Intel 8088 [Intel / 1979]

Intel 8088

 

인텔 8088("팔공팔팔", iAPX 88이라고도 함) 마이크로프로세서는 인텔 8086의 변형이다. 1979년 6월 1일에 출시된 8088은 8086의 16비트 버스 대신 8비트 외부 데이터 버스를 가지고 있다. 16비트 레지스터와 1메가바이트 주소 범위는 변경되지 않았다. 사실, 인텔 문서에 따르면 8086과 8088은 동일한 실행 유닛(EU)을 가지고 있으며, 버스 인터페이스 유닛(BIU)만 다르다. 8088은 원래 IBM PC와 IBM PC 호환 클론에서 사용되었다.

역사 및 설명
AMD 8088의 다이
8088은 이스라엘 하이파에 있는 인텔의 연구소에서 설계되었으며, 많은 인텔 프로세서들이 이곳에서 개발되었다. 8088은 8비트 데이터 경로와 8비트 지원 및 주변 장치를 사용하여 경제적인 시스템을 목표로 하였다. 8088의 프리패치 큐는 8086의 6바이트에서 4바이트로 줄어들었고, 좁은 버스에 적응하기 위해 프리패치 알고리즘이 약간 수정되었다. 이러한 8086 기본 설계의 수정은 인텔의 새로운 설계 사무소와 연구소에 처음으로 할당된 작업 중 하나였다.

5MHz 이상의 최대 클럭 주파수를 가진 8088의 변형으로는 8MHz의 최대 주파수로 지정된 인텔의 새로운 향상된 nMOS 프로세스를 사용하여 제작된 8088-2가 있다. 이후 0에서 8MHz까지 클럭 속도로 작동할 수 있는 완전 정적 CHMOS 설계인 80C88이 뒤따랐다. NEC에서 설계하고 제조한 8088의 핀 호환 및 약간 더 빠른 변형인 NEC V20도 있었다. 후속 NEC 8088 호환 프로세서는 최대 16MHz로 작동할 수 있었다. 1984년, 코모도어 인터내셔널은 라이센스된 다이나로직 하이페리온 클론에 사용하기 위해 8088을 제조하기 위한 계약을 체결했으며, 이는 회사의 주요 새로운 방향을 나타내는 것으로 여겨졌다. 사용 가능한 CMOS 버전은 오키 전자 산업 주식회사에 아웃소싱되었다. 발표 당시 8088의 정가 목록은 124.80달러였다. 플라스틱 패키지 버전은 1981년 7월에 100개당 14.10달러에 출시되었다. 인텔은 이 마이크로프로세서를 후지쓰에 이원화하였다.

8086과의 차이점
8088은 아키텍처적으로 8086과 매우 유사하다. 주요 차이점은 8086의 16라인 대신 8개의 데이터 라인만 있다는 것이다. 장치의 다른 모든 핀은 8086과 동일한 기능을 수행하지만 두 가지 예외가 있다. 첫째, 핀 34는 더 이상 BHE가 아니다(8086에서의 고위 바이트 선택—8088은 8비트 데이터 버스에서 고위 바이트가 없다). 대신 최대 모드 상태인 SS0를 출력한다. IO/M 및 DT/R 신호와 결합하여 버스 사이클을 디코딩할 수 있다(일반적으로 쓰기 작업이나 인터럽트가 진행 중임을 나타낸다). 두 번째 변경 사항은 메모리 접근 또는 입출력 접근이 이루어지고 있는지를 신호하는 핀의 감지가 반전되었다는 것이다. 8088의 핀은 IO/M이다. 8086 부품에서는 IO/M이다. 감지의 반전 이유는 8088을 8085와 호환되게 만들기 위함이다.

성능
클럭 주파수, 메모리 대기 상태의 수, 특정 응용 프로그램의 특성에 따라 인텔 8088의 평균 성능은 약 0.33에서 100만 명령어/초에 이른다. 한편, mov reg,reg 및 ALU reg,reg 명령어는 각각 두 사이클과 세 사이클을 소요하여, MHz당 1/3에서 1/2 MIPS의 절대 최대 성능을 제공하며, 이는 10MHz에서 3~5 MIPS 범위에 해당한다.

