Motorola 68020 — 32-разрядный микропроцессор от Motorola , выпущенный в 1984 году. Также была доступна более дешевая версия, известная как 68EC020 . В соответствии с практикой наименования, общей для разработок Motorola, 68020 обычно называют «020», что произносится как «о-два-о» или «о-двадцать».
Модель 020 была на рынке относительно недолго. Motorola 68030 была анонсирована в сентябре 1986 года и начала поставляться летом 1987 года. Стоившая примерно столько же, сколько и 020 того времени, 030 была значительно быстрее и быстро заменялась 020 практически в каждом использовании.
На момент разработки Motorola 68000 услуги Motorola по проектированию и изготовлению устарели. Хотя даже небольшие компании, такие как MOS Technology и Zilog, перешли на логику NMOS с режимом обеднения кремниевого затвора на все более крупных пластинах , Motorola все еще использовала металлические затворы и режим улучшения, а их крупнейшая фабрика работала на 4-дюймовых пластинах еще долго после того, как большинство линий перешло на 5-дюймовые. Хотя 68000 соответствовал цели стать самым быстрым ЦП из доступных на момент его появления, он был далеко не таким мощным, каким мог бы быть, если бы был разработан с использованием более современных технологий. [3]
В период разработки 68000 компания работала с Hitachi над их технологическим процессом, и в рамках этого они открыли новую фабрику MOS-8, используя 5-дюймовые пластины и новейший процесс HMOS, лицензированный у Intel . Эта линия была способна строить все новые технологии, но 68000 продолжила работу со старой конструкцией, поскольку они были уверены, что она будет работать. Переход к новым технологиям проектирования ждал, пока конструкция не появится на рынке. [4] Переход к новым технологиям проектирования произошел во время работы над Motorola 68010 , относительно незначительное обновление оригинальной конструкции, которое добавило базовую поддержку виртуальной памяти для развивающегося рынка рабочих станций Unix . [5]
Пока продолжались эти усилия, Motorola опрашивала своих клиентов на предмет их пожеланий относительно будущих разработок в этой линейке. Все они указывали на полностью 32-битную реализацию. Те, кто использовал 68k в системах Unix, также заявили, что они купили бы блок с плавающей точкой для каждой из машин, если бы он был доступен. [6]
Оригинальный 68000 был разработан как гибридная 16/32-битная система в основном потому, что максимальное количество выводов, доступных в двухрядных корпусах (DIP), составляло 64, и даже при таком размере упаковка такого размера была весьма проблематичной. [7] Уменьшив количество адресных выводов до 24, а выводов данных — всего до 16, появилось достаточно свободных выводов для реализации всех других необходимых линий, таких как прерывания и источники питания. 24-контактная адресная шина означала, что память могла быть всего 16 МБ в общей сложности, что на тот момент становилось ограничением. 16-битная шина данных означала, что чтение 32-битного слова из этой памяти требовало двух циклов шины.
Конструкция, которая имела 32 контакта для адресной и информационной шин, обеспечивала бы доступ к данным в два раза быстрее, что делало бы машину намного быстрее даже без каких-либо других изменений. Переход на 32-битную адресацию также упростил бы реализацию виртуальной памяти и позволил бы использовать более 16 МБ оперативной памяти . Но это также потребовало бы гораздо большего общего количества контактов. К началу 1980-х годов аналогичные ограничения во всех современных конструкциях ЦП привели к введению матрицы контактов , которая заменила DIP. Для нового проекта Motorola выбрала 169-контактную схему, что дало им достаточно места для работы. В конечном итоге в конструкции их использовалось всего 114.
