Intel 80286

<<   Intel 80286   >>
Datei:KL Intel i286.jpg Intel CPU 80286 im PGA-Gehäuse für 8 MHz
Produktion:	1982 bis frühe 1990er
Produzenten: Intel AMD IBM Harris (Intersil) Siemens AG Fujitsu
Prozessortakt:	4 MHz bis 25 MHz
Fertigung:	1,5 µm, NMOS
Befehlssatz:	x86, 16-Bit
Sockel:	PGA, CLCC und PLCC 68-Pin

Der Intel 80286, auch iAPX 286 oder Intel 286, ist ein x86-Mikroprozessor mit 16-Bit-Architektur des Unternehmens Intel, der am 1. Februar 1982 als Nachfolger des 8086 auf den Markt kam. Der 286er – wie der 80286 häufig auch genannt wird (gesprochen Zweisechsundachtziger) – wurde zunächst in Büro-Mikrocomputeranlagen eingebaut, die unter Unix liefen. 1984 brachte dann das Unternehmen IBM den PC/AT auf 80286-Basis als Nachfolger des PC XT heraus. Fast ausschließlich durch die PC/AT-Computer und deren kompatible Nachbauten fand der 80286 Verbreitung.

Geschichte

Der Intel 80286 erschien 1982 auf dem Markt, kurz nach dem Erscheinen des ersten IBM Personal Computer und vier Jahre nach dem 8086. Er stellt eine komplette Überarbeitung des 8086 dar, die Anzahl der verbauten Transistoren stieg um den Faktor 4,62. Er weist bei gleicher Taktfrequenz etwa die 3- bis 4-fache Leistung gegenüber einem 8086 auf. Die ersten Versionen waren noch vergleichsweise langsam mit 4 MHz, 6 MHz und 8 MHz getaktet, spätere Versionen erlaubten Taktfrequenzen bis 12,5 MHz. AMD und Harris stellten später auch CPUs mit 16 MHz, 20 MHz und 25 MHz her. Technologisch setzt er letztmals auf einen NMOS-Prozess mit 1,5 µm Strukturbreite. Spätere Prozessoren wie auch Nachbauten des 80286 durch Intersil und Fujitsu wechselten zum stromsparenderen CMOS-Prozess.

Architektur

Datei:80286 arch.png

Intel 80286: Funktionsblockschaltbild

Grundlegende Unterschiede in der Architektur zum 8086:

• kein gemultiplexter Adress/Datenbus mehr (8086: Daten- und Adressbus gemultiplext)
• Schnellere Speicherzugriffe: 2 Takte (8088 und 8086: 4 Takte)
• zusätzlicher Adder für Adressberechnung (8086: normale ALU wurde zur Adressberechnung genutzt, 4 Takte zusätzlich bei einfachen Adressberechnungen [BP+SI], 8 Takte bei doppelten [BP+SI+nn])
• Hardware-Multiplizierer, 16 Bit-Multiplikation in 21 Takten (8086: 118–133 Takte, Z80: 214–667 Takte in SW<ref>Z80: Advanced Math > Multiplication, base case. In: z80-heaven.wikidot.com. 21. März 2021, abgerufen am 18. November 2022 (). </ref>)
• Hardware-Dividierer, 16 Bit-Division in 22 Takten (8086: 144–162 Takte)
• schnellerer Shifter (aber noch keinen Barrel-Shifter), 1 Takt pro Verschiebung (8086: 4 Takte)
• Zusätzliche Befehle: Verschiebe-Befehle: ROR/ROL/RCR/RCL/SAL/SAR/SHL immediate, MUL immediate, PUSH immediate, PUSHA/POPA, ENTER/LEAVE, INS/OUTS, BOUND
• Unterstützung eines , der physisch bis zu 16 MiB und logisch bis zu 512 MiB (8191 Segmente à 64 KiB) adressieren konnte.
• 4 weitere Adressleitungen A20 bis A23 zur Adressierung von 16 MiB statt 1 MiB
• 8 Byte bzw. 64 Bit breite Deskriptoren, wovon aber nur die ersten 6 Bytes bzw. 48 Bits (davon 24 Bit für die direkte Speicheradressierung) verwendet werden; eine Überprüfung findet dabei jedoch nicht statt (fehlende Aufwärtskompatibilität – der 80386 nutzt bereits alle 8 Bytes bzw. 64 Bits)<ref name="os2-museum_forward-compatibility-landmines" /><ref name="os2-museum_theres-more-to-the-286-xenix-story" />
• Gleitkommabefehle für den 80287 erfordern keine Synchronisation mittels FWAIT mehr.
• Geschwindigkeitsgewinn des 80286 gegenüber 8088 (taktbereinigt): ca. 3,5 bis 4
• Geschwindigkeitsgewinn des 80287 gegenüber 8087 (taktbereinigt): ca. 1 bis 1,15 (interne Verarbeitungsgeschwindigkeit identisch, schnellerer Bus)