8086 CPU의 실행 유닛(EU)과 버스의 속도는 잘 균형을 이루었다. 일반적인 명령어 혼합으로 8086은 프리패치 큐에서 명령어를 실행할 수 있는 경우가 많았다. 버스를 8비트로 줄이는 것은 8088에서 심각한 병목 현상이 되었다. 8088에서 명령어 가져오는 속도가 8086에 비해 50% 감소하면서, 빠른 명령어의 시퀀스는 4바이트 프리패치 큐를 빠르게 소모할 수 있다. 큐가 비어 있으면 명령어는 가져오는 데 걸리는 시간만큼 완료되는 데 걸린다. 8086과 8088 모두 버스 사이클을 완료하는 데 4클럭 사이클이 걸리며, 8086의 경우 이는 2바이트 전송에 4클럭을 의미하지만, 8088의 경우는 바이트당 4클럭이 걸린다. 따라서 예를 들어, EU가 실행하는 데 2클럭 사이클만 소요되는 2바이트 시프트 또는 회전 명령어는 프리패치 큐에 없을 경우 실제로 8클럭 사이클이 걸린다. 이러한 빠른 명령어의 시퀀스는 큐가 소모되는 것만큼 빠르게 채워지지 않도록 방지하며, 일반적으로 기본 명령어의 대부분이 4클럭보다 적은 클럭 사이클로 실행되기 때문에, 8088에서 유용한 실제 프로그램을 실행하는 동안 EU를 최소 1/4의 시간 동안 유휴 상태로 두는 것은 사실상 불가능하며, 절반의 시간 동안 유휴 상태로 두는 것도 어렵지 않다. 요컨대, 8088은 동일한 속도로 클럭이 설정된 8086보다 일반적으로 약 절반 정도 느리게 실행된다. 

8088 설계의 부작용으로, 느린 버스와 작은 프리패치 큐로 인해 코드 실행 속도가 명령어 순서에 매우 의존적일 수 있다. 8088을 프로그래밍할 때 CPU 효율성을 위해 가능한 한 긴 실행 명령어와 짧은 명령어를 교차하여 배치하는 것이 중요하다. 예를 들어, 반복 문자열 작업이나 3 이상의 시프트는 4바이트 프리패치 큐를 완전히 채우기에 충분한 시간이 걸린다. 짧은 명령어(즉, 몇 바이트에 해당하는 명령어)가 이러한 느린 명령어 사이에 배치되면, 짧은 명령어는 큐에서 전체 속도로 실행될 수 있다. 반면 느린 명령어가 연속적으로 실행되면, 첫 번째 명령어 이후에 버스 유닛이 유휴 상태로 강제될 것이며, 그 결과 이후의 더 빠른 명령어가 피할 수 있었던 가져오기 지연을 겪게 된다. 

8088은 또한(8086과 마찬가지로) 메모리 접근이 느리다. 산술 및 논리 명령어를 실행하는 데 사용되는 동일한 ALU가 유효 주소를 계산하는 데도 사용된다. 이동된 세그먼트 레지스터를 오프셋 주소에 추가하는 데는 별도의 덧셈기가 있지만, 오프셋 EA 자체는 항상 메인 ALU에서 완전히 계산된다. 게다가 EU와 BIU(버스 유닛)의 느슨한 결합은 두 유닛 간의 통신 오버헤드를 삽입하며, 4클럭 주기 버스 전송 사이클은 특히 간소화되어 있지 않다. 6502 CPU의 2클럭 주기 버스 사이클 및 80286의 3클럭 주기 버스 사이클과 대부분의 전송에 대해 2사이클로 파이프라인 처리되는 것과 대조된다. 레지스터 또는 메모리에서 모두 작동할 수 있는 대부분의 8088 명령어는 레지스터 피연산자보다 메모리 피연산자에 대해 최소 4배 느리다. 따라서 효율적인 8088(및 8086) 프로그램은 가능한 한 메모리 피연산자의 반복 접근을 피하고, 메모리에서 레지스터로 피연산자를 로드하여 그곳에서 작업하고, 완료된 결과만 다시 저장하는 것이 좋다. 8088의 상대적으로 큰 일반 레지스터 세트는 이러한 전략을 지원한다. 필요한 모든 변수를 한 번에 저장할 수 있는 레지스터가 부족할 경우, 레지스터를 스택에 푸시하고 다시 팝하여 복원하는 것이 메모리를 사용하여 레지스터를 보완하는 가장 빠른 방법이다. 스택 PUSH 및 POP 명령어는 가장 빠른 메모리 작업이다. 80286 및 이후 모델에서는 아마도 그렇지 않을 것이다. 이들은 전용 주소 ALU를 가지고 있으며 8088 및 8086보다 메모리 접근을 훨씬 더 빠르게 수행한다.

