Motorola 6809 (« шестьдесят восемь-девять ») — это 8-битный микропроцессор с некоторыми 16-битными функциями. Он был разработан Терри Риттером и Джоэлом Бони из Motorola и представлен в 1978 году. Хотя исходный код был совместим с более ранней моделью Motorola 6800 , 6809 предлагал значительные улучшения по сравнению с ней и 8-битными современниками, такими как MOS Technology 6502 , включая инструкцию аппаратного умножения, 16-битная арифметика, системные и пользовательские стековые регистры , обеспечивающие повторный ввод кода, улучшенные прерывания , позиционно-независимый код и архитектуру ортогонального набора команд с полным набором режимов адресации.
6809 был одним из самых мощных (и самых дорогих) 8-битных процессоров своего времени. В 1981 году 6809 в единичном экземпляре стоил 37 долларов по сравнению с 9 долларами за Zilog Z80 и 6 долларами за 6502. [1] Он был выпущен, когда на рынок вышло новое поколение 16-битных процессоров, таких как Intel 8086 , и На горизонте были 32-битные разработки, включая собственный 68000 от Motorola . Он не мог конкурировать по характеристикам с новыми моделями и не мог конкурировать по цене со старыми.
6809 использовался в цветном компьютере TRS-80 , Dragon 32/64 , SuperPET , ENER 1000 , Fujitsu FM-7 , домашних компьютерах Cybernex LC3 и Thomson MO/TO , игровой консоли Vectrex и игровых автоматах начала 1980-х годов, включая «Звездные войны» , «Защитник », «Роботрон: 2084» , «Рыцарский бой » и «Гирусс» . Пинбольные автоматы Williams 1990-х годов оснащены платами контроллера серии WPC на базе 68B09. [2] Рабочая станция цифровой аудиосистемы Fairlight CMI серии II и аркадная игра Konami Time Pilot '84 используют по два процессора 6809. [3] Компания Hitachi была основным пользователем модели 6809, а позже выпустила обновленную версию под названием Hitachi 6309 .
Motorola 6800 был разработан в 1971 году и выпущен в 1974 году. В целом с точки зрения дизайна он очень похож на другие процессоры, которые с самого начала проектировались как 8-битные, такие как Intel 8080 . [a] Первоначально он был изготовлен с использованием ранней логики NMOS , для которой обычно требовалось несколько разных напряжений питания . Ключевой особенностью был встроенный в кристалл удвоитель напряжения , который позволял ему работать от одного источника питания.Питание +5 В , что является большим преимуществом перед конкурентами, такими как Intel 8080 , которому требовалось−5 В ,+5 В ,−12 В и заземление . [4]
Первоначально 6800 был изготовлен с использованием современного на тот момент процесса контактной литографии . В этом процессе фотошаблон помещается в непосредственный контакт с пластиной , экспонируется, а затем снимается. Была небольшая вероятность того, что часть травильного материала останется на пластине, когда ее поднимут, что приведет к выходу из строя будущих чипов с рисунком маски. Для сложных многосхемных конструкций, таких как ЦП, это приводило к выходу из строя около 90% чипов при тестировании. Чтобы получить прибыль от небольшого количества работоспособных чипов, цены на работающие модели должны были быть довольно высокими, порядка сотен долларов в небольших количествах. [5]
Некоторые конструкторы 6800 были убеждены, что более дешевая система станет ключом к широкому распространению. Примечательным среди них был Чак Педдл , которого отправляли в торговые поездки, и он видел, как потенциальные клиенты неоднократно отвергали эту конструкцию как слишком дорогую для предполагаемого использования. Он начал проект по созданию гораздо менее дорогостоящей конструкции, но руководство Motorola оказалось незаинтересованным и в конце концов приказало ему прекратить работу над этим. Педдл и некоторые другие члены команды 6800 покинули Motorola и перешли на MOS Technology и представили эту конструкцию в 1975 году как MOS Technology 6502 . [6]
Первоначально 6800 продавалась по цене 360 долларов США в единичных экземплярах [7] , но цена была снижена до 295 долларов США . Модель 6502 была представлена по цене 25 долларов [8] , и Motorola немедленно снизила стоимость 6800 до 125 долларов. Он оставался неконкурентоспособным, а перспективы продаж тускнели. Внедрение Micralign в линейку Motorola позволило дальнейшее сокращение, и к 1981 году цена нынешнего 6800P была немного ниже, чем эквивалент 6502, по крайней мере, в единичных экземплярах. [1] Однако к тому моменту 6502 были проданы десятками миллионов единиц, а о 6800 практически забыли.