Eine Designentscheidung beim 80286 führte später dazu, dass Intel bei der Entwicklung des i486 dessen Architektur gegenüber der des 80386 so wenig wie möglich veränderte, und beim „P5 Pentium“ begann, die als angegebenen Bytes und Bits bei Steuerregistern und Seitentabellen zu überprüfen. Der 80286-Prozessor ignorierte reservierte Bits, was jedoch im Falle von Xenix 286 (siehe Abschnitt Unix) dazu führte, dass sich die Programmierer von Microsoft bei der Portierung von Unix auf den 80286 nicht an die (zu spät veröffentlichte) Vorgabe von Intel hielten, diese überzähligen Bits nicht für eigene Zwecke zu verwenden. Da diese Bits aber später beim 80386 vom Prozessor selbst verwendet werden, stürzt Xenix 286 auf einem 386er oder neuer bereits beim Start ab. Ab dem Pentium führt es zu einer Ausnahmebehandlung (), wenn reservierte Bits von einer Software verwendet werden. Damit ist die Aufwärtskompatibilität sichergestellt, wenn zukünftige Prozessoren bis dahin reservierte Datenbereiche verwenden, wie es beim 80386 gegenüber dem 80286 der Fall war. Software kann dann die vom Prozessor (noch) nicht verwendeten Bits ebenfalls nicht verwenden und bleibt somit auch mit späteren Prozessoren kompatibel – anders als Xenix 286, das mit 80386-Prozessoren und neuer gänzlich inkompatibel ist, weil sowohl die Software (das Betriebssystem) als auch die Hardware (der Prozessor) dieselben Bits für unterschiedliche Funktionen gleichzeitig verwenden.<ref name="os2-museum_theres-more-to-the-286-xenix-story">Michal Necasek: There’s More to the 286 XENIX Story. (Blog) In: OS/2 Museum. 22. März 2017, abgerufen am 9. August 2026 (): „In late 1982 or in 1983, Microsoft ported XENIX … to the Intel 286 processor. … Although Intel had the XENIX source code, the porting was done entirely by Microsoft. Developers at Microsoft decided to store bookkeeping information in the ‘reserved’ 16 bits of a descriptor table entry not used by the 286. This approach reliably worked on 286 processors. … In late 1983, updated 286 documentation marked the last 16 descriptor bits as ‘reserved for iAPX 386, must be zero’. … Intel discovered that 286 XENIX does not work on the 386 at all. … …the reserved descriptor word [was] ignored by the 286, and the 386 interpreted the data in unexpected ways (which immediately crashed the OS). Since Intel engineers had access to the XENIX source code, they were able to re-code the OS not to use the reserved descriptor word. Microsoft was reluctant to accept the patch… … Microsoft pointed out that if Intel didn’t want programmers to use reserved areas, they shouldn’t have let them use those areas in the first place. … In late 1984, IBM XENIX 1.0 for the PC/AT was released. It contained the original Microsoft implementation which puts data in a reserved descriptor word. Since there were no 386s available yet and IBM XENIX 1.0 was bolted to the specific PC/AT models anyway, that did not pose practical problems to IBM’s customers. … The Pentium design was significantly different from the 386/486; it took the 286 XENIX lesson to heart and actively prevented programmers from setting reserved bits in control registers or page tables.“ </ref>