마지막으로, 호출, 점프 및 인터럽트는 프리패치 큐를 재설정하며, IP 레지스터를 로드하는 데는 EU와 BIU 간의 통신이 필요하다(왜냐하면 IP 레지스터는 EU가 아닌 BIU에 있기 때문이다). 이러한 작업은 비용이 많이 든다. 모든 점프 및 호출은 최소 15클럭 사이클이 걸린다. 조건부 점프는 취소되지 않을 경우 4클럭 사이클이 필요하지만, 취소될 경우 프리패치 큐를 재설정하는 데 16사이클이 추가로 필요하다. 따라서 조건부 점프는 대부분의 경우 취소되지 않도록 배열해야 하며, 특히 루프 내에서 그렇다. 경우에 따라 논리 및 이동 작업의 시퀀스가 동일한 결과를 달성하기 위해 하나 또는 두 개의 명령어를 건너뛰는 조건부 점프보다 더 빠를 수 있다.

인텔의 8086 및 8088 데이터 시트는 전용 곱셈 및 나눗셈 명령어(MUL, IMUL, DIV 및 IDIV)를 광고했지만, 이들은 매우 느려서 각각 100~200 클럭 사이클이 소요된다. 작은 상수(2의 거듭제곱 제외, 이 경우는 시프트를 사용할 수 있음)에 대한 간단한 곱셈은 전용 짧은 서브루틴을 사용하여 훨씬 더 빠르게 수행할 수 있다. 80286 및 80386은 이러한 곱셈 및 나눗셈 명령어의 실행 속도를 크게 증가시킨다.

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The Intel 8088 (also known as "eighty-eight" or iAPX 88) microprocessor is a variant of the Intel 8086. Released on June 1, 1979, the 8088 has an 8-bit external data bus instead of the 16-bit bus of the 8086. The 16 bit registers and 1 megabyte address range remain unchanged. In fact, according to Intel documentation, the 8086 and 8088 share the same execution unit (EU), differing only in the bus interface unit (BIU). The 8088 was originally used in the IBM PC and IBM PC-compatible clones.

History and Description

The AMD 8088 die was designed at Intel's research facility in Haifa, Israel, where many Intel processors were developed. The 8088 aimed for economical systems using an 8-bit data path and 8 bit support and peripherals. The prefetch queue of the 8088 was reduced from 6 bytes in the 8086 to 4 bytes, and the prefetch algorithm was slightly modified to adapt to the narrower bus. These modifications to the basic design of the 8086 were among the first tasks assigned to Intel's new design office and research lab.

A variant of the 8088 with a maximum clock frequency of over 5 MHz is the 8088 2, which was manufactured using Intel's new enhanced nMOS process specified for a maximum frequency of 8 MHz. Following this was the fully static CHMOS design, the 80C88, which could operate at clock speeds ranging from 0 to 8 MHz. There was also the NEC V20, a pin-compatible and slightly faster variant of the 8088 designed and manufactured by NEC. Subsequent NEC 8088-compatible processors could operate at up to 16 MHz. In 1984, Commodore International signed a contract to manufacture the 8088 for licensed DynaLogic Hyperion clones, marking a significant new direction for the company. The available CMOS version was outsourced to Oki Electric Industry Co., Ltd. At the time of its announcement, the list price of the 8088 was $124.80. The plastic package version was released in July 1981 at $14.10 for 100 units. Intel dual-sourced this microprocessor to Fujitsu.

Differences from the 8086

Architecturally, the 8088 is very similar to the 8086. The main difference is that it has only 8 data lines instead of the 16 lines of the 8086. All other pins of the device perform the same functions as in the 8086, with two exceptions. First, pin 34 is no longer BHE (high byte select in the 8086—there is no high byte in the 8-bit data bus of the 8088). Instead, it outputs SS0 in maximum mode. Combined with the IO/M and DT/R signals, it can decode bus cycles (typically indicating that a write operation or interrupt is in progress). The second change is that the detection of whether memory access or I/O access is occurring has been inverted. The pin in the 8088 is IO/M, while in the 8086 it is IO/M. The reason for the inversion is to make the 8088 compatible with the 8085.

