ASSEMBLER 80286di Pierluigi Panunzi

Caratteristiche generaliEccoci dunque adintraprendere un nuovocammino, che ciporterà aconoscere il microprocessore80286 della Intel, subito dopoaver concluso una lunga seriedi articoli riguardanti imicroprocessori 8086 e 8088,sempre dell'lntel: questiarticoli, oltre che apresentaretali microprocessori, sonoserviti senza dubbio comeintroduzione alle tematicheimposte dal 286 esuccessivamente da1l'80386.Ci accingiamo dunque aparlare in modo estesodell'B0286: diciamo subitoche il percorso da seguire nonè per nulla facile, tanto risultaspesso irto di difficoltà;cercheremo dunque diaffrontarle un poco alla volta,anche per non appesantiretroppo l'analisi.Infatti a differenza dell'B086 edell'B088 che sono dei«semplici» microprocessori,con 1'B0286 (e a maggiorragione in seguito con1'80386) si entra in un mondocompletamente nuovo, che èparticolarmente vicino aquello in cui regnanoincontrastati i mini-computered i mainframe: non tanto coni1286, ma, come vedremo,con il 386, si è quasi del tuttocolmato il «gap» che separa ilmondo dei micro-computerdaquello dei « signori computer».Iniziamo dunque a conoscereil microprocessore 80286,vedendone le caratteristichegenerali, che sarannoapprofondite nel corso dellepuntate successive.

188

Dal punto di'vista funzionale oltrechédi costituzione fisica interna. il 286 èun'enorme estensione dell'86, del qualeha ereditato il completo set di istruzionie la «filosofia» di programmazione seg-mentata: in entrambi i casi il 286 haaggiunto prepotentemente ulteriori ca-ratteristiche.

Ma la caratteristica che principalmen-te contraddistingue il 286 dall'86 (e daaltri microprocessori di pari potenza) èla possibilità di funzionare in due modicompletamente differenti, detti «RealAddress Mode» e «Protected VirtualAddressed Mode», che per brevità chia-meremo (come è d'uso comune) rispet-tivamente «Real Mode» e «ProtectedMode».

Per grandi linee, in quanto poi se neparlerà in modo più dettagliato, il «RealMode» è un modo di funzionamentosimile a quello dell'8086, nel senso chesi ha una completa compatibilità nellaprogrammazione dei due microproces-sori: un programma che girava sull'86può girare senza alcun problema (inrealtà esistono delle piccolissime diffe-renze ...) in ambiente «286», eccezionfatta per la velocità di esecuzione, chenel 286 è incredibilmente maggiore.

Prova di questo fatto sono tutti iprogrammi che, nati per girare sui PC oXT o compatibili, non danno alcun pro-blema sugli «AT» (o compatibili) i qualicome è noto sono dotati di 80286.

Il fatto poi della velocità di esecuzionenettamente aumentata con il 286, nonderiva semplicemente da un fatto di«c1ock di sistema», ma da un notevolemiglioramento apportato all'interno delmicroprocessore stesso da parte deiprogettisti, che ha comportato una dra-stica riduzione del numero di cicli diclock necessari per l'esecuzione di un'i-struzione.

Fermo restando il fatto che ne parle-remo più in dettaglio nel seguito dellepuntate (n.d.r.: ...e questo non lo dire-mo più, in quanto lo riteniamo implici-to!), un esempio di questo miglioramen-to si ha analizzando le istruzioni, sevogliamo, più semplici, quali le «MOV»:

vediamo ad esempio come si comporta-no i due microprocessori nel caso dell'i-struzioneMOV CX, ALFAche, come dovrebbe essere oramai benchiaro, permette di caricare nel registroCX il contenuto della cella di memoriachiamata «ALFA» (cioè la word postaall'indirizzo di memoria al quale abbiamoassociato simbolicamente il nome «AL-FA», per mezzo dell'assemblatore).

Nel caso de1l'8086, tale istruzione ri-chiede 8 cicli di c10ck più quelli richiestidal particolare tipo di indirizzamento de-siderato, per calcolare l'offset effettivodella locazione di memoria, che in que-sto caso sono 6 cicli aggiuntivi: in totale14 cicli.