В то время как 6502 начал захватывать рынок 6800, Intel столкнулась с той же проблемой, когда выскочка Zilog Z80 начала отбирать продажи у Intel 8080 . И Motorola, и Intel начали новые циклы проектирования, чтобы обойти эти разработки. Intel отреагировала быстро, представив небольшую, но практичную модернизацию 8080 под названием 8085 , которая сделала его менее дорогим в использовании и более конкурентоспособным по сравнению с Z80. Они также начали разрабатывать серию 16-битных процессоров, которые в 1978 году появились под названием Intel 8086. Motorola также начала разработку аналогичной высокопроизводительной конструкции в проекте MACSS [9] , но первоначально не рассматривала улучшенный вариант. 8-битный дизайн. Но когда они опросили 6800 существующих клиентов, они обнаружили, что многие из них не готовы платить за 16-битную систему для своих простых нужд. Это привело к решению создать значительно улучшенную, но совместимую 8-битную конструкцию, которой стал 6809. [10]
Анализ кода 6800 показал, что загрузка и сохранение занимали большую часть времени с точки зрения ЦП, составляя 39% всех операций в исследованном коде. Напротив, математические операции были относительно редки, всего 2,8% кода. Однако тщательное изучение загрузок и сохранений показало, что многие из них комбинировались со сложением и вычитанием, обнаруживая, что значительная часть этих математических операций выполнялась над 16-битными значениями. Это привело к решению включить в новую конструкцию базовую 16-битную математику: загрузку, сохранение, сложение и вычитание. Аналогичным образом, приращения и декременты составляли лишь 6,1% кода, но они почти всегда происходили внутри циклов, где каждый из них выполнялся много раз. Это привело к добавлению режимов пост-инкрементирования и предварительного декрементирования с использованием индексных регистров . [11]
Основной целью нового дизайна была поддержка позиционно-независимого кода . Рынок Motorola в основном представлял собой встроенные системы и подобные одноцелевые системы, на которых часто использовались программы, очень похожие на программы на других платформах. Разработка этих систем часто принимала форму сбора серии предварительно созданных подпрограмм и объединения их вместе. Однако, поскольку язык ассемблера обычно пишется, начиная с «базового адреса», объединение предварительно написанных модулей обычно требует длительного процесса изменения констант (или «приравнений»), указывающих на ключевые места в коде. [12]
Идея Motorola заключалась в том, чтобы устранить эту задачу и сделать концепцию строительных блоков более практичной. Системные интеграторы просто объединяли бы готовый код в ПЗУ для решения общих задач. Библиотеки общих процедур, таких как арифметика с плавающей запятой , графические примитивы, сжатие Лемпеля-Зива и т. д., будут доступны для лицензирования, объединены вместе с пользовательским кодом и записаны в ПЗУ. [12] [б]
В предыдущих моделях процессоров, включая 6800, существовало множество способов обращения к ячейкам памяти. Некоторые из них относились к текущему местоположению в памяти или к значению в индексном регистре, тогда как другие были абсолютными, 16-битными значениями, которые относились к физическому местоположению в памяти. Первый стиль позволяет перемещать код, поскольку адрес, на который он ссылается, будет перемещаться вместе с кодом. Абсолютные местоположения — нет; код, использующий этот стиль адресации, придется перекомпилировать, если он переместится. Чтобы решить эту проблему, 6809 заполнил свои коды операций так, чтобы было больше случаев относительной адресации, где это возможно. [14]
Например, 6800 включал специальный режим «прямой» адресации , который использовался для уменьшения размера и ускорения кода; вместо адреса памяти, имеющего 16 бит и, следовательно, требующего для хранения двух байтов, прямые адреса имели длину всего 8 бит. Обратной стороной было то, что он мог обращаться к памяти только в пределах 256-байтового окна, « прямой страницы », которая обычно находилась в нижней части памяти - 6502 называл это « адресацией нулевой страницы ». В 6809 добавлен новый 8-битный регистр DP для «прямой страницы». Код, который раньше должен был находиться на нулевой странице, теперь можно было переместить в любое место памяти, если DP был изменен, чтобы указать на его новое местоположение. [14]