Performance

Depending on clock frequency, memory wait states, and the characteristics of specific applications, the average performance of the Intel 8088 ranges from about 0.33 to 1 million instructions per second. Meanwhile, the `mov reg, reg` and `ALU reg, reg` instructions take two and three cycles, respectively, providing an absolute maximum performance of 1/3 to 1/2 MIPS per MHz, which corresponds to a range of 3 to 5 MIPS at 10 MHz.

The execution unit (EU) and bus speed of the 8086 are well balanced. With a typical mix of instructions, the 8086 can often execute instructions from the prefetch queue. Reducing the bus to 8 bits creates a serious bottleneck in the 8088. The instruction fetch speed in the 8088 is reduced by 50% compared to the 8086, and a fast sequence of instructions can quickly consume the 4 byte prefetch queue. When the queue is empty, instructions take as long to complete as they take to fetch. Both the 8086 and 8088 take 4 clock cycles to complete a bus cycle, which means 4 clock cycles for a 2-byte transfer in the 8086, but 4 clock cycles per byte in the 8088. Therefore, for example, a 2-byte shift or rotate instruction that takes only 2 clock cycles to execute in the EU can actually take 8 clock cycles if it is not in the prefetch queue. Such fast sequences of instructions prevent the queue from being filled as quickly as it is consumed, and since most basic instructions execute in fewer than 4 clock cycles, it is virtually impossible to keep the EU idle for at least 1/4 of the time while running useful programs on the 8088, and keeping it idle for half the time is not difficult. In summary, the 8088 generally runs about half as fast as the 8086 when both are set to the same clock speed.

As a side effect of the 8088 design, the slow bus and small prefetch queue can make code execution speed highly dependent on the order of instructions. When programming the 8088, it is important to interleave long executing instructions with short ones to maximize CPU efficiency. For example, repetitive string operations or shifts of 3 or more take enough time to fully fill the 4 byte prefetch queue. If short instructions (i.e., instructions that are a few bytes long) are placed between these long instructions, the short instructions can execute at full speed from the queue. Conversely, if long instructions are executed consecutively, the bus unit will be forced to remain idle after the first instruction, resulting in subsequent faster instructions experiencing fetch delays that could have been avoided.

The 8088 also has slow memory access, similar to the 8086. The same ALU used to execute arithmetic and logical instructions is also used to calculate effective addresses. There is a separate adder for adding the moved segment register to the offset address, but the offset EA itself is always fully calculated in the main ALU. Moreover, the loose coupling between the EU and BIU (bus unit) introduces communication overhead between the two units, and the 4-clock cycle bus transfer cycle is particularly not streamlined. This contrasts with the 2-clock cycle bus cycles of the 6502 CPU and the 3 clock cycle bus cycles of the 80286, which are pipelined for most transfers in 2 cycles. Most 8088 instructions that can operate on either registers or memory operands are at least 4 times slower for memory operands than for register operands. Therefore, efficient 8088 (and 8086) programs should avoid repeated accesses to memory operands as much as possible, load operands from memory into registers to work on them there, and only store the completed results back. The relatively large general register set of the 8088 supports this strategy. If there are not enough registers to store all required variables at once, pushing registers onto the stack and popping them back is the fastest way to supplement registers using memory. The stack PUSH and POP instructions are the fastest memory operations. This may not be the case for the 80286 and later models, which have dedicated address ALUs and perform memory access much faster than the 8088 and 8086.

Finally, calls, jumps, and interrupts reset the prefetch queue, and loading the IP register requires communication between the EU and BIU (because the IP register is in the BIU, not the EU). These operations are costly. All jumps and calls take a minimum of 15 clock cycles. Conditional jumps require 4 clock cycles if not canceled, but if canceled, an additional 16 cycles are needed to reset the prefetch queue. Therefore, conditional jumps should generally be arranged to avoid cancellation, especially within loops. In some cases, sequences of logical and move operations can be faster than conditional jumps that skip one or two instructions to achieve the same result.