Nel 286 invece l'istruzione in esamerichiede semplicemente 5 cicli di c1ock:se invece di «MOV CX, ALFA» avessi-mo scritto ad esempioMOV CX, ALFA[BX][SI +31ecco che nell'86 avremmo dovuto ag-giungere altri 11 cicli di clock, per untotale di 25 cicli.

Nel 286 invece basta aggiungere 1c10ck per ottenere in totale appena 6clock, circa un quarto!

In generale dunque in termini di«tempi di esecuzione» la seconda MOVeseguita su un XT con c10ck a 4.77 MHzimpiega 5.24 micro-secondi, mentre sudi un AT ad 8 MHz impiega 750 ns, ecioè con un rapporto di circa 1 a 7:comunque anche con un c10ck da 8MHz (dunque a parità di c10ck di siste-ma) il rapporto era, come detto, di circa1 a 4.

Ma vediamo un altro esempio, ancorapiù eclatante, quello della moltiplicazio-ne, relativo ai casi di prodotto tra l'accu-mulatore (AX) ed una locazione di me-moria (ancora una word), ancora unavolta senza e con l'indirizzamento basa-to-indicizzato: in pratica compariamo ic10ck necessari all'esecuzione delle dueistruzioniMUL ALFAMUL ALFA[BX][SI+3]le quali, in entrambi i casi, sappiamo

MCmicrocomputer n. 70 - gennaio 1988

ASSEMBLER 80286

Il microprocessore 80286 è posto in un circuito integrato di forma quadrata e dotato di ben 68 piedini: iduebus ed alcuni segnali di controllo sono simili a quelli già incontrati neIl'808618088. mentre di altri nuovi pinparleremo in dettaglio nelle prossime puntate.

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... Dolenti note ...

Esiste un bruttissimo rovescio dellamedaglia, che offusca almeno in partela maestosità del 286.

C'è da dire infatti che in modo protet-to difficilmente potranno girare i pro-grammi che già giravano sull'86 nonchésul 286 in "Real Mode», ma non tantoper un problema di codice operativo(che viceversa è mantenuto rigorosa-mente compatibile altrimenti tanto vale-va riprogettare daccapo un nuovo mi-croprocessore ... ). ma semplicemente(mica tanto ...) perché parecchie istruzio-ni a prima vista innocue in realtà devonoscontrarsi con il meccanismo di prote-zione dei programmi e del sistema.

Volete un esempio? È presto fatto.All'atto di creazione di un certo pro-

gramma il sistema operativo ci fornisceuna zona di memoria ben delimitata (unsegmento seppure "sui generis») dalquale è impossibile uscire: ciò vale siaper il codice che per i dati che soprattut-to per lo stack. Rispettivamente saràimpossibile effettuare un "salto da unsegmento ad un altro» oppure riempireuna zona dati al di là dei suoi confinicome pure sconfinare con lo stack inzone di memoria a noi non concesse,tutto questo a meno che il sistemaoperativo stesso non ce lo conceda ...

No, non c'è niente di strano: un ruolofondamentale verrà giocato dai cosid-

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CAP

ERROR

8USvN.C.

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PIN NO.1 MARK

già state introdotte con 1'80186, ma pernoi, che siamo passati dall'86 al 286,risultano per l'appunto nuove.

Il eeProtected Mode"Come accennato in precedenza l'altro

modo di funzionamento del 286 è ilcosiddetto "Modo Protetto», che rap-presenta un'innovazione veramente al-l'avanguardia e che come detto all'inizioavvicina sempre più i microprocessori aiminI.

In particolare in modo protetto il 286può sfruttare appieno tutte le s~e carat-teristiche aggiunte dai progettisti, ag-giunte che sono sia a livello di imple-mentazione hardware che software: sitratta di sofisticati meccanismi che con-sentono- una completa protezione dei dati(programmi, dati veri e propri, stack) daparte di intromissioni di altri "pro-grammi-utenti» ;- un'altrettanto completa protezionedel nucleo costituente il sistema opera-tivo da parte di "attacchi» voluti o invo-lontari di programmi applicativi;- un vero e proprio meccanismo digestione concorrenziale di "task», se-condo i dettami propri di un vero siste-ma "multi-tasking»;- la gestione completa e complessadella memoria, sia fisica che soprattutto"virtuale».

