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Intel 80286

Intel 80286(いんてる はちまるにいはちろく)はインテルの16ビットマイクロプロセッサ (CPU)。IBMのPC/ATおよびその互換機によって広く普及した、DOS時代の代表的なパーソナルコンピュータ (PC) 用プロセッサであった。1982年2月1日に発表、1984年から6MHz版と8MHz版が出荷された。134,000個のトランジスタを集積した1.5μmのNMOSプロセス(インテルの呼称だとHMOS-III)で製造され、性能を大幅に増加させるパイプラインを構成する4つの独立したユニット(アドレスユニット、バスユニット、命令ユニットと実行ユニット)を持っていた。クロック周波数は6、8、10、12MHz があった。パッケージには68ピンPLCC、LCC、PGAがあった。8086とソフトウェアの上位互換性を持ち、より高速に命令実行可能(同クロック8086比で約2.5倍)。また、物理メモリ空間が16MBに拡張され、1GBの仮想記憶やマルチタスク処理に対応している。また、インテルはこのモデルまではセカンドソース推進戦略を採用したため、AMD、富士通、シーメンス、ハリスからもセカンドソース品が供給された。特にAMDとハリスは、ライセンスが受けられない80386に対抗するため、16、20MHz、ハリスは25MHz、といった、より高クロックの80286を市場に投入した。後述するようにDOSで動作させる限り、同一クロックの80386よりも高い実行速度が得られたからである。時折「正式名称はiAPX286である」という解説をなされることもあるが、これは誤解である。CPUチップ本体である80286は単体でシステムを構成することができず、80284クロック生成器や80288バスコントローラと組み合わせなければメモリやI/Oをつなぐこともままならない。iAPX286とはこれら周辺チップを包括した「Microcomputer System」に対して与えられた名称であり、チップ単体の正式な名称はやはり80286である。i8086やi80186に対する上位互換性を持つリアルモードに加えて、プロセスやメモリを保護するプロテクトモードを追加し、これをサポートする命令が追加された。また、マルチタスクオペレーティングシステムを実装する際に必要な仕組みや命令群が拡張され、その後の32ビットCPUへ繋がる基礎ができあがった。4階層の特権レベル、仮想記憶機能、メモリ保護機能、TSS(Task State Segment)を使用したタスクスイッチ機能などを持つ。インテル自身が用意した専用のリアルタイムOS iRMX286はプロテクトモードで動作しており、開発用のプログラミング言語 PL/M286もプロテクトモードの実行ファイルを生成できた。またマイクロソフトからは80286上で動作するXENIXが提供されていた。インテル自身は一般用途向けの高機能プロセッサとしてはiAPX432をあてる目論見であった。一方、x86ファミリーに連なる80286は工業/制御用のコントローラとして位置づけており、超高信頼性が要求される用途、すなわち航空宇宙や原子力産業への採用を考慮して設計された。たとえプログラムにバグがあっても暴走せず、バグを検出して動作を停止する煩雑なほどのメモリアクセス制御機構も、プロテクトモードからリアルモードに戻れない仕様も、すべて信頼性第一という設計方針に基づいたものであり、インテル純正の80286ソフトウェアが工業用に偏っているのもその方針に沿ったものである。しかし432プロジェクトは遅延し、また何よりIBM PC系パソコンに搭載され既に圧倒的なシェアを築きつつあった8086/8088とソフト互換性がないことから、IBMが1984年に後継機種PC/ATを発表したとき、少なくともリアルモード互換性を持つ80286を採用したのは当然のなりゆきだった。しかし当然のことながらプロテクトモードを活かして制御用として設計されたオペレーティングシステムは一般向けに普及しておらず、80286はもっぱら高速な8086としてPC-DOS (MS-DOS) 上で利用されることが多かった。上記の通り80286はリアルモードとプロテクトモードを備えており、起動直後やMS-DOSでは基本的に8086や80186と互換性の高いリアルモードで動作する。8086では1MiB(000000H - 0FFFFFH)のメモリ空間を持つが、本来16ビットのレジスタでは64KBまでのアドレス(00000H - 0FFFFH)しか表現できない。そこで16ビットレジスタを2つ用意し、まず1MB中のメモリ空間からアドレスの「原点」を10Hバイト単位で大雑把に指定し、もう1つのレジスタでそこから上位の64KBまでをアクセスできるようにしていた。したがって「原点」を示すセグメントレジスタを最大の0FFFFHに設定すれば、0FFFF0Hからさらに上位の64KBすなわち1MBを超える10FFEFHまでアドレスを表現できることになる。