Использование DP решило проблему обращения к адресам внутри кода, но данные обычно располагаются на некотором расстоянии от кода, за пределами ПЗУ. Чтобы решить проблему легкого обращения к данным, сохраняя при этом независимость от позиции, в 6809 добавлено множество новых режимов адресации. Среди них была относительная адресация программы, которая позволяла обращаться к любой ячейке памяти по ее местоположению относительно инструкции. Кроме того, более широко использовался стек , так что программа в ПЗУ могла выделить блок памяти в ОЗУ, установить SP в качестве основы блока, а затем ссылаться на данные внутри него, используя относительные значения. [15]
Чтобы облегчить этот тип доступа, 6809 переименовал SP в U, что означает «пользователь», и добавил второй указатель стека, S, для «системы». [16] Идея заключалась в том, что пользовательские программы будут использовать U, в то время как сам ЦП будет использовать S для хранения данных во время вызовов подпрограмм . Это позволило легко вызывать системный код путем изменения S, не затрагивая другие работающие программы. Например, программа, вызывающая подпрограмму с плавающей запятой в ПЗУ, поместит свои данные в стек U, а затем вызовет подпрограмму, которая затем сможет выполнить вычисления, используя данные из своего собственного стека, на который указывает S, а затем вернуться, оставив стек U нетронут. [16]
Другой причиной расширения доступа к стеку была поддержка реентерабельного кода, кода, который можно вызывать из различных программ одновременно, не заботясь о координации между ними, или который может рекурсивно вызывать сам себя. [17] Это значительно упрощает создание операционных систем ; операционная система имела собственный стек, и процессор мог быстро переключаться между пользовательским приложением и операционной системой, просто меняя используемый указатель стека. По той же причине это также значительно упрощает обслуживание прерываний . [18] В 6809 добавлено прерывание запроса быстрого прерывания (FIRQ), которое сохраняет только счетчик программы и регистр кода условия перед вызовом кода прерывания, тогда как прерывание IRQ сохраняет все регистры, занимая дополнительные циклы, а затем еще больше, чтобы развернуть стек при выходе. . [19]
6809 включает в себя один из первых специализированных аппаратных умножителей. [20] Он принимает 8-битные числа в аккумуляторах A и B и выдает результат в формате A:B, известный под общим названием D. [21]
Большая часть проекта была основана на рыночной концепции кода строительных блоков. Но рынок готовых модулей ПЗУ так и не появился: единственным выпущенным примером Motorola было ПЗУ MC6839 с плавающей запятой. Отрасль в целом решила проблему интеграции модулей кода из отдельных источников с помощью автоматического перемещения компоновщиков и загрузчиков , что и является решением, используемым сегодня. [22] Однако решения, принятые командой разработчиков, позволили использовать многопользовательские и многозадачные операционные системы, такие как OS-9 и UniFlex .
Дополнительные функции 6809 стоили дорого; ЦП имел примерно 9000 транзисторов по сравнению с 4100 у 6800 или 3500 у 6502. Хотя усовершенствования процесса означали, что его можно было изготовить дешевле, чем исходный 6800, те же улучшения были применены к другим конструкциям, поэтому относительная стоимость осталась прежней. Так было на практике; в 1981 году 6809 продавалась поштучно примерно в шесть раз дороже, чем 6502. [1] Для тех систем, которым требовались некоторые из ее специальных функций, таких как аппаратный множитель, система могла оправдать свою цену, но в большинстве случаев , это было упущено из виду.