Il tutto come si vede è particolarmen-te interessante e suggestivo e verràgiustamente presentato ed approfondi-to in varie puntate della presente ru-brica.

che generano un risultato a 32 bit postonella coppia di registri DX:AX.

Con 1'8086 abbiamo per la primaistruzione un numero di cicli di c10ckpari ad un valore compreso tra 124 e139 (a seconda di particolari condizioni)ai quali bisogna aggiungere ancora unavolta 6 cicli necessari al micro per indi-rizzare la cella di memoria: in totaleabbiamo un valore tra 130 e 145 cicli dic1ock, che a 4.77 MHz corrispondono aduna durata tra 27 e 30 micro-secondi.

Nel secondo caso al valore compresotra 124 e 139 cicli di clock bisognaaggiungere 11 cicli per un totale com-preso tra 135 e 150 c1ock, corrispon-denti ad un intervallo di tempo (a 4.77MHz) compreso tra 28 e 31 micro-secondi.

Viceversa il 286 si comporta in en-trambi i casi in maniera quasi strabilian-te: la prima istruzione è eseguita inappena 24 colpi di c10ck (che rispetto ai6 della MOV sono sempre tanti!) e laseconda, a causa della presenza dell'in-dirizzamento basato-indicizzato, è aggra-vata di un ulteriore ciclo di clock.

Proseguendo nel paragone, il "nostroAT» ad 8 MHz impiegherebbe nei duecasi un rispettabilissimo tempo intornoa 3 micro-secondi. Questa volta il rap-porto tra le velocità di esecuzione èsalito a circa 10 (rispetto ad un "XT» a4.77 MHz) e a circa 6 a parità di clock disistema.

Tutto questo, abbiamo detto, avvienequando il 286 opera in "Real Mode»:abbiamo dunque avuto la conferma chein questo modo di funzionamento il 286è in pratica un "super-8086»; inoltre ilfatto che istruzioni tra registri o traregistri e memoria vengono eseguitecon un numero di cicli di c10ck nonmolto differente fa sì che con il 286 sipuò tranquillamente lavorare in memo-ria (specie laddove ci siano problemi divelocità di esecuzione) invece di passa-re attraverso i registri, cosa che invececon 1'8086 era praticamente l'unicastrada.

Oltre all'enorme velocizzazione delleistruzioni, dunque, con il 286 (ma già inrealtà .con il 186) vengono introdottealtre nuove istruzioni, che allargano ilgià vasto e potente set di "casa Intel»:in breve sono state introdotte istruzionidi I/O secondo blocchi di dati (" INS» e"OUTS»). di gestione "ad alto livello» diprocedure ("ENTER» e "LEAVE»). digestione dello stack con delle "PUSH»di valori "immediati» oltre alla PUSH ealla POP di tutti i registri (rispettivamen-te "PUSHA» e "POPA»). matematichequali la moltiplicazione intera con unvalore "immediato» ("IMUL») e tutte leoperazioni di "shift» e "rotate» secondoun contatore "immediato» (e quindi nonsoltanto di 1 o del contenuto di CL) edinfine di gestione degli array in memoriacon il test sugli indici ("BOUND»).

Come detto alcune di queste erano

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ASSEMBLER 80286

detti «privilege level» ((livelli di privile-gio») che ci permetteranno oppure nol'effettuazione di una certa operazione.

Un altro esempio?Una banale operazione di IN o di OUT

viene soggiogata al valore del cosiddet-to «IOPL» (1'«1/0 Privilege Level») e nonpuò essere effettuata se il sistema ope-rativo non ci concede il diritto. Si po-trebbe andare avanti ancora per parec-chio: accenniamo soltanto alle chiamatealle routine di sistema, alla gestionedegli interrupt, nonché la gestione dei«task», tutte regolate dall'omnipresentelivello di privilegio.

Ma il peggio deve ancora venire ...Bisogna fare attenzione poi al fatto

che un qualsiasi tentativo di trasgressio-ne a queste ferree regole comporta inogni caso la generazione di una cosid-detta «Exception», in pratica l'emissio-ne di un interrupt (così come accadevaper una divisione per O, oppure per unoverflow): ciò comporta dei pesanti pro-blemi a livello software esistente inquanto questi interrupt corrispondonoagli «INT» che vanno da O a 31, laddovecioè venivano posti gli entry-point delleroutine di sistema (gestione del video,della tastiera, dei floppy, dell'hard disk)deIl'MS-DOS.

