インテル80286

インテル80286

灰色のセラミックヒートスプレッダーを備えたIntel A80286-8プロセッサ
一般情報
発売	1982年2月
製造中止	1991年[1]
共通メーカー	インテル、IBM、AMD、ハリス（インターシル）、シーメンス、富士通
パフォーマンス
最大CPU クロックレート	4MHz～25MHz
FSB速度	4MHz～25MHz
データ幅	16ビット
アドレス幅	24ビット
アーキテクチャと分類
テクノロジーノード	1.5μm [2]
命令セット	x86-16 ( MMU付き)
物理的仕様
トランジスタ	120,000 [3]または 134,000、1.5 μm
コプロセッサ	インテル 80287
パッケージ	68ピンPLCC 68ピンLCC 68ピンPGA 100 ピンPQFP (エンジニアリング サンプルのみ)
ソケット	PGA68 PLCC-68 LCC-68
歴史
先人たち	8086、8088（80186は同時期のもの）
後継	インテル 80386
サポート状況
サポートされていません

インテル80286 ^{[4] (} iAPX 286 ^[5]としても販売され、しばしばインテル286と呼ばれる) は、1982年2月1日に発表された16ビットマイクロプロセッサです。これ は、独立した非多重化アドレスバスとデータバスを備えた最初の8086ベースのCPUであり、メモリ管理と幅広い保護機能を備えた最初のCPUでもありました。80286は、元のnMOS ( HMOS )の形態で約134,000個のトランジスタを使用しており、同時代の80186 ^[6]と同様に、以前のインテル8086および8088プロセッサ用に書かれたほとんどのソフトウェアを正しく実行できます。^[7]

80286は1984年に発表されたIBM PC/ATに採用され、その後1990年代初頭までほとんどのPC/AT互換機で広く使用されました。1987年、Intelは500万個目の80286マイクロプロセッサを出荷しました。^[8]

Intel の最初の 80286 チップは、最大クロックレートが 5、6、または 8  MHzに指定され、その後のリリースでは 12.5 MHz に指定されました。AMDとHarris は、後にそれぞれ 16 MHz、20 MHz、25 MHz の部品を製造しました。Intel、Intersil、およびFujitsu は、主にバッテリー駆動のデバイスを対象に、 Intel のオリジナルのデプレッション ロード nMOS実装の完全スタティックCMOSバージョンも設計しました。Intel の 80286 の CMOS バージョンは 80C286 でした。

平均して、80286 は「典型的な」プログラムでは1クロックあたり約 0.21 命令の速度を持つと言われていましたが^[9] 、最適化されたコードやタイトなループでは、多くの命令が2 クロック サイクルで実行できるため、大幅に高速化される可能性があります。6 MHz、10 MHz、12 MHz モデルは、それぞれ 0.9 MIPS、1.5 MIPS、2.66 MIPS で動作することが報告されています。^[10]

80286の後期Eステッピングレベルには、初期のBステップおよびCステップCPU（ATおよびATクローンで一般的）でプログラマーやオペレーティングシステム作成者に問題を引き起こしたいくつかの重大なエラッタはありませんでした。このE-2ステッピング部品は1986年後半に利用可能になった可能性があります。^[11]

インテルは1985年頃にこのマイクロプロセッサを富士通株式会社に供給した^。[12]

インテルは、286がパーソナルコンピュータではなく、主に産業オートメーション、トランザクション処理、および通信に使用されることを期待していました。^[16]

このCPUは、通信（自動PBXなど）やリアルタイムプロセス制御などのマルチタスクアプリケーションを備えたマルチユーザーシステム向けに設計された。134,000個のトランジスタを持ち、アドレスユニット、バスユニット、命令ユニット、実行ユニットの4つの独立したユニットで構成され、8086と同様に疎結合（バッファ付き）パイプラインに編成されている。68ピンパッケージで製造され、PLCC（プラスチックリードチップキャリア）、LCC（リードレスチップキャリア）、PGA（ピングリッドアレイ）パッケージを含む。^[17]

