. En modo protegido, la gestión 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 segmentos distintos al suyo a menos que se permitiera explícitamente un acceso especial. Si bien fue posible configurar un entorno de modo protegido que permitiera a todos los programas acceder a todos los segmentos (colocando todos los descriptores de segmento en el 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 que 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 seguiría ejecutando 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 como para justificar el soporte de sus capacidades; de hecho, a excepción de los cambios de tareas al realizar múltiples tareas, en realidad solo produjo una desventaja de rendimiento, al ralentizar muchas instrucciones a través de una letanía de comprobaciones de privilegios adicionales. En modo protegido, los registros todavía eran de 16 bits y el programador todavía se veía obligado a utilizar un mapa de memoria compuesto por segmentos de 64 kB, como en modo real. [20]
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 en modo nativo 80286 (es decir, en modo protegido), permitiendo a los usuarios aprovechar al máximo el modo protegido para realizar operaciones multiusuario y multitarea mientras ejecutan la emulación 8086. [21] [22] [23] Esto funcionó en el paso prototipo B-1 del chip, pero Digital Research descubrió problemas con la emulación en el paso C-1 del nivel de producción en mayo, lo que no permitiría ejecutar DOS 286 concurrente. Software 8086 en modo protegido. El lanzamiento de Concurrent DOS 286 se retrasó hasta que Intel desarrollara una nueva versión del chip. [21] En agosto, después de pruebas exhaustivas 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 no documentados con la versión preliminar de Concurrent DOS 286 ejecutándose en el paso E-1. 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. [11] IBM , llamado IBM 4680 OS , originalmente eligió DR Concurrent DOS 286 como base de su computadora IBM 4680 para productos IBM Plant System y terminales de punto de venta en 1986. [24] FlexOS 286 versión 1.3 de Digital Research , una derivación de Concurrent DOS 286, fue desarrollado en 1986, introducido en enero de 1987 y posteriormente adoptado por IBM para su sistema operativo IBM 4690 , pero lo afectaban las mismas limitaciones.
Los problemas llevaron a Bill Gates a referirse al 80286 como un "chip con muerte cerebral", [25] [ verificación fallida ] [ ¿cuándo? ] ya que estaba claro que el nuevo entorno Microsoft Windows no podría ejecutar múltiples aplicaciones 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 texto).
Otros sistemas operativos que utilizaron el modo protegido del 286 fueron Microsoft Xenix (alrededor de 1984), [26] Coherent , [27] y Minix . [28] 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 sucesor , el chip 80386 , Intel mejoró el modo protegido para abordar más memoria y también agregó el modo virtual 8086 separado , un modo dentro del modo protegido con mucha mejor compatibilidad con MS-DOS, para satisfacer las necesidades divergentes del mercado. [29]
Esta lista de componentes de la interfaz de bus que se conecta al microprocesador Intel 80286.