Features

Protected Mode

→ Hauptartikel: Protected Mode

Datei:Intel 80286 die.JPG

Prozessorkern (Die) eines Intel 80286 (8 MHz)

Bezüglich seines Befehlssatzes ist der 80286 abwärtskompatibel zum 8086, er führte aber einen zusätzlichen Betriebsmodus ein: den , „geschützter Modus“. Der zum 8086 abwärtskompatible Betriebsmodus erhielt die Bezeichnung . Die Bezeichnung wurde derart geläufig, dass sogar bis heute häufig über den 8086 und dessen Bruder 8088 vereinfachend gesagt wird, sie würden im laufen, denn in diesem Betriebsmodus war der 80286 fast vollständig softwarekompatibel zum 8086 – einschließlich der Beschränkung auf 1 MiB Adressraum.

Der dagegen erlaubt es, über den 24 Bit breiten Adressbus bis zu 16 MiB zu adressieren. Die Beschränkung auf maximal 64 KiB große Segmente blieb jedoch auch in diesem Betriebsmodus bestehen – alle Adressregister waren nach wie vor nur 16 Bit breit. Allerdings konnte ein Segment auf eine nahezu beliebige Adresse im 24-Bit-Adressraum gelegt werden. Nur so erschloss sich für Programmcode der gesamte Adressraum. Durch die Speicherverwaltungsmöglichkeit des steht ein virtueller Speicher von knapp 1 GiB (16383 Segmente zu max. 64 KiB) zur Verfügung. Siehe dazu auch 16-Bit .

Der unterstützte Multitasking, Speicherschutz und weitere, im nicht verfügbare Erweiterungen. Obwohl der schwieriger zu programmieren war als der , bot er eine Vielzahl von Vorteilen und neuen Möglichkeiten. Die Entwickler von Intel glaubten, dass alte Programme, die sich an gewisse Regeln hielten, unverändert im neuen Betriebsmodus laufen würden. In der Praxis zeigte sich jedoch, dass aufgrund vieler Probleme mit der PC-Architektur und dem Betriebssystem MS-DOS fast keine -Programme im funktionierten. Bill Gates bezeichnete den 80286 auch als hirnlosen Chip, da der Prozessor in einer Windows-Umgebung nicht mehrere MS-DOS-Programme gleichzeitig abarbeiten konnte.<ref>Die Geschichte der x86-CPUs – Intel 286. In: computerwoche.de. Abgerufen am 3. August 2009. </ref> Dies wurde erst im Nachfolger 80386 ermöglicht, der dafür einen eigenen Betriebsmodus bekam, den .

Der 80286-Prozessor kann zwar relativ einfach in den geschaltet werden, der Weg zurück ist jedoch nur über ein Zurücksetzen (Prozessor-Reset) möglich oder, wie später entdeckt wurde, mit einem undokumentierten Befehl (LOADALL 0x0F05, lade alle Prozessorregister aus dem Speicher).<ref>Robert Collins: The LOADALL Instruction (englisch)</ref><ref>Robert Collins: Protected Mode Basics (englisch)</ref><ref>Undocumented jAPX 286/Test Instruction Intel 286 LOADALL (englisch)</ref> Es wurde viel spekuliert, warum Intel keine einfachere Möglichkeit einbaute, um vom einfach in den zurückzukehren – die am häufigsten angeführten Gründe sind:

• Intel betrachtete den als derart überlegen, dass man dachte, niemand würde in den zurückschalten wollen.
• Ein entsprechender Befehl sei vorgesehen gewesen, er habe jedoch nicht richtig funktioniert und wurde vor Markteinführung kurzfristig stillgelegt.
• Ein Designfehler an der Mikroarchitektur des 80286 habe ein problemfreies Zurückschalten nicht ohne tiefgreifende Veränderungen an dieser ermöglicht.
• Die Implementierung des Befehls sei schlicht und einfach vergessen worden.