80286 の 8086 (または 8088) に対するパフォーマンスの向上は、多くのプログラムでクロック サイクルあたり 100% 以上(つまり、同じクロック速度で 2 倍のパフォーマンス) になることがあります。これは大きな向上であり、7 年後の i486 ( 1989) またはオリジナルのPentium (1993) が導入されたときの速度向上と完全に匹敵します。これは部分的にはアドレス バスとデータ バスが多重化されていないためでしたが、主にアドレス計算 ( base+indexなど) が安価だったためです。80286 ではアドレス計算は専用ユニットによって実行されましたが、古い 8086 では、多くの場合、汎用ALU を使用して効果的なアドレス計算を行う必要があり、数クロック サイクル余分に消費されていました。また、80286 は、命令のプリフェッチ、バッファリング、ジャンプの実行、およびMUL / DIVなどの複雑なマイクロコード数値演算において、その前身よりも効率的でした。^[18]

80286 には、8086 のすべての命令に加えて、80186 のすべての新しい命令 (ENTER、LEAVE、BOUND、INS、OUTS、PUSHA、POPA、PUSH 即時、IMUL 即時、即時シフトおよび回転) が含まれていました。80286 では、保護モード用の新しい命令 (ARPL、CLTS、LAR、LGDT、LIDT、LLDT、LMSW、LSL、LTR、SGDT、SIDT、SLDT、SMSW、STR、VERR、および VERW) も追加されました。保護モード用の命令の一部は、リアル モードで保護モードの設定と切り替えに使用できます (または使用する必要があります)。また、SMSW や LMSW などのいくつかの命令は、リアル モード自体に役立ちます。

Intel 80286 は 24 ビットのアドレス バスを持ち、それ以前の x86 プロセッサの 1 MB のアドレス空間と比較して 16  MB の物理アドレス空間を持っていました。セグメント化によって最大 1 GB の仮想メモリをサポートする最初の x86 プロセッサでした。 ^[19]しかし、メモリのコストと 1 MB を超えるメモリを使用するソフトウェアが当初は稀であったため、80286 コンピュータは生産後期まで 1 MB を超える RAM を搭載して出荷されることはほとんどありませんでした。^[18]さらに、以下に示すように、リアル モードから拡張メモリにアクセスするとパフォーマンスが低下しました。

286 は、x86 CPU ファミリの中で初めて、保護された仮想アドレス モード(一般に「保護モード」と呼ばれる) をサポートした。さらに、オンチップメモリ管理ユニット(MMU) 機能を備えた最初の市販マイクロプロセッサでもあった (同時期のMotorola 68010およびNS320xx を使用するシステムには、オプションの MMU コントローラを装備できた)。これにより、IBM 互換機は初めて高度なマルチタスク OS を搭載できるようになり、Unix が主流の^[要出典] サーバー/ワークステーション市場で競争できるようになった。

80286 の保護モードでは、マルチタスク オペレーティング システムに役立ついくつかの追加命令が導入されました。

80286 のもう 1 つの重要な機能は、不正アクセスの防止です。これは次の方法で実現されます。

• データ、コード、スタックに異なるセグメントを形成し、それらの重複を防ぎます。
• 各セグメントに権限レベルを割り当てます。権限レベルが低いセグメントは、権限レベルが高いセグメントにアクセスできません。

80286 (およびそのコプロセッサIntel 80287 ) では、次の異なるタイプの数値に対して算術演算を実行できます。

• 符号なしパック10進数、
• 符号なしバイナリ、
• 符号なしアンパック10進数、
• 署名付きバイナリ、
• 浮動小数点数( 80287のみ)。

設計上、286 はハードウェアによるリセットなしでは保護​​モードから基本的な 8086 互換の実アドレス モード(「リアル モード」) に戻ることができませんでした。1984 年に発表された PC/AT では、IBM は外部回路と、 ROM BIOSおよび8042キーボード マイクロコントローラの特殊コードを追加してソフトウェアによるリセットを可能にし、アクティブ メモリを保持しながらリアル モードに再入し、リセットを開始したプログラムに制御を戻せるようにしました (CPU がリセットされるたびに BIOS が直接制御を取得するため、BIOS が必ず関与します)。この方法は正しく機能しましたが、パフォーマンスに大きなペナルティをもたらしました。

理論上は、リアルモードアプリケーションは、特定のルール（80286 の導入で新たに提案された）に従えば、16 ビットの保護モードで直接実行できる。しかし、多くの DOS プログラムがそれらのルールに準拠していなかったため、モード間を簡単に行き来できるように設計され、保護モード内でリアルモードのエミュレーションを提供できる後継の32 ビット Intel 80386が登場するまで、保護モードは広くは使用されなかった。Intel が 286 を設計したとき、リアルモードアプリケーションをマルチタスクできるようには設計されていなかった。リアルモードは、ブートストラップローダーがシステムを準備してから保護モードに切り替えるための簡単な方法となることを目的としていた。本質的に、80286 はプロテクト モードでは、その前身のプロセッサと多くの類似点を持つ新しいプロセッサとして設計されましたが、80286 のリアル モードは、80186 CPU コアのより高度なバージョンを活用できる小規模システム向けに提供されました。80186 CPU コアの利点としては、クロック レートの向上、命令実行の高速化 (クロック サイクルで測定)、非多重化バスなどがありますが、24 ビット (16 MB) のメモリ空間はありません。