Разгорелся большой спор о том, как ссылаться на базовую конструкцию нового чипа в маркетинговых материалах. Технически, 020 переходил от давно устоявшейся логической конструкции NMOS к компоновке CMOS , которая требует двух транзисторов на затвор. Общеизвестно, что в ту эпоху CMOS стоил в четыре раза дороже, чем NMOS, и значительная часть рынка считала, что «CMOS — это плохо». [8]
Разработка была завершена летом 1983 года и анонсирована в июне 1984 года. [9] Этот «суперчип» был важной новостью в то время, и New York Times сделала его главной новостью в своем деловом разделе. Стартовая цена была указана в размере 487 долларов за штуку, примерно столько же, сколько и 68000, когда он был запущен в 1980 году, но теперь 68000 был доступен примерно за 15 долларов. Однако предполагалось, что пройдет некоторое время, прежде чем компьютеры, использующие новый чип, станут доступны, поскольку существующие конструкции должны были быть существенно модифицированы, чтобы воспользоваться его производительностью. [10]
Анонс привел к тому, что клиенты Motorola стали требовать поставки. В этот момент стали очевидны серьезные проблемы с поставками. Проект был разработан для производства на том же заводе MOS-8, что и 68000, хотя для его поддержки было введено несколько новых единиц оборудования. К моменту публичного выпуска выход нового чипа был равен нулю. То есть, для каждой пластины, прошедшей через многоступенчатый процесс, было произведено ноль рабочих чипов. [11]
Гэри Джонсон пришел к выводу, что проблема была в управляющем цехом MOS-8 Томе Фелези, и решил заменить его Биллом Уокером, который в то время управлял старой фабрикой MOS-2. Уокер прибыл на завод 5 июля 1985 года и обнаружил, что Джонсон не удосужился сообщить Фелези об изменении, и последовали споры. В конце концов Джонсон сказал Фелези, что это действительно происходит. Затем Уокер осмотрел завод и обнаружил, что он был превращен в то, что по сути было научно-исследовательской лабораторией, а не производственной линией, с многочисленными частями оборудования, которые больше нигде не использовались. [11]
Одной из существенных проблем было новое оборудование от нового поставщика Genius, которое производило силицид . Машина просто не работала. Уокер вылетел в Калифорнию, чтобы встретиться с генеральным директором Genius, который не предложил ничего, кроме оправданий. В конце концов Уокер хлопнул рукой по столу, сломав ремешок для часов, и заявил: «Больше никаких оправданий! Я хочу, чтобы эта штука была отремонтирована сейчас, сегодня!» Genius отнесся к требованию серьезно и отремонтировал машину. Позже генеральный директор отправил Уокеру новый ремешок для часов, чтобы отметить это событие. [11]
Тем временем Уокер ввел новую политику на MOS-8, чтобы улучшить сам завод. Обычно он созывал совещания в 6:30 утра. Если дела шли не очень хорошо, он переносил их на 5:30 и даже на 4:30. Это давало сильный стимул запустить завод. Производственные проблемы вскоре были устранены, и массовые поставки начались в конце того же года. К этому моменту их клиенты, работающие на рабочих станциях, уже разработали полные системы, готовые к использованию 020 и нового блока с плавающей точкой, Motorola 68881. Системы появились на рынке всего через пять или шесть месяцев после анонса 020. [12]
Проектирование следующего 020 началось почти сразу. В рамках их постоянной работы с Hitachi система производства Motorola наконец-то догнала конкурентов, как и их внутренний рабочий процесс проектирования. Это дало им значительно больше возможностей для работы, что позволило добавить более крупные кэши процессора , встроенный блок управления памятью (MMU) и другие функции. Motorola 68030 был анонсирован в сентябре 1986 года [13] , а поставки должны были начаться следующим летом. Из-за изменений в производственных линиях новый 030 имел более низкую стартовую цену, чем 020.
Между 68000 и 020 были существенные различия, особенно в 32-битном интерфейсе памяти. Это потребовало, чтобы компьютерные конструкции, использующие его, значительно отличались от более ранних моделей. Напротив, между 020 и 030 было мало изменений, последний из которых мог использоваться в качестве замены во многих ролях. По этой причине конструкции, использующие 030, появлялись гораздо быстрее после его выпуска, чем 020. Первым Macintosh с 020 был Macintosh II , выпущенный в марте 1987 года, через два года после того, как 020 стал широко доступен, [14] с небольшими начальными поставками, начавшимися через два месяца. [15] Всего через восемнадцать месяцев его заменил Macintosh IIx , использующий 030. Хотя он работал на той же тактовой частоте 16 МГц, IIx предлагал 3,9 MIPS по сравнению с 2,6 у II. [16]
68020 имеет 32-битные внутренние и внешние шины данных и адреса, по сравнению с ранними моделями 680x0 с 16-битными шинами данных и 24-битными шинами адреса. АЛУ 68020 также изначально 32-битное, поэтому может выполнять 32-битные операции за один такт, тогда как 68000 требовал минимум два тактовых цикла из-за своего 16-битного АЛУ. Более новые методы упаковки позволили '020 иметь больше внешних выводов без большого размера, который требовался более ранним методом двухрядной упаковки . 68EC020 снизил стоимость за счет 24-битной шины адреса. 68020 выпускался на скоростях от 12 МГц до 33 МГц.
68020 имеет 32-битное арифметико-логическое устройство (АЛУ), 32-битные внешние шины данных и адреса. Он добавляет дополнительные инструкции и дополнительные режимы адресации. 68020 (и 68030) имеет надлежащий трехступенчатый конвейер. Хотя у 68010 был «циклический режим», который ускорял циклы через то, что фактически было крошечным кэшем инструкций, он содержал только две короткие инструкции и поэтому использовался мало. 68020 заменил его на надлежащий кэш инструкций объемом 256 байт, первый процессор серии 68k с настоящей кэш-памятью на кристалле.
Предыдущие процессоры 68000 и 68010 могли получить доступ только к данным размером в слово (16 бит) и длинное слово (32 бита) в памяти, если они были выровнены по слову (размещены по четному адресу). У 68020 нет ограничений на выравнивание при доступе к данным. Естественно, невыровненный доступ медленнее выровненного, поскольку он требовал дополнительного доступа к памяти.