Еще одним фактором его низкого использования было наличие более новых конструкций со значительно более высокими характеристиками. Среди них был Intel 8086 , выпущенный в том же году, и его более дешевая версия, Intel 8088 1979 года. Чувство проблемы можно увидеть в результатах ассемблера Byte Sieve по сравнению с другими распространенными разработками той эпохи (взято из 1981 [23] и 1983 [24] ):
Хотя 6809 действительно предлагал улучшение производительности по сравнению с аналогами 6502 [c] и Z80, это улучшение не соответствовало увеличению цены. Для тех, для кого цена не была главным приоритетом, а просто производительность, новые конструкции превосходили ее на порядок .
Еще до выпуска 6809 в 1976 году Motorola запустила свой собственный проект усовершенствованного процессора, известный тогда как проект Motorola Advanced Computer System on Silicon или MACSS. Хотя было слишком поздно, чтобы быть выбранным для проекта IBM PC , когда MACSS появился как Motorola 68000 в 1979 году, компания проявила оставшийся интерес к 6809. Вскоре Motorola объявила, что их будущие 8-битные системы будут работать на урезанных версиях IBM PC. 68000, а не улучшенные версии 6809.
Его первое крупное применение было в цветном компьютере TRS-80 , что произошло во многом случайно. Motorola попросили разработать цветной компьютерный терминал для онлайн-проекта помощи фермерам, системы, известной как «AgVision». Тэнди ( Radio Shack ) был привлечен в качестве розничного партнера и продавал их под названием «VideoTex», но проект был в конечном итоге отменен вскоре после его запуска в 1980 году. Затем Тэнди переработал дизайн для производства домашнего компьютера . , который стал одной из самых заметных дизайнерских побед 6809. [26]
.jpg/1280px-Commodore_SuperPET_SP9000_(Thomas_Cont%C3%A9).jpg)
В поисках недорогой платформы программирования для студентов -компьютерщиков Университет Ватерлоо разработал систему, которая объединила компьютер на карте на базе 6809 с существующим Commodore PET , включая ряд языков программирования и редакторов программ в ПЗУ. . Результат позже подхватил Commodore, который продавал его в Европе как SuperPET или MicroMainframe. Они были относительно популярны в середине 1980-х годов, прежде чем появление рынка клонов ПК взяло на себя роль программирования для большинства пользователей.
Другие популярные домашние компьютеры включают Fujitsu FM-7 , Canon CX-1, Dragon 32/64 и серию Thomson TO7 . Он также был доступен в качестве опции на компьютерах Acorn System 2 , 3 и 4. Большинство конструкций автобусов SS-50 , построенных на основе 6800, также имели варианты для 6809 или переключались исключительно на него. Примеры включают машины SWTPC , Gimix , Smoke Signal Broadcasting и т. д. Motorola также производит серию систем разработки EXORmacs и EXORset.