• Intel 80286 mit 10 MHz (PLCC-Gehäuse)<ref></ref>
  Intel 80286 mit 10 MHz (PLCC-Gehäuse)<ref></ref>
• Siemens SAB 80286 (PLCC-Gehäuse)
  Siemens SAB 80286 (PLCC-Gehäuse)
• IBM 80286 für 8 MHz (PGA-Gehäuse)
  IBM 80286 für 8 MHz (PGA-Gehäuse)

Software

Unix

Das bereits zuvor von Microsoft und SCO auf den 8086 portierte Unix System V erschien 1985 als Xenix 286 System V Release 2.0 auch für den 80286.<ref>Fred Hantelmann: LINUX für Durchstarter. 2. Auflage. Springer-Verlag, 1999, ISBN 978-3-540-65215-1, 2. Entwicklung von Unix, S. 16, 2.3 PC-Unix-Varianten (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche): „Kurz nach der breiten Verfügbarkeit von Intel 80286 Prozessoren stellte SCO im Jahre 1985 das Xenix-286 System V Release 2.0 vor. Aufgrund starker Inanspruchnahme des Prozessors allein für die Steuerung des Betriebssystems hatte es diese Implementierung jedoch zunächst schwer, mit dem auf demselben Prozessortyp etablierten MS-DOS zu konkurrieren.“ </ref> Auch Coherent wurde auf den 80286 portiert. Eine wesentliche Verbreitung von Unix auf 80286-PCs blieb jedoch aus.

Microsoft Xenix 286 läuft vollständig im 16-Bit-, womit die Speicherbegrenzung von 1 MiB wie noch zuvor bei Xenix auf dem 8086 bzw. im wegfällt. Xenix 286 bzw. die von IBM vermarktete OEM-Version „IBM PC Xenix“<ref name="os2-museum_ibm-pc-xenix" /> kann somit den vollen virtuellen 16-Bit-Adressraum von 16 MiB des nutzen, unterstützt jedoch nur 4 MiB physischen RAM, da auch der IBM PC/AT nicht mit mehr RAM bestückt werden konnte.<ref>Michal Necasek: IBM XENIX: Two Steps Forward. (Blog) In: OS/2 Museum. 16. März 2017, abgerufen am 9. August 2026 (): „Restrict the RAM size to 4 MB. This old Xenix can’t handle much memory, and it probably wasn’t even possible to put more into the original PC/AT.“ </ref> Bei den 64 Bit großen Deskriptoren, von denen der 80286 nur 48 Bits verarbeitet, verwendet Xenix die zwei ungenutzten Bytes (ein Datenwort) für Verwaltungsdaten. Der Prozessor ignoriert diese überzähligen Bits bei der Ausführung, nicht jedoch der ab 1985 verfügbare 80386-Prozessor, der alle 8 Bits im GDT und LDT verarbeitet. Dadurch ist Xenix 286 auf dem 80386 oder einem neueren IA-32-Prozessor nicht lauffähig: es stürzt sofort ab.<ref name="os2-museum_forward-compatibility-landmines">Michal Necasek: Forward Compatibility, Landmines. (Blog) In: OS/2 Museum. 20. September 2014, abgerufen am 9. August 2026 (): „The descriptor format is very similar on the 286 and 386; the 386 version is an extension of the 286 one. In both cases, 8 bytes are reserved for a descriptor, but on the 286, only 6 bytes are used … The 286 documentation … clearly states that the last word is ‘reserved for iAPX 386’ and ‘must be zero’. Unfortunately, the CPU did not enforce that, and allowed the Xenix developers to create a wonderful landmine bug …“ </ref> Intel hatte dies bereits vor Veröffentlichung des 80386 und von Xenix 286 erkannt und einen Patch entwickelt, den Microsoft jedoch nicht übernahm.<ref name="os2-museum_theres-more-to-the-286-xenix-story" /> Da Xenix das erste verfügbare -Betriebssystem für den IBM PC/AT und dessen 80286-Prozessor war, und IBM das Betriebssystem sogar kurzzeitig direkt vermarktete,<ref name="os2-museum_ibm-pc-xenix">Michal Necasek: IBM PC XENIX. (Blog) In: OS/2 Museum. 26. Oktober 2012, abgerufen am 9. August 2026 (). </ref> war es 1984 offenbar auch für IBM noch kein Problem, dass Xenix 286 exklusiv auf dem 80286 lauffähig ist.