保護モードをサポートするために、新しい命令が追加されました: ARPL、VERR、VERW、LAR、LSL、SMSW、SGDT、SIDT、SLDT、STR、LMSW、LGDT、LIDT、LLDT、LTR、CLTS。また、新しい例外 (内部割り込み) もあります: 無効なオペコード、コプロセッサが利用できない、二重障害、コプロセッサ セグメント オーバーラン、スタック障害、セグメント オーバーラン/一般保護障害、および保護モード専用のその他。

80286 のプロテクト モードは、リリースから何年も経つまで PC アプリケーションで日常的に利用されることはなかった。その理由の 1 つは、PC に拡張メモリを追加するコストが高かったことであり、もう 1 つは、8086 PC の大規模なユーザー ベースをサポートするソフトウェアが必要だったことである。たとえば、1986 年にプロテクト モードを利用していた唯一のプログラムは、PC DOS 3.0 および 3.1に含まれていたRAM ディスクドライバーの VDISK であった。DOS は、プロテクト モード (拡張メモリ)で使用可能な追加の RAM を、BIOS呼び出し (INT 15h、AH=87h)経由でRAM ディスクとして、または拡張メモリのエミュレーションとして利用できた。^[18]問題は、古いリアル モードDOS プログラムとプロテクト モードの非互換性にあった。大幅な変更を加えなければ、これらのプログラムをこの新しいモードでネイティブに実行することはできなかった。プロテクト モードでは、メモリ管理と割り込み処理はリアル モードとは異なっていた。さらに、DOS プログラムは通常、自分に属さないデータ セグメントやコード セグメントに直接アクセスします。リアル モードでは制限なくアクセスできましたが、これとは対照的に、プロテクト モードの設計意図は、特別なアクセスが明示的に許可されていない限り、プログラムが自分のセグメント以外のセグメントにアクセスできないようにすることでした。すべてのプログラムがすべてのセグメントにアクセスできるプロテクト モード環境を設定することは可能でしたが (すべてのセグメント記述子をグローバル記述子テーブル(GDT) に配置し、それらすべてに同じ特権レベルを割り当てることにより)、拡張 (24 ビット) アドレス空間を除くプロテクト モードの利点のほとんどすべてが損なわれました。OS 開発者が直面した選択は、ゼロから始めて、古いプログラムの大半を実行できない OS を作成するか、遅くて見苦しい (つまり、内部の技術的観点から見苦しい) けれども古いプログラムの大半は実行できるバージョンの DOS を作成するかのどちらかでした。プロテクト モードでは、8086 互換のリアル モードに比べて、その機能をサポートするほどのパフォーマンス上の利点はありませんでした。実際には、マルチタスク時のタスク切り替えを除けば、追加された多数の権限チェックによって多くの命令が遅くなり、パフォーマンス上の不利が生じるだけでした。保護モードでは、レジスタは依然として16ビットであり、プログラマはリアルモードと同様に64kBセグメントで構成されたメモリマップを使用する必要がありました。^[20]

1985年1月、デジタルリサーチ社はインテル社と共同で開発したコンカレントDOS 286 1.0オペレーティングシステムをプレビューした。この製品は厳密に80286ネイティブモード（つまりプロテクトモード）オペレーティングシステムとして機能し、ユーザーはプロテクトモードを最大限に活用して、8086エミュレーションを実行しながらマルチユーザー、マルチタスク操作を実行できる。^{[21] [22] [23]}これはチップのB-1プロトタイプ段階では機能したが、5月にデジタルリサーチ社は生産レベルのC-1段階でエミュレーションに問題を発見し、コンカレントDOS 286で8086ソフトウェアをプロテクトモードで実行できないことがわかった。コンカレントDOS 286のリリースは、インテル社がチップの新バージョンを開発するまで延期された。^[21] 8月、80286のE-1ステップのサンプルを徹底的にテストした後、デジタルリサーチは、インテルが文書化された286のエラッタをすべて修正したことを認めたが、E-1ステップで動作するコンカレントDOS 286のプレリリースバージョンには、文書化されていないチップパフォーマンスの問題がまだあると述べた。インテルは、デジタルリサーチが保護モードで8086ソフトウェアをエミュレートするために採用したいアプローチは、元の仕様とは異なると述べた。それでも、E-2ステップでは、デジタルリサーチがエミュレーションモードをより高速に実行できるように、マイクロコードに小さな変更を実装しました。 ^[11] IBM 4680 OSと名付けられたDR Concurrent DOS 286は、1986年にIBM Plant System製品およびPOS端末用のIBM 4680コンピューターのベースとしてIBMによって最初に選択されました。 ^[24] Concurrent DOS 286の派生であるDigital ResearchのFlexOS 286バージョン1.3は1986年に開発され、1987年1月に発表され、後にIBMによってIBM 4690 OSに採用されましたが、同じ制限が影響しました。