Hitachi производила собственные машины на базе 6809: MB-6890, а затем и S1. В первую очередь они предназначались для японского рынка, но некоторые были экспортированы и проданы в Австралии , где MB-6890 получил название «Персик», вероятно, в честь Apple II . S1 был примечателен тем, что содержал аппаратное обеспечение подкачки , расширяющее собственный диапазон адресации 6809 в 64 килобайта до полного 1 мегабайта на страницах по 4 КБ. В этом он был похож на машины, производимые SWTPC, Gimix и некоторыми другими поставщиками. TSC выпустила Unix-подобную операционную систему uniFlex , которая работала только на таких машинах. OS-9 Level II также использовала такие возможности управления памятью. Большинство других компьютеров того времени с адресацией памяти более 64 КБ были ограничены переключением банков , где большая часть, если не все 64 КБ, просто заменялись на другой раздел памяти, хотя в случае с 6809 Motorola предлагала собственный MMU MC6829. Дизайн маппинга 2 мегабайта на страницах по 2 КБ. [27]
6809 также использовался в различных системах видеоигр . Среди них следует отметить уникальную домашнюю видеоигровую машину Vectrex , основанную на векторной графике, в версии 68A09 . Он также использовался в системе Milton Bradley Expansion (MBX) (аркадная консоль для домашнего компьютера TI-99/4A ) и в серии аркадных игр , выпущенных с начала до середины 1980-х годов. Williams Electronics была активным пользователем процессора, который использовался в Defender , Stargate , Joust , Robotron: 2084 , Sinistar и других играх. Центральный процессор 6809 составляет основу успешного контроллера пинбола Williams . KONAMI-1 — это модифицированная модель 6809, используемая Konami в Roc'n Rope , Gyruss и The Simpsons . [28]
Серия II Fairlight CMI (компьютерный музыкальный инструмент) использовала два процессора 6809 под управлением OS-9 , а также использовала один процессор 6809 на голосовую карту. 6809 часто использовался в музыкальных синтезаторах других производителей, таких как Oberheim ( Xpander , Matrix 6/12/1000 ), PPG (Wave 2/2.2/2.3, Waveterm A) и Ensoniq ( сэмплер Mirage , SDP-1, ESQ- 1 , SQ-80 ). Последний использовал 6809E в качестве основного процессора. Версия (E) использовалась для синхронизации часов микропроцессора со звуковым чипом (Ensoniq 5503 DOC) в этих машинах; в ESQ-1 и SQ-80 использовался 68B09E, требующий специальной логики арбитра для обеспечения синхронизации шины 1 МГц при доступе к чипу DOC.
В отличие от более ранних продуктов Motorola, 6809 не получил широкого распространения в области микроконтроллеров . Он использовался в контроллерах светофоров , выпущенных в 1980-х годах несколькими различными производителями, [29] , а также в транковых центральных контроллерах SMARTNET и SMARTZONE компании Motorola (так получивших название «контроллер 6809»). Эти контроллеры использовались в качестве центральных процессоров во многих транкинговых системах двусторонней радиосвязи Motorola. [30]
6809 использовался компанией Mitel в качестве основного процессора в своей офисной телефонной системе SX20.
Первоначально Motorola 6809 выпускался с номиналами скорости 1 МГц, 1,5 МГц (68A09) и 2 МГц (68B09). Более быстрые версии были произведены позже компанией Hitachi. Не имея особых улучшений, 6809 знаменует собой конец эволюции 8-битных процессоров Motorola; Motorola предполагала, что будущие 8-битные продукты будут основаны на версии 68000 с 8-битной шиной данных (68008 ) . Версия микроконтроллера со слегка измененным набором команд, 6811 , была снята с производства лишь во втором десятилетии 21 века.
Hitachi 6309 — это расширенная версия 6809 с дополнительными регистрами и дополнительными инструкциями, включая перемещение блока, дополнительные инструкции умножения и деления.
Motorola выделила свое подразделение микропроцессоров в 2004 году. Подразделение сменило название на Freescale и впоследствии было приобретено NXP .
Ни Motorola, ни Hitachi больше не производят процессоры 6809 или их производные. 6809 ядер доступны в формате VHDL , их можно запрограммировать в FPGA и использовать в качестве встроенного процессора с номинальной скоростью до 40 МГц. [ нужна цитация ] Некоторые 6809 кодов операций также присутствуют во встроенных процессорах Freescale . В 2015 году Freescale разрешила Rochester Electronics снова начать производство MC6809 в качестве замены и копии оригинального устройства NMOS. Компания Freescale предоставила Рочестеру исходную базу данных физического проектирования GDSII . В конце 2016 года MC6809 компании Rochester (включая MC68A09 и MC68B09) полностью сертифицирован и доступен в производстве.