PC-Unix konnte erst mit dem 80386 auf der x86-Architektur richtig Fuß fassen. Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre wurden 32-Bit-Unix-Varianten für den IBM-kompatiblen x86-PC speziell für den 386er und neuere x86-Prozessoren angepasst – beispielsweise kommerzielle Unix-Versionen wie spätere Xenix-Versionen und AIX, aber auch das freie BSD wurde Ende der 1980er auf den 386er portiert und u. a. 1992 als 386BSD veröffentlicht. Linux wurde direkt für den 386er entwickelt, u. a. weil dieser im Gegensatz zum 286er eine Speicherverwaltungseinheit (MMU) besitzt. Als Hobby-Projekt wurde ab 1997 der Linux-Kernel als „“, kurz ELKS, auf 8086- und 80286-Hardware – und damit eine 16-Bit-Architektur ohne MMU – rückportiert.

Memory Extender

1987, mit Windows 2.1, realisierte das Unternehmen Microsoft zum ersten Mal einen sogenannten , der den des 80286 zu Hilfe nahm. Mit solchen kann aus DOS heraus Speicher oberhalb der 1-MiB-Grenze und des hohen Speichers (HMA), der sogenannte Erweiterte Speicher () genutzt werden.

1988 wurde dieser Zugriff in der , kurz XMS, standardisiert. Folglich hießen die daraufhin unter DOS XMS-. Der bekannteste unter ihnen wurde der ab 1990 mit DOS 5.0 mitgeliefert: Vorlage:Monospace.

DOS-Extender und Windows

In der zweiten Hälfte der 1980er Jahre kamen DOS-Extender zur verbesserten Nutzung des der 80286- und 80386-Prozessoren auf. Der erste etablierte Standard für DOS-Extender VCPI benötigt jedoch mindestens einen 386er. Ab 1990 etablierte sich mit DPMI jedoch ein Windows-kompatibler Standard für DOS-Extender, der auch auf dem 80286 und dem 16-Bit- kompatibel ist; allerdings wurden in den 1990er Jahren die meisten DOS--Programme bereits als 32-Bit-Programme ausgeführt.

Bis Windows 3.0 wurde der des IBM PC und PC XT (8086/88) unterstützt, bis Windows 3.1 der (d. h. der 16-Bit-) des PC/AT (80286). Windows für Workgroups 3.11 lief allerdings nur noch im (d. h. 32-Bit-), der mindestens einen 80386-Prozessor erfordert (der Compaq Deskpro 386 wurde Ende 1986 verfügbar).<ref>Raymond Chen: If Windows 3.11 required a 32-bit processor, why was it called a 16-bit operating system? In: devblogs.microsoft.com. 17. Mai 2010, abgerufen am 5. Februar 2012 (). </ref> Ebenso setzte Windows 95 mindestens einen 32-Bit-x86-Prozessor ab i386 voraus.

Technische Daten

• Max. adressierbarer Speicher: 16 MiB
• Verarbeitungsbreite: 16 Bit
• Datenbus: 16 Bit
• Adressbus: 24 Bit
• L1-Cache: nicht vorhanden
• L2-Cache: nicht vorhanden
• Bauform: PGA, PLCC oder LCC mit 68 Pins
• Betriebsspannung (VCore): 5 V
• Erscheinungsdatum: 1982
• Fertigungstechnik: 1,5 µm
• Die-Größe: 47 mm² bei 134.000 Transistoren
• max. Taktfrequenzen:
  • 04 MHz: nur für kurze Zeit erhältlich, externer Takt: 8 MHz
  • 06/8/10/12/16 MHz
  • 20 MHz: nur Harris/Intersil CS80C286-20 und AMD N80C286-20
  • 25 MHz: nur Harris/Intersil CS80C286-25

