1. Лекция № 16. Режимы работы процессора Intel 80286
Intel 80286 (также известный как i286) — 16-битный x86-
совместимый микропроцессор второго поколения фирмы Intel,
выпущенный 1 февраля 1982 года. Данный процессор представляет
собой усовершенствованный вариант процессора Intel 8086 и был в 3
—6 раз быстрее него. Процессор применялся, в основном, в IBM
PC совместимых ПК.
Описание
Процессоры i286 разрабатывались параллельно с
процессорами Intel 80186/80188, однако в нём отсутствовали
некоторые модули, имевшиеся в процессоре Intel 80186. Процессор
i286, выпускался в точно таком же корпусе как и i80186 — LCC, а
также в корпусах типа PGA с 68 выводами. В новом процессоре было увеличено
количество регистров, добавлены новые инструкции, добавлен новый режим работы
процессора — защищённый режим. Процессор имел 6 байтовую очередь (как и Intel
8086). Шины адреса и данныхтеперь не мультиплексируются (то есть, адреса и данные
передаются по разным ножкам). Шина адреса увеличена до 24 бит, таким образом
объем ОЗУ может составлять 16 Мбайт. Процессор не умел выполнять операции над числами с
плавающей запятой, для выполнения таких операций был необходим
математический сопроцессор, например Intel 80287.
Регистры
К 14 регистрам процессора Intel 8086 были добавлены 11 новых регистров, необходимых
для реализации защищённого режима и других функций: регистр слово состояния машины, 16
бит (MSW); регистр задачи, 16 бит (TR); регистры дескрипторной таблицы, один 64-битный и
два 40-битных (GDTR, IDTR, LDTR) и 6 регистров расширения сегментных регистров, 48 бит.
Инструкции
Процессор имел тот же набор инструкций, что и процессор Intel 80186, к которому
добавили 16 новых команд (LGDT, LIDT, LLDT, LMSW, LTR, SGDT, SIDT, SLDT, SMSW,
STR, ARPL, CLTS, LAR, LSL, VERR, VERW) необходимых для работы со средствами
управления памятью. Команда PUSH теперь могла сохранять в стеке константы. Инструкции в
i286 выполняются в среднем за 4,5 такта.
Режимы работы процессора i286
В процессоре i286 было реализовано два режима работы — защищённый
режим и реальный режим. В реальном режиме работы процессор был полностью совместим с
процессорами x86 выпускавшимися до этого, то есть процессор мог выполнять программы
предназначенные для Intel 8086/8088/8018x без повторного ассемблирования или с
переассемблированием с минимальными модификациями. В формировании адреса участвовали
только 20 линий шины адреса, поэтому максимальный объём адресуемой памяти, в этом
режиме, остался прежним — 1 Мбайт. В защищённом режиме процессор мог адресовать до 1
Гбайт виртуальной памяти (при этом объем реальной памяти составлял не более 16 Мбайт), за
счёт изменения механизма адресации памяти. Переключение из реального режима в
защищенный происходит программно и относительно просто, однако для обратного перехода
необходим аппаратный сброс процессора, который в IBM PC-совместимых машинах
осуществлялся обычно с помощью контроллера клавиатуры. Для отслеживания текущего
режима работы процессора используется регистр слово состояния машины (MSW). Программы
реального режима без модификаций в защищенном режиме исполняться не могут, так же как и
программы BIOS машины.