この問題により、ビル・ゲイツは80286を「脳に損傷のある」チップと呼んだ^[25]。なぜなら、新しいMicrosoft Windows環境では、286で複数のMS-DOSアプリケーションを実行できないことは明らかだったからである。IBMは、もともとIBMとMicrosoftの合弁事業であったOS/2が286（テキストモード）で実行されると主張したため、これがMicrosoftとIBMの分裂の原因となったとも言える。

286の保護モードを採用した他のオペレーティングシステムとしては、Microsoft Xenix（1984年頃）、^[26] Coherent、^[27] Minix ^[28]などがある。これらはMS-DOSアプリケーションやその他のリアルモードプログラムの実行を目的としていなかったため、80286の保護モードの制限による障害はそれほど大きくなかった。後継の80386チップでは、Intelは保護モードを強化してより多くのメモリを扱えるようにし、市場の多様なニーズを満たすために保護モード内のモードとしてMS-DOSとの互換性を大幅に向上させた仮想8086モードも追加した。 ^[29]

これは、Intel 80286 マイクロプロセッサに接続するバス インターフェイス コンポーネントのリストです。

• 82230/82231 高集積 AT 互換チップセット – 82230 は、82C284 クロック、82288 バス コントローラ、デュアル 8259A 割り込みコントローラなどのチップの組み合わせをカバーします。82231 は、8254 割り込みタイマー、74LS612 メモリ マッパー、デュアル 8237A DMA コントローラなどのチップの組み合わせをカバーします。これらは、Zymos Corp. の二次ソースで入手できます。どちらのセットも、10 MHz バージョンが 60 ドル、12 MHz バージョンが 90 ドルで、100 個単位で入手できます。^[30]
• 82258 アドバンスト ダイレクト メモリ アクセス コントローラ – 転送速度は毎秒 8MB、最大 32 個のサブチャネル、マスクおよび比較、検証、変換、およびアセンブリ/逆アセンブリ操作を同時に処理できます。また、16MB のアドレス範囲もサポートしています。これらは 100 個単位で 170 ドルで販売されました。^[31]
• 82C284クロックジェネレーターとドライバー – インテルは1985年頃にこの82284バージョンを富士通株式会社に二次供給しました。^[32]インテルブランドのチップセットは、1986年第1四半期に20ピンPLCCでサンプル提供されました。 ^[15]
• 82288バスコントローラ
• 82289アービター

• U80601 – 1989/1990年に東ドイツで製造された80286とほぼ同一のコピー。ソ連では80286のクローンがKR1847VM286（‹Tfdを参照›ロシア語：КР1847ВМ286）と命名された。 ^[33]
• iAPX、iAPX の名前
• LOADALL – リアルモードで使用可能なすべてのメモリにアクセスするために使用できる、文書化されていない 80286/80386 命令。
• ウィンドウズ/286

ウィキメディア・コモンズには、 Intel 80286に関連するメディアがあります。

• Intel データシート
• Intel 80286 および 80287 プログラマーズ リファレンス マニュアル (bitsavers.org)
• Intel 80286 プログラマーズ リファレンス マニュアル 1987 (txt)。ヒント: たとえば、ヘブライ語 (IBM-862)エンコードを使用します。
• 286 台のラップトップとノートブックに Linux を搭載
• cpu-collection.de の Intel 80286 の画像と説明
• CPU-INFO: 80286、詳細なプロセッサ履歴
• 互換性のある全286チップの概要
• Intel 80286 CPU 情報（チップのエラッタと文書化されていない動作を含む）
• Intel 80286 ハードウェア リファレンス マニュアル