Intel 80286

El 286 fue el primero de la familia de CPU x86 en admitir el modo de dirección virtual protegida , comúnmente llamado " modo protegido ". Además, fue el primer microprocesador disponible comercialmente con capacidades de unidad de gestión de memoria (MMU) integrada (los sistemas que utilizaban los contemporáneos Motorola 68010 y NS320xx podían equiparse con un controlador MMU opcional). Esto permitiría a los compatibles con IBM tener sistemas operativos multitarea avanzados por primera vez y competir en el mercado de servidores / estaciones de trabajo dominado por Unix ^{[ 20 ] .}

En el modo protegido del procesador 80286 se introdujeron varias instrucciones adicionales que resultan útiles para los sistemas operativos multitarea.

Otra característica importante del estándar 80286 es la prevención del acceso no autorizado. Esto se logra mediante:

• Crear segmentos distintos para datos, código y pila, evitando que se superpongan.
• Asignación de niveles de privilegio a cada segmento. Los segmentos con niveles de privilegio inferiores no pueden acceder a los segmentos con niveles de privilegio superiores.

En el 80286 (y en su coprocesador Intel 80287 ), se pueden realizar operaciones aritméticas con los siguientes tipos de números:

• decimal empaquetado sin signo ,
• binario sin signo,
• decimal sin signo desempaquetado,
• binario con signo,
• números de punto flotante (solo con un 80287 ).

Por diseño, el 286 no podía volver del modo protegido al modo de dirección real básico compatible con el 8086 (" modo real ") sin un reinicio iniciado por hardware. En el PC/AT presentado en 1984, IBM añadió circuitos externos, así como código especializado en la BIOS ROM y el microcontrolador del teclado 8042 para permitir que el software provocara el reinicio, lo que permitía la reentrada en modo real manteniendo la memoria activa y devolviendo el control al programa que inició el reinicio. (La BIOS interviene necesariamente porque obtiene el control directamente cada vez que la CPU se reinicia). Aunque funcionaba correctamente, el método imponía una enorme penalización en el rendimiento.

En teoría, las aplicaciones en modo real podrían ejecutarse directamente en modo protegido de 16 bits si se seguían ciertas reglas (propuestas recientemente con la introducción del 80286); sin embargo, como muchos programas de DOS no se ajustaban a esas reglas, el modo protegido no se utilizó ampliamente hasta la aparición de su sucesor, el Intel 80386 de 32 bits , que fue diseñado para alternar fácilmente entre modos y proporcionar una emulación del modo real dentro del modo protegido. Cuando Intel diseñó el 286, no lo diseñó para poder realizar múltiples tareas con aplicaciones en modo real; el modo real estaba pensado para ser una forma sencilla para que un cargador de arranque preparara el sistema y luego cambiara al modo protegido; En esencia, en modo protegido, el 80286 fue diseñado para ser un procesador nuevo con muchas similitudes con sus predecesores, mientras que el modo real del 80286 se ofreció para sistemas de menor escala que podían beneficiarse de una versión más avanzada del núcleo de la CPU 80186, con ventajas como mayores frecuencias de reloj, una ejecución de instrucciones más rápida (medida en ciclos de reloj) y buses no multiplexados, pero no el espacio de memoria de 24 bits (16 MB).

Para admitir el modo protegido, se han añadido nuevas instrucciones: ARPL, VERR, VERW, LAR, LSL, SMSW, SGDT, SIDT, SLDT, STR, LMSW, LGDT, LIDT, LLDT, LTR, CLTS. También hay nuevas excepciones (interrupciones internas): código de operación no válido, coprocesador no disponible, doble fallo , desbordamiento de segmento del coprocesador, fallo de pila, desbordamiento de segmento/fallo de protección general y otras solo para el modo protegido.

El modo protegido del 80286 no se utilizó de forma rutinaria en aplicaciones de PC hasta muchos años después de su lanzamiento, en parte debido al alto coste de añadir memoria extendida a un PC, pero también debido a la necesidad de software que diera soporte a la gran base de usuarios de PCs 8086. Por ejemplo, en 1986 el único programa que lo utilizaba era VDISK, un controlador de disco RAM incluido en PC DOS 3.0 y 3.1. PC DOS podía utilizar la RAM adicional disponible en modo protegido ( memoria extendida ) ya sea mediante una llamada a la BIOS (INT 15h, AH=87h), como un disco RAM o como emulación de memoria expandida . ^{[ 18 ]}