1Микропроцессор Intel 80286

2. Упрощённая схема адресации в защищенном режиме процессора Intel 80286
Суть защищённого режима заключается в следующем. Программист и разрабатываемые
им программы используют логическое адресное пространство (виртуальное адресное
пространство), размер которого может составлять 1024 Мбайт (для i286). Логический адрес
преобразуется в физический адрес автоматически с помощью схемы управления
памятью(MMU). Благодаря защищённому режиму, в памяти можно хранить только ту часть
программы, которая необходима в данный момент, а остальная часть могла храниться во
внешней памяти (например, на жёстком диске). В случае обращения к той части программы,
которой нет в памяти в данный момент, операционная система может приостановить
программу, загрузить требуемую секцию кода из внешней памяти и возобновить выполнение
программы. Следовательно, становятся допустимыми программы, размер которых больше
объема имеющейся памяти. Другими словами, пользователю кажется, что он работает с
большей памятью, чем на самом деле. Однако реализация системы виртуальной памяти была
еще далека от совершенства. Для использования защищённого режима необходима
многозадачная операционная система, например Microsoft Windows 3.0, IBM OS/2 или UNIX.
Физический адрес формируется следующим образом. В сегментных регистрах
хранится селектор, содержащий индекс дескриптора в таблице дескрипторов (13 бит), 1 бит,
определяющий к какой таблице дескрипторов будет производиться обращение (к локальной
или к глобальной) и 2 бита запрашиваемого уровня привилегий. Далее происходит обращение к
соответствующей таблице дескрипторов и соответствующему дескриптору, который содержал
начальный, 24-битный, адрес сегмента, размер сегмента и права доступа. После чего
вычислялся необходимый физический адрес, путём сложения адреса сегмента со смещением,
хранящемся в 16-разрядном указательном регистре.
Однако защищённый режим в процессоре Intel 80286 обладал и некоторыми
недостатками, такими как, несовместимость с программами, написанными для реального
режима MS-DOS, для перехода из защищенного режима в реальный режим требовался
аппаратный сброс процессора.
Уровни защиты
Для защиты от выполнения привилегированных команд, которые могут кардинально
изменить состояние всей системы, для защиты доступа к данным и для защиты сегментов кода
в процессоре i286 была введена защита по привилегиям. Было выделено 4 уровня привилегий,
так называемые кольца (Ring) защиты — от самого привилегированного 0 уровня (Ring 0),
предназначенного для ядра системы, до наименее привилегированного 3 уровня (Ring 3),
предназначенного для прикладных программ.
Компьютеры на базе процессора Intel 80286
В 1984 году фирма IBM представила свой ПК, основанный на процессоре i286 с частотой
6 МГц — IBM PC AT, который вызвал большой интерес к архитектуре x86 вообще и к ПК IBM
PC в частности. В 1987 году IBM выпускает новые модели ПК — IBM PS/2-50 и IBM PS/2-60. К
моменту выпуска ПК IBM PS/2, IBM уже не была монополистом рынка персональных
компьютеров, многие фирмы выпускали аналогичные модели, зачастую обладавших более
низкой ценой.

3. Конкурентные решения
Клон микропроцессора Intel 80286 от фирмы HARRIS
По лицензии Intel
клоны микропроцессора
выпускали различные
компании, в том числе
и Siemens AG
Так как Intel продавала
лицензии на производство
микропроцессоров 286,
многие фирмы выпускали
фактически клоны данного
микропроцессора — AMD, Siemens AG и HARRIS. Однако
были выпущены и процессоры, разработанные независимо от
Intel, таковые выпускали Zilog, Motorola и другие.
Технические характеристики
Дата анонса: 1 февраля 1982 года
Тактовая частота (МГц): зависит от маркировки: 80286-6 — 6 МГц, 80286-8 — 8 МГц,
80286-10 — 10 МГц, 80286-12 — 12,5 МГц
Разрядность регистров: 16 бит
Разрядность шины данных: 16 бит
Разрядность шины адреса: 24 бит
Объём адресуемой памяти: 16 Мбайт
Объём виртуальной памяти: 1 Гбайт
Количество транзисторов: 134 000
Техпроцесс (нм): 1500 (1,5 мкм)
Площадь кристалла: 49 мм²
Напряжение питания: +5 В
Разъём: ?