しかし8086ではアドレス線がA0 - A19の20本しか用意されていないため100000H - 10FFEFHのアドレスにはアクセスできず、桁あふれした部分は000000H - 0FFEFHにアクセスすることになる。その前提で作られたソフトウェアとの互換性のため、アドレス線を24本持つ80286を採用したシステム(PC-ATなど)では、リアルモードで21本目のアドレス線 (A20) の有効/無効を切り替えるハードウェアを持っていた。A20を有効にするとリアルモードのままでも64Kバイト程度の上位メモリを参照することが可能になり、 HMA と呼ばれた。HMAは64Kバイト程度であるが640Kバイトの約10%にも相当し、メモリ枯渇に苦しむDOSユーザーにわずかな救いとなった。80386以降のプロセッサでもHMAは受け継がれることになった。初期のHIMEM.SYSはこのHMAだけを有効にするもので、当初はそれ以上のアドレスのメモリ(EMBと呼ばれる)に対応していなかった。8086から使用できる基本命令セットに加え、以下の命令セットが追加された。80286で新たに追加された命令のうち11個の拡張命令セットは、後に発表された80186にも採用され、共通で使用できた。このほか既存の命令ではcodice_1とcodice_2に即値(イミディエイト)が指定できるようになり、シフト・ローテイト命令ではCLレジスタを介さずに 1 以外の値を直接指定できるようになった。これらは80186でも同様である。したがって80286はリアルモードにおいて80186と高い互換性を持つものの、完全に等価というわけではない。80186と異なる点としては、80286以降ではcodice_3命令の挙動が変更されている。また既存命令の組み合わせであっても、プロテクトモード上では挙動の異なる場合がある。80286で追加されたシステム制御/プロセッサ制御の命令はいずれもプロテクトモードないしは80287関連の命令であり、80186には採用されなかった。このほか既存命令としてはI/O(入出力)命令の類もシステム制御に使われる命令であり、プロテクトモードでは特権命令の扱いになった。codice_4も特権レベルに依存するシステム命令となった。3年後の1987年にIBMとマイクロソフトが共同で開発した80286用オペレーティングシステム (OS) のOS/2 1.0が出荷されたが、主としてビジネスPC向けの製品であることと、特にPC DOSプログラム実行時のフリーメモリの不足と速度低下の著しさから一般にはあまり普及しなかった。80286を高速版8086として用い、さらに仮想記憶機能を生かすためにはリアル / プロテクトモード間を往復することが必要である。しかし80286にはプロテクトモードからリアルモードへの復帰命令が無く、復帰にはCPUのリセット信号線を有効にするしかなかった。そのため、IBMを初めとする各PCベンダは苦肉の策として、特定のI/Oポートを叩くことによりCPUのリセットパルスを発生させる回路を組込み、ソフトウェアからハードウェアリセットを行えるようにした。BIOSなどの初期化プログラムの中で通常のハードウェアリセット(電源ONまたはリセットスイッチ押下)と前述のソフトウェアリセットを区別し、初期化方法を切り替えるという処理は無駄時間が多い。結果的に(OS/2に限らず)80286を用いたリアル/プロテクトモード間のスイッチングは非効率的なものとなった。次世代の80386以降は両モード間を任意に往復できる機能を備えていた。この点と仮想8086モードを欠くこともあり、80286はMicrosoft Windows 3.1日本語版(Microsoft版・NEC版)、およびOS/2 2.0以降のPC用OSのサポートから外され、PC用プロセッサ市場から退くこととなった(Windows3.0および英語版3.1のスタンダードモードでは80286をサポートしていた)。80286システムはCPUアクセラレータ製品により、より上位のプロセッサが利用できる場合があった。その際、486相当の製品は起動後にソフトウエアでCPUキャッシュを有効にすることで高速化させる必要があった。80286システムは16ビットバスであるため、外部16ビットであるi386SXにピン互換のCyrix Cx486SLC登場後は、これを用いた80286用のCPUアクセラレータ製品が各社から登場した。特に日本で主流だったPC-9801シリーズおよびEPSON PC-286シリーズでは80286をソケット経由で実装した機種が多く、CPU交換が容易だった。結果的にV30や後のi386SXと比べてCPUのアップグレードパスに恵まれ、様々なバリエーションのCPUアクセラレータ製品を生んだ。

出典:wikipedia

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