Peripheriebausteine

Datei:Siemens SAB8228x.jpg

Siemens SAB82284, SAB82288 und SAB 82289 (im Deutschen Museum)

• Intel 82284: Taktgeber
• Intel 82288: Bus-Controller
• Intel 82289: Bus-Arbiter

Siehe auch

• Am286, Kopie von AMD, produziert ab 1986.
• U80601, DDR-Nachbau aus dem Kombinat Mikroelektronik Erfurt, produziert ab 1989.

Literatur

• C. Vieillefond: Programmierung des 80286. SYBEX Verlag, 1987, ISBN 3-88745-668-8. 

Weblinks

Commons: Intel 80286 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Intel 80286 – Informationen und Fotos der verschiedenen Versionen bei cpu-collection.de (englisch)
• Aus Anlaß 20 Jahre PC-Programmierung: Wie kriege ich Hauptspeicher? (Memento vom 7. Juli 2004 im Internet Archive)

Einzelnachweise

<references />

x86-Mikroarchitekturen: 8086 | 80186 | 80286 | 80386 | 80486 | P5 | P6 | NetBurst | Core Solo/Core Duo | Core 2 | Nehalem/Westmere | Sandy/Ivy Bridge | Gladden | Haswell | Broadwell | Skylake | Kaby Lake | Amber Lake | Coffee Lake | Whiskey Lake | Cannon Lake | Cascade Lake | Ice Lake | Comet Lake | Lakefield | Tiger Lake | Rocket Lake | Alder Lake | Raptor Lake | Meteor Lake | Lunar Lake | Arrow Lake | Twin Lake | Bartlett Lake | Panther Lake | Wildcat Lake | Nova Lake | Razor Lake | Titan Lake | Hammer Lake  •  Atom

Non-x86-Mikroarchitekturen: Mikrocontroller: MCS-48 | MCS-51 | MCS-96 | XScale  •  Server: Itanium | Itanium 2

GPU-Mikroarchitekturen: Larrabee | Intel HD Graphics | Alchemist | Battlemage

Liste aller Prozessoren ab 1970 • alle Modellnummern von 2004 bis 2009

Vor-x86-Prozessoren	Desktop 4004 • 4040 • 8008 • 8080 • 8085
iAPX-86 bis zur 4. Generation	Desktop 8086 • 8088 • 80186 • 80188 • 80286 • 80386 (i386) • 80486 (i486) • Overdrive-Versionen
Pentium-Serie	Desktop Pentium (MMX) • Pentium II • Pentium III • Pentium 4 • Pentium 4 XE • Pentium D • Pentium XE • Pentium Dual-Core • Overdrive-Versionen Mobil Mobile Pentium 4 • Pentium M • Pentium Dual-Core Server Pentium Pro
Celeron-Serie	Desktop Celeron (P6) • Celeron (NetBurst) • Celeron D • Celeron (Core) • Celeron Dual-Core Mobil Mobile Celeron • Celeron M
Core-Serie	Desktop Core (Core Solo, Core Duo) • Core 2 • Core i • Core M
Xeon-Serie	ii Server Xeon (P6) • Xeon (NetBurst) • Xeon (Core) • Xeon (Nehalem) • Xeon (Sandy Bridge) • Xeon (Ivy Bridge) • Xeon (Haswell) • Xeon (Broadwell) • Xeon (Skylake) • Xeon (Kaby Lake) • Xeon (Coffee Lake) • Xeon (Cascade Lake) • Xeon (Ice Lake) • Xeon (Sapphire Rapids)
Atom-Serie	Desktop Atom
x86-kompatible SoCs	Desktop Quark • Edison
Nicht-x86-Prozessoren	Desktop iAPX 432 • i860 • i960 • Itanium • Itanium 2 • XScale

Weitere Listen: Celeron • Pentium • Core 2 • Core i