Корпус: 68-контактный керамический LCC (R80286), пластиковый LCC (N80286),
керамический PGA (CG80286 или A80286)
Микропроцессоры корпорации Intel и персональные компьютеры на их базе прошли не
очень длинный во времени, но значительный по существу путь развития, на протяжении
которого кардинально изменялись и возможности и даже сами принципы их архитектуры. В то
же время, внося в микропроцессор принципиальные изменения, разработчики были вынуждены
постоянно иметь в виду необходимость обеспечения совместимости новых моделей со
старыми, чтобы не отпугивать потенциального покупателя перспективой полной замены
освоенного или разработанного им программного обеспечения. В результате современные
микропроцессоры типа Pentium, обеспечивая такие возможности, как 32-битную адресацию
почти неограниченных объемов памяти, многозадачный режим с одновременным выполнением
нескольких программ, аппаратных средства защиты операционной системы и прикладных
программ друг друга, богатый набор дополнительных эффективных команд и способе
адресации, в то же время могут работать (и часто работают) в режиме первых
микропроцессоров типа 8086, используя всего лишь 1 мегабайт оперативной памяти, 16-
разрядные операнды (т. е. числа в диапазоне до 216 - 1 = 65535) и ограниченный состав команд.
Поскольку программирование на языке ассемблера напрямую затрагивает аппаратные
возможности микропроцессора, прежде всего следует выяснить, в какой степени программист
может использовать новые возможности микропроцессоров в своих программах и какие
проблемы программной несовместимости могут при этом возникнуть.
Первые персональные компьютеры корпорации IBM, появившиеся в 1981 г. и получившие

4. название IBM PC, использовали в качестве центрального вычислительного узла 16-разрядный
микропроцессор с 8-разрядной внешней шиной Intel 8088. В дальнейшем в персональных
компьютерах стал использоваться и другой вариант микропроцессора, 8086, который отличался
от 8088 тем, что являлся полностью 16-разрядным. С тех пор его имя стало нарицательным, и в
программах, использующих только возможности процессоров 8088 или 8086, говорят, что они
работают в режиме 86-го процессора.
В 1982 г. корпорацией Intel был предложен микропроцессор 80286, в котором был
реализован принципиально новый режим работы, получивший название защищенного. Однако
процессор 80286 мог работать и в режиме 86-го процессора, который стали называть реальным.
В дальнейшем на смену процессору 80286 пришли модели 80386, i486 и, наконец, различные
варианты процессора Pentium. Все они могут работать и в реальном, и в защищенном режимах.
Хотя каждая следующая модель была значительно совершеннее предыдущей (в частности,
почти на два порядка возросла скорость работы процессора, начиная с модели 80386 процессор
стал 32-разрядным, а в процессорах Pentium реализован даже 64-разрядный обмен данными с
системной шиной), однако с точки зрения программиста все эти процессоры весьма схожи.
Основным их качеством является наличие двух режимов работы - реального и защищенного.
Строго говоря, в современных процессорах реализован еще и третий режим - виртуального 86-
го процессора, или V86, однако в плане использования языка ассемблера этот режим не
отличается от обычного режима 86-го процессора, мы его касаться не будем.
Реальный и защищенный режимы прежде всего принципиально различаются способом
обращения к оперативной памяти компьютера. Метод адресации памяти, используемый в
реальном режиме, позволяет адресовать память лишь в пределах 1 Мбайт; в защищенном
режиме используется другой механизм (из-за чего, в частности, эти режимы и оказались
полностью несовместимыми), позволяющий обращаться к памяти объемом до 4 Гбайт. Другое
важное отличие защищенного режима заключается в аппаратной поддержке многозадачности с
аппаратной же (т.е. реализованной в самом микропроцессоре) защитой задач друг от друга.
Реальный и защищенный режимы имеют прямое отношение к работе операционной системы,
установленной на компьютере.