È questo uno dei tanti motivi per cuisull' AT (e compatibili) non è mai esistitoun sistema operativo che sfruttasse una

seppur minima parte del «ProtectedMode»: infatti tutte le versioni di MS-DOS che possono girare sull'AT (finoalla 3.3) sono scritte in «8086», tanto èvero che girano anche sugli XI. È unvero peccato che finora il 286 degli ATsia stato del tutto inutilizzato (anche sein «Real Mode» si trova seppur sempreben al di sopra dell'8086 a livello perfor-mance). ma ciò avrebbe comportatouna completa inutilizzazione di tutti iprogrammi che finora giravano sottoMS-DOS, oltre all'owio onere di scrive-re di sana pianta un nuovo sistemaoperativo ad hoc per il 286.

Da poco tempo, come i lettori bensanno, «Big Blue» ha immesso sul mer-cato la serie «PS/2» i cui modelli sonodotati uno di 8086, il secondo di 80286ed il terzo di 80386: «promesso» sol-tanto è il famoso nuovo sistema opera-tivo «OS/2» che a quanto pare sfrutteràappieno la potenza «protetta» del 286,realizzandosi così (e sarebbe finalmentel'ora ...) un sistema operativo supportatoda un microprocessore di tutto rispetto.

Approfittiamo dell'occasione per sot-tolineare ancora, con qualche esempio,il fatto che con l'introduzione di unnuovo sistema operativo multi-tasking e«full-80286» comporta enormi problemidi compatibilità del software creato perle versioni precedenti di MS-DOS.

Ciò awiene (e ciò può ancora sem-brare strano se non assurdo data lacompatibilità totale a livello codici ope-rativi) per la presenza delle «eccezioni»di cui abbiamo già parlato: una banaleoperazione di output su video, che conle versioni MS-DOS dell'8086 impegna-no l'INT 10H, si scontrano con il fatto

che il 286 prevede per tale INT un nonmeglio identificato c<intei reserved - donot use». Altro esempio è la funzione di«printscreen» che consente nell'MS-DOS di effettuare l'hard-copy del videosu stampante, ottenibile premendo l'ap-posito tasto: tale funzione richiama1'lNT 5, che invece nel 286 rappresental'eccezione scatenata allorché andiamoad indirizzare un elemento di un vettoreal di fuori dal suo range prefissato (sitratta dell'istruzione BOUND). E già daquesti due esempi si vede che il nuovosistema operativo dovrà prevedere unanuova INT per le routine video nonchéper la routine di hardcopy (ma questisono solo due esempi: lo stesso valeper tutte le altre routine di sistema ...). iltutto a scapito owiamente della compa-tibilità verso il basso.

Inutile dire che questa situazione avràun peso determinante nello sviluppofuturo di software che possa girare sot-to il vecchio MS-DOS e sotto il nuovoOS/2: ciò in parte già si può riscontrarenel fatto che il nuovo sistema operativoè ancora al di là da venire ...

In effetti il beneficio di un sistemaoperativo multi tasking ad alta velocità,quale può essere uno basato sul 286,può essere del tutto sminuito dalla ne-cessità di dover riscrivere praticamentetutto il software, per poi avere dei pro-dotti che in nessun modo possono gira-re sui computer «inferiori»: è veramen-te un grosso problema e per ora non ciresta altro che stare a vedere comeevolverà la situazione, confidando nellanotoria abilità dei progettisti dell'lBM dauna parte e della Microsoft dall'altra.

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In questo diagramma (tratto. come il precedente, dal data-book dell'lnteli abbiamo un primo "assaggio!! della complessa struttura interna dell'80286, anche se granparte della circuiteria era già presente suIl'8086188. ma in versione Midotta!!. Come riportato nell'articolo, il 286 presenta notevoli migliorie hardware che lo rendonoun microprocessore particolarmente potente.

190 MCmicrocomputer n. 70 - gennaio 1988

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395.000590.000690.000295.000640.000

1.090.000690.000390.000159.000

590.000290.000690.000449.000295.000

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