Intel's 8086 and 8088 data sheets advertised dedicated multiplication and division instructions (MUL, IMUL, DIV, and IDIV), but these are very slow, taking 100 to 200 clock cycles each. Simple multiplications for small constants (except for powers of 2, where shifts can be used) can be performed much faster using dedicated short subroutines. The 80286 and 80386 significantly increase the execution speed of these multiplication and division instructions.

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インテル8088（「八十八」とも呼ばれる、iAPX 88）は、インテル8086のバリアントです。1979年6月1日に発売された8088は、8086の16ビットバスの代わりに8ビット外部データバスを持っています。16ビットレジスタと1メガバイトのアドレス範囲は変更されていません。実際、インテルの文書によれば、8086と8088は同じ実行ユニット（EU）を共有しており、バスインターフェースユニット（BIU）のみが異なります。8088は元々IBM PCおよびIBM PC互換クローンで使用されていました。

歴史と説明

AMD 8088のダイは、イスラエルのハイファにあるインテルの研究所で設計され、多くのインテルプロセッサがここで開発されました。8088は、8ビットデータパスと8ビットサポートおよび周辺機器を使用して経済的なシステムを目指しました。8088のプリフェッチキューは、8086の6バイトから4バイトに減少し、狭いバスに適応するためにプリフェッチアルゴリズムが若干修正されました。8086の基本設計に対するこれらの修正は、インテルの新しい設計事務所と研究所に最初に割り当てられた作業の一つでした。

最大5MHzのクロック周波数を持つ8088のバリアントには、最大周波数8MHzで指定されたインテルの新しい強化nMOSプロセスを使用して製造された8088-2があります。その後、0から8MHzまでのクロック速度で動作できる完全静的CHMOS設計である80C88が続きました。NECが設計・製造した8088のピン互換でわずかに高速なバリアントであるNEC V20もありました。後続のNEC 8088互換プロセッサは最大16MHzで動作できました。1984年、コモドールインターナショナルはライセンスされたダイナロジックハイペリオンクローン用に8088を製造する契約を結び、これは会社の重要な新しい方向性を示すものと見なされました。利用可能なCMOSバージョンは、オキ電子工業株式会社にアウトソーシングされました。発表当時、8088の定価は124.80ドルでした。プラスチックパッケージバージョンは1981年7月に100個あたり14.10ドルで発売されました。インテルはこのマイクロプロセッサを富士通に二元化しました。

8086との違い

アーキテクチャ的に、8088は8086と非常に似ています。主な違いは、8086の16ラインの代わりに8本のデータラインしかないことです。デバイスの他のすべてのピンは8086と同じ機能を果たしますが、2つの例外があります。第一に、ピン34はもはやBHEではありません（8086での高位バイト選択—8088には8ビットデータバスに高位バイトがありません）。代わりに、最大モード状態でSS0を出力します。IO/MおよびDT/R信号と組み合わせることで、バスサイクルをデコードできます（通常、書き込み操作または割り込みが進行中であることを示します）。第二の変更は、メモリアクセスまたはI/Oアクセスが行われているかどうかを示すピンの検出が反転したことです。8088のピンはIO/Mです。8086部品ではIO/Mです。検出の反転の理由は、8088を8085と互換性を持たせるためです。

性能

クロック周波数、メモリ待機状態の数、および特定のアプリケーションの特性に応じて、インテル8088の平均性能は約0.33から100万命令/秒に達します。一方、`mov reg, reg`および`ALU reg, reg`命令はそれぞれ2サイクルと3サイクルを要し、MHzあたり1/3から1/2 MIPSの絶対最大性能を提供し、これは10MHzで3〜5 MIPSの範囲に相当します。