В настоящее время на персональных компьютерах типа IBM PC используются в основном
два класса операционных систем (оба - разработки корпорации Microsoft): однозадачная
текстовая система MS-DOS и многозадачная графическая система Windows. Операционная
система MS-DOS является системой реального режима; другими словами, она использует
только средства процессора 8086, даже если она установлена на компьютере с процессором
Pentium. Система Windows - это система защищенного режима; она значительно более полно
использует возможности современных процессоров, в частности, многозадачность и
расширенное адресное пространство. Разумеется, система Windows не могла бы работать с
процессором 8086, так как в нем не был реализован защищенный режим.
Соответственно двум типам операционных систем, и все программное обеспечение
персональных компьютеров подразделяется на два класса: программы, предназначенные для
работы под управлением MS-DOS (их часто называют приложениями DOS) и программы,
предназначенные для системы Windows (приложения Windows). Естественно, приложения DOS
могут работать только в реальном режиме, а приложения Windows - только в защищенном.
Таким образом, выражения "программирование в системе MS-DOS", "программирование в
реальном режиме" и "программирование 86-го процессора" фактически являются синонимами.
При этом следует подчеркнуть, что хотя процессор 8086, как микросхема, уже давно не
используется, его архитектура и система команд целиком вошли в современные процессоры.
Лишь относительно небольшое число команд современных процессоров специально
предназначены для организации защищенного режима и распознаются процессором, только
когда он работает в за щенном режиме. Поэтому изучение языка ассемблера целесообразно
начинать с изучения архитектуры процессора 8086 или, точнее, того гипотетического
процессора, который как бы объединяет часть архитектур средств современных процессоров,
предназначенных для использования в реальном режиме, и соответствующих архитектуре
процессора 8086. будем называть этот гипотетический процессор МП 86. Изучению
архитектуры и программирования МП 86 посвящены первые три главы.

5. Деление программ на приложения DOS и приложения Windows исчерпывают вопроса о
возможных типах программ. Дело в том, что ряд дополнительных средств, имеющихся в
современных процессорах, вполне можно использовать и в реальном режиме (хотя сама
операционная система MS-DOS, разработанная еще в эпоху процессора 8088, ими пользуется).
К этим средствам относится расширенный состав команд процессоров и, главное, их 32-
разрядная архитектура.
Современные процессоры (начиная с 80386), в отличие от своего предшественника 8086,
являются 32-разрядными. Это дает возможность программисту использовать в программе 32-
разядные операнды (т. е. числа в диапазоне до 232-1=4 294 967 295), что во многих случаях
позволяет упростить алгоритм программы и повысить ее быстродействие. Программа,
предполагающая работать с 32-разрядными операндами, должна иметь в своем составе одну из
директив .386, .486 или .586, которые разрешают транс тору использовать дополнительные
средства соответствующего процессе. Включение в программу этой директивы одновременно
открывает доступ и к дополнительным командам и способам обращения к памяти,
отсутствующим в процессоре 8086, что также расширяет возможности программирования. Эти
средства описаны в главе, посвященной расширенным возможностям современных
процессоров.
Особая ситуация возникает, если программист хочет использовать не только 32-битовые
данные, но и 32-разрядные адреса ячеек памяти. Программы такого рода называются 32-
разрядными приложениями (в отличие от 16-разрядных, в которых все адреса 16-разрядные,
хотя данные могут иметь размер 32 бит). Для создания 32-разрядного приложения в состав
программы необходимо включить (в соответствующем месте) oписатель use32. Однако следует
иметь в виду, что MS-DOS не позволяет пускать 32-разрядные приложения, которые, таким
образом, должны 6ыть приложениями Windows. В то же время приложения Windows обычно
составляются не на языке ассемблера, а на одном из языков высокого уровня - Паскаль, С или
C++, где тип создаваемой программы (16-разрядная или 32-разрядная) определяется
настройками компилятора. Поэтому вопросы разработки 32-разрядных приложений на языке
ассемблера не вошли в настоящую книгу.