Австралийский разработчик Джон Кент синтезировал процессор Motorola 6809 на языке описания аппаратного обеспечения (HDL). [31] Это сделало возможным использование ядра 6809 на гораздо более высоких тактовых частотах, чем было доступно в оригинальном 6809. CoCo3FPGA Гэри Беккера запускает ядро Kent 6809 на частоте 25 МГц. [32] Matchbox CoCo Роджера Тейлора работает на частоте 7,16 МГц. CoCoDEV Дэйва Филипсена работает на частоте 25 МГц. [33]
Внутренняя конструкция 6809 ближе к более простым конструкциям ЦП без микрокодирования . Как и большинство 8-битных микропроцессоров, реализация 6809 представляет собой машину уровня передачи регистров , использующую центральный PLA для реализации большей части декодирования инструкций, а также частей секвенирования.
Как и 6800 и 6502, 6809 использует двухфазный тактовый сигнал для управления защелками. Этот двухфазный тактовый цикл используется в этих процессорах как полный машинный цикл . Простые инструкции могут выполняться всего за два или три таких цикла. Модель 6809 имеет внутренний двухфазный тактовый генератор (требуется только внешний кристалл), тогда как 6809E требует внешнего тактового генератора. Существуют такие варианты, как 68A09(E) и 68B09(E); внутренняя буква указывает номинальную тактовую частоту процессора.
Система часов 6800, 6502, 6809 отличается от других процессоров той эпохи. Например, Z80 использует один внешний тактовый сигнал, и внутренние этапы процесса инструкций продолжаются при каждом переходе. Это означает, что внешние часы обычно работают намного быстрее; Модели 680x обычно работали на частоте 1 или 2 МГц, тогда как Z80 обычно работали на 2 или 4. Внутри 680x делилась внешняя тактовая частота на четыре, чтобы создать системную тактовую частоту; поэтому 6809 с частотой 1 МГц будет иметь кварцевый или тактовый сигнал 4 МГц. Как правило, по принципу «инструкция за инструкцией» они работали примерно в два раза быстрее при сравнении внешних часов с другими микропроцессорами.
Преимущество доступа в стиле 680x заключалось в том, что чипы динамического ОЗУ той эпохи обычно работали на частоте 2 МГц. Из-за тайминга цикла были периоды работы внутренней тактовой частоты, когда шина памяти гарантированно была свободна. Это позволило разработчику компьютера чередовать доступ к памяти между ЦП и внешним устройством, скажем, контроллером прямого доступа к памяти или, чаще, графическим чипом . Запустив оба чипа на частоте 1 МГц и переключая их один за другим, они могли разделить доступ к памяти без каких-либо дополнительных сложностей или схем. В зависимости от версии и класса скорости примерно 40–60% одного тактового цикла обычно доступно для доступа к памяти в 6800, 6502 или 6809.
Оригинальный 6800 включал в себя два 8-битных аккумулятора , A и B, один 16-битный индексный регистр X, 16-битный счетчик программ , PC, 16-битный указатель стека , SP и 8-битный регистр состояния . В 6809 добавлен второй индексный регистр Y, второй указатель стека U (при переименовании исходного S) и разрешена обработка регистров A и B как одного 16-битного аккумулятора D. Также добавлен еще один 8-битный аккумулятор. битовый регистр DP для установки базового адреса прямой страницы. Эти дополнения были невидимы для кода 6800, а 6809 был на 100% совместим по исходному коду с более ранним кодом. [21]
Еще одним важным дополнением стала относительная адресация программы для всех инструкций по манипулированию данными. Это было ключевым дополнением для позиционно-независимого кода , поскольку оно позволяет ссылаться на данные относительно инструкции, и пока существует результирующая ячейка памяти, инструкции можно свободно перемещать в памяти. Система также сохранила свои прежние режимы адресации, хотя в новом языке ассемблера то, что раньше было отдельными инструкциями, теперь считалось разными режимами адресации для других инструкций. Это уменьшило количество инструкций с 78 инструкций в 6800 до 59 в 6809. Эти новые режимы имели те же коды операций, что и ранее отдельные инструкции, поэтому эти изменения были видны только программисту, работающему над новым кодом. [14]
Набор команд и дополнение регистров в высокой степени ортогональны , что делает программирование 6809 более простым, чем его современники. Как и 6800, 6809 включает в себя недокументированную инструкцию тестирования адресной шины, которая получила название Halt and Catch Fire (HCF) . [34] [35]