La dificultad radicaba en la incompatibilidad de los programas antiguos en modo real con el modo protegido. No podían ejecutarse de forma nativa en este nuevo modo sin modificaciones significativas. En el modo protegido, la gestión de memoria y el manejo de interrupciones se realizaban de forma diferente que en el modo real. Además, los programas de DOS solían acceder directamente a datos y segmentos de código que no les pertenecían, como les permitía el modo real sin restricciones; por el contrario, el diseño del modo protegido tenía como objetivo impedir que los programas accedieran a segmentos que no fueran los suyos, a menos que se permitiera explícitamente un acceso especial. Si bien era posible configurar un entorno de modo protegido que permitiera a todos los programas acceder a todos los segmentos (colocando todos los descriptores de segmento en la Tabla de Descriptores Globales (GDT) y asignándoles a todos el mismo nivel de privilegio), esto socavaba casi todas las ventajas del modo protegido, excepto el espacio de direcciones extendido (de 24 bits). La disyuntiva a la que se enfrentaban los desarrolladores de sistemas operativos era empezar de cero y crear un sistema operativo que no ejecutara la gran mayoría de los programas antiguos, o bien crear una versión de DOS lenta y poco atractiva (es decir, poco atractiva desde un punto de vista técnico interno) que, aun así, ejecutara la mayoría de los programas antiguos. El modo protegido tampoco ofrecía una ventaja de rendimiento lo suficientemente significativa sobre el modo real compatible con el 8086 como para justificar su compatibilidad; de hecho, salvo en los cambios de tarea durante la multitarea, resultaba en una desventaja de rendimiento, al ralentizar muchas instrucciones mediante una serie de comprobaciones de privilegios adicionales. En el modo protegido, los registros seguían siendo de 16 bits, y el programador seguía obligado a utilizar un mapa de memoria compuesto por  segmentos de 64 kB, al igual que en el modo real. ^{[ 21 ]}

Intel no preveía que la falta de compatibilidad con máquinas virtuales para el software del 8086 supusiera un problema, pues pensaba que pronto aparecería nuevo software que aprovechara todas las capacidades del 80286. Bill Gates se refería al 80286 como un chip con "daño cerebral", ya que no puede utilizar máquinas virtuales para ejecutar simultáneamente varias aplicaciones de MS-DOS ^{[ 22 ]} con un sistema operativo como Microsoft Windows . Podría decirse que fue responsable de la ruptura entre Microsoft e IBM, puesto que IBM insistió en que OS/2 , originalmente una empresa conjunta entre IBM y Microsoft, se ejecutara en un 286 (y en modo texto). ^{[ 22 ]}

En enero de 1985, Digital Research presentó una vista previa del sistema operativo Concurrent DOS 286 1.0, desarrollado en colaboración con Intel. El producto funcionaría estrictamente como un sistema operativo en modo nativo (es decir, modo protegido) para el 80286, lo que permitiría a los usuarios aprovechar al máximo el modo protegido para realizar operaciones multiusuario y multitarea mientras se ejecutaba la emulación del 8086. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Esto funcionó en el prototipo B-1 del chip, pero Digital Research descubrió problemas con la emulación en el nivel de producción C-1 en mayo, lo que impediría que Concurrent DOS 286 ejecutara software para el 8086 en modo protegido. El lanzamiento de Concurrent DOS 286 se retrasó hasta que Intel desarrollara una nueva versión del chip. ^{[ 23 ]} En agosto, tras extensas pruebas en muestras del paso E-1 del 80286, Digital Research reconoció que Intel había corregido todas las erratas documentadas del 286, pero afirmó que aún existían problemas de rendimiento del chip no documentados con la versión preliminar de Concurrent DOS 286 ejecutándose en el paso E-1. Intel indicó que el enfoque que Digital Research deseaba adoptar para emular el software del 8086 en modo protegido difería de las especificaciones originales. No obstante, en el paso E-2, implementaron cambios menores en el microcódigo que permitirían a Digital Research ejecutar el modo de emulación mucho más rápido. ^{[ 11 ]} Denominado IBM 4680 OS , IBM originalmente eligió DR Concurrent DOS 286 como base de su computadora IBM 4680 para productos IBM Plant System y terminales de punto de venta en 1986. ^{[ 26 ]} La versión 1.3 de FlexOS 286 de Digital Research , una derivación de Concurrent DOS 286, se desarrolló en 1986, se introdujo en enero de 1987 y posteriormente fue adoptada por IBM para su IBM 4690 OS , pero las mismas limitaciones la afectaron.

Otros sistemas operativos que utilizaron el modo protegido del 286 fueron Microsoft Xenix (alrededor de 1984), ^{[ 27 ]} Coherent , ^{[ 28 ]} y Minix . ^{[ 29 ]} Estos se vieron menos afectados por las limitaciones del modo protegido del 80286 porque no tenían como objetivo ejecutar aplicaciones MS-DOS u otros programas en modo real.

Al diseñar el 80386, los ingenieros de Intel eran conscientes de la mala reputación del 80286 y estaban de acuerdo con ella. ^{[ 30 ]} Mejoraron el modo protegido del 80386 para direccionar más memoria y también añadieron el modo virtual 8086 independiente , un modo dentro del modo protegido con mucha mejor compatibilidad con MS-DOS. ^{[ 31 ]}