Как известно, система Windows допускает запуск приложений DOS (программ реального
режима), организуя для этого так называемый сеанс DOS, в котором программы фактически
выполняются в режиме 86-го процессора. Кроме этого, в Windows предусмотрена возможность
загрузки компьютера в режиме эмуляции DOS, когда компьютер работает под управлением
варианта DOS, встроенного в систему Windows. Наконец, компьютер можно сконфигурировать
так, чтобы он позволял загружать как Windows, так и "чистую" DOS (например, MS-DOS 6.22),
без всякой Windows. Каким вариантом загрузки компьютера пользоваться при проработке
настоящей книги - дело вкуса и привычек читателя. Приводимые в книге примеры в своем
большинстве просты, не затрагивают каких-то специальных системных средств и будут
работать в любом режиме. Последнее замечание не относится только к примеру программы
защищенного режима, приводимому в гл. 4, а также к обработчику прерываний от мыши,
рассматриваемому в гл. 3. Эти программы следует запускать на "чистой" DOS.

6. Деление программ на приложения DOS и приложения Windows исчерпывают вопроса о
возможных типах программ. Дело в том, что ряд дополнительных средств, имеющихся в
современных процессорах, вполне можно использовать и в реальном режиме (хотя сама
операционная система MS-DOS, разработанная еще в эпоху процессора 8088, ими пользуется).
К этим средствам относится расширенный состав команд процессоров и, главное, их 32-
разрядная архитектура.
Современные процессоры (начиная с 80386), в отличие от своего предшественника 8086,
являются 32-разрядными. Это дает возможность программисту использовать в программе 32-
разядные операнды (т. е. числа в диапазоне до 232-1=4 294 967 295), что во многих случаях
позволяет упростить алгоритм программы и повысить ее быстродействие. Программа,
предполагающая работать с 32-разрядными операндами, должна иметь в своем составе одну из
директив .386, .486 или .586, которые разрешают транс тору использовать дополнительные
средства соответствующего процессе. Включение в программу этой директивы одновременно
открывает доступ и к дополнительным командам и способам обращения к памяти,
отсутствующим в процессоре 8086, что также расширяет возможности программирования. Эти
средства описаны в главе, посвященной расширенным возможностям современных
процессоров.
Особая ситуация возникает, если программист хочет использовать не только 32-битовые
данные, но и 32-разрядные адреса ячеек памяти. Программы такого рода называются 32-
разрядными приложениями (в отличие от 16-разрядных, в которых все адреса 16-разрядные,
хотя данные могут иметь размер 32 бит). Для создания 32-разрядного приложения в состав
программы необходимо включить (в соответствующем месте) oписатель use32. Однако следует
иметь в виду, что MS-DOS не позволяет пускать 32-разрядные приложения, которые, таким
образом, должны 6ыть приложениями Windows. В то же время приложения Windows обычно
составляются не на языке ассемблера, а на одном из языков высокого уровня - Паскаль, С или
C++, где тип создаваемой программы (16-разрядная или 32-разрядная) определяется
настройками компилятора. Поэтому вопросы разработки 32-разрядных приложений на языке
ассемблера не вошли в настоящую книгу.
Как известно, система Windows допускает запуск приложений DOS (программ реального
режима), организуя для этого так называемый сеанс DOS, в котором программы фактически
выполняются в режиме 86-го процессора. Кроме этого, в Windows предусмотрена возможность
загрузки компьютера в режиме эмуляции DOS, когда компьютер работает под управлением
варианта DOS, встроенного в систему Windows. Наконец, компьютер можно сконфигурировать
так, чтобы он позволял загружать как Windows, так и "чистую" DOS (например, MS-DOS 6.22),
без всякой Windows. Каким вариантом загрузки компьютера пользоваться при проработке
настоящей книги - дело вкуса и привычек читателя. Приводимые в книге примеры в своем
большинстве просты, не затрагивают каких-то специальных системных средств и будут
работать в любом режиме. Последнее замечание не относится только к примеру программы
защищенного режима, приводимому в гл. 4, а также к обработчику прерываний от мыши,
рассматриваемому в гл. 3. Эти программы следует запускать на "чистой" DOS.