8086のCPUの実行ユニット（EU）とバスの速度はよくバランスが取れています。一般的な命令の混合により、8086はプリフェッチキューから命令を実行できる場合が多くありました。バスを8ビットに減らすことは、8088で深刻なボトルネックとなります。8088での命令取得速度は8086に比べて50％減少し、迅速な命令のシーケンスは4バイトのプリフェッチキューを迅速に消費できます。キューが空になると、命令は取得にかかる時間だけ完了するのにかかります。8086と8088の両方は、バスサイクルを完了するのに4クロックサイクルかかり、8086の場合、これは2バイト転送に4クロックを意味しますが、8088の場合はバイトごとに4クロックがかかります。したがって、たとえば、EUが実行するのに2クロックサイクルしかかからない2バイトシフトまたは回転命令は、プリフェッチキューにない場合、実際には8クロックサイクルかかります。このような迅速な命令のシーケンスは、キューが消費されるのと同じくらい迅速に満たされることを防ぎ、一般的に基本命令のほとんどが4クロックより少ないクロックサイクルで実行されるため、8088で有用な実際のプログラムを実行している間、EUを少なくとも1/4の時間アイドル状態に保つことは事実上不可能であり、半分の時間アイドル状態に保つことも難しくありません。要するに、8088は同じ速度でクロックが設定された8086よりも一般的に約半分遅く実行されます。

8088設計の副作用として、遅いバスと小さなプリフェッチキューにより、コード実行速度が命令の順序に非常に依存する可能性があります。8088をプログラミングする際は、CPU効率を最大化するために、できるだけ長い実行命令と短い命令を交互に配置することが重要です。たとえば、繰り返し文字列操作や3以上のシフトは、4バイトのプリフェッチキューを完全に満たすのに十分な時間がかかります。短い命令（つまり、数バイトに相当する命令）がこれらの長い命令の間に配置されると、短い命令はキューから全速力で実行できます。逆に、長い命令が連続して実行されると、最初の命令の後にバスユニットがアイドル状態に強制され、その結果、後続のより速い命令が回避できた取得遅延を経験することになります。

8088はまた（8086と同様に）メモリアクセスが遅いです。算術および論理命令を実行するために使用される同じALUが有効アドレスを計算するためにも使用されます。移動されたセグメントレジスタをオフセットアドレスに追加するための別の加算器がありますが、オフセットEA自体は常にメインALUで完全に計算されます。さらに、EUとBIU（バスユニット）の緩い結合は、2つのユニット間の通信オーバーヘッドを挿入し、4クロック周期のバス転送サイクルは特に簡素化されていません。これは、6502 CPUの2クロック周期バスサイクルおよび80286の3クロック周期バスサイクルと対照的であり、ほとんどの転送に対して2サイクルでパイプライン処理されます。レジスタまたはメモリの両方で動作できるほとんどの8088命令は、レジスタオペランドよりもメモリオペランドに対して少なくとも4倍遅いです。したがって、効率的な8088（および8086）プログラムは、可能な限りメモリオペランドへの繰り返しアクセスを避け、メモリからレジスタにオペランドをロードしてそこで作業し、完了した結果のみを再保存することが推奨されます。8088の比較的大きな一般レジスタセットは、この戦略をサポートします。必要なすべての変数を一度に保存できるレジスタが不足している場合、レジスタをスタックにプッシュして再びポップして復元することが、メモリを使用してレジスタを補完する最も早い方法です。スタックPUSHおよびPOP命令は、最も早いメモリ操作です。80286およびそれ以降のモデルでは、そうではないかもしれません。これらは専用のアドレスALUを持ち、8088および8086よりもメモリアクセスをはるかに迅速に実行します。

最後に、呼び出し、ジャンプ、および割り込みはプリフェッチキューをリセットし、IPレジスタをロードするにはEUとBIU間の通信が必要です（なぜなら、IPレジスタはEUではなくBIUにあるからです）。これらの操作はコストがかかります。すべてのジャンプおよび呼び出しは最小15クロックサイクルかかります。条件付きジャンプはキャンセルされない場合4クロックサイクルが必要ですが、キャンセルされる場合はプリフェッチキューをリセットするために追加で16サイクルが必要です。したがって、条件付きジャンプは一般的にキャンセルを避けるように配置されるべきであり、特にループ内でそうです。場合によっては、論理および移動操作のシーケンスが、同じ結果を達成するために1つまたは2つの命令をスキップする条件付きジャンプよりも速い場合があります。

インテルの8086および8088データシートは、専用の乗算および除算命令（MUL、IMUL、DIV、およびIDIV）を宣伝しましたが、これらは非常に遅く、それぞれ100〜200クロックサイクルかかります。小さな定数（2の累乗を除く、シフトを使用できる場合）に対する簡単な乗算は、専用の短いサブルーチンを使用してはるかに速く実行できます。80286および80386は、これらの乗算および除算命令の実行速度を大幅に向上させます。