68020 имеет небольшой кэш инструкций с прямым отображением объемом 256 байт, организованный как 64 четырехбайтовые записи. Несмотря на небольшой размер, он все же внес значительный вклад в производительность многих приложений. Полученное в результате уменьшение трафика шины было особенно важно в системах, в значительной степени полагающихся на DMA .
68020 имеет интерфейс сопроцессора, поддерживающий до восьми сопроцессоров. Основной ЦП распознает инструкции "F-line" (с четырьмя старшими битами кода операции, равными единице) и использует специальные циклы шины для взаимодействия с сопроцессором для выполнения этих инструкций. Были определены два типа сопроцессоров: блоки с плавающей точкой ( MC68881 или MC68882 FPU ) и блок управления страничной памятью ( MC68851 PMMU). С ЦП можно использовать только один PMMU. В принципе, с ЦП можно использовать несколько FPU, но это обычно не делалось. Интерфейс сопроцессора асинхронный, поэтому можно запускать сопроцессоры с другой тактовой частотой, чем ЦП.
Поддержка многопроцессорности реализована внешне с помощью контакта RMC [17] для индикации неделимого цикла чтения-изменения-записи в процессе. Все остальные процессоры должны отложить доступ к памяти до завершения цикла. [18] Программная поддержка многопроцессорности включает инструкции TAS , CAS и CAS2 .
В многопроцессорной системе сопроцессоры не могли быть общими между ЦП. Чтобы избежать проблем с возвратами от сопроцессора, ошибками шины и исключениями ошибок адреса, в многопроцессорной системе обычно требовалось, чтобы все ЦП были одной модели, а также чтобы все FPU были одной модели.
Новые инструкции включают в себя некоторые незначительные улучшения и расширения состояния супервизора, несколько инструкций для программного управления многопроцессорной системой (которые были удалены в 68060), некоторую поддержку языков высокого уровня, которые не использовались часто (и были удалены из будущих процессоров 680x0), более крупные инструкции умножения (32×32→64 бита) и деления (64÷32→32 бита частное и 32 бита остаток), а также манипуляции битовыми полями. [19]
Новые режимы адресации добавляют масштабируемую индексацию и еще один уровень косвенности ко многим ранее существовавшим режимам.
Благодаря полностью 32-битным внутренним и внешним адресным шинам адресные регистры (A0–A7) могли использовать полную 32-битную ширину и были способны адресовать все адресное пространство объемом 4 ГБ.
Большая эффективная ширина адресных регистров представляла некоторую проблему для более раннего программного обеспечения, которое не считалось " чистым 32-битным ". Некоторые программы использовали верхние 8 бит (биты 24-31) адресов для хранения различных флаговых битов, понимая, что более ранние процессоры 680x0 будут безопасно игнорировать эти верхние биты. Такое программное обеспечение приходилось переписывать, чтобы приспособиться к большему физическому адресному пространству, доступному для процессоров 68020 и более поздних.
68020 использовался в персональных компьютерах Apple Macintosh II и Macintosh LC , рабочих станциях Sun-3 , Amiga 1200 (вариант 68EC020), сетевых анализаторах Hewlett-Packard серии 8711, HP 9000/320 , HP 9000/330, рабочих станциях Apollo Computer DN3000 и DN4000 [20] и Alpha Microsystems AM-2000. 68020 был альтернативным обновлением для 68008 Sinclair QL в интерфейсе Super Gold Card от Miracle Systems .
Amiga 2500 и A2500UX опционально поставлялись с ускорителем A2620 с использованием FPU 68020, 68881 и MMU 68851. 2500UX поставлялся с Amiga Unix , требуя процессор '020 или '030.
Ряд цифровых осциллографов с середины 80-х до конца 90-х годов использовали 68020, включая серию LeCroy 9300 [21] (более дорогие модели, включая модели с суффиксом «C», использовали более мощный 68EC030 ; [22] модели 9300 с процессором 68020 можно обновить до 68EC030 , заменив плату ЦП [23] ) и более раннюю серию LeCroy 9400 (все модели [24] [25] [26] [27] за исключением 9400/9400A, которые использовали 68000 [28] ), а также некоторые модели серии Tektronix TDS. [29] HP 54520, 54522, 54540 и 54542 также используют 68020 вместе с FPU 68882. [30]
Это также процессор, используемый в поездах TGV для декодирования сигнальной информации, отправляемой в поезда через рельсы. Он используется в системах управления полетом и радиолокационных системах боевых самолетов Eurofighter Typhoon .
В центральном телефонном коммутаторе Nortel Networks DMS-100 также использовался 68020 в качестве первого микропроцессора вычислительного ядра SuperNode.
68EC020 — это более дешевая версия Motorola 68020. Основное отличие заключается в том, что 68EC020 имеет только 24-битную адресную шину, а не 32-битную адресную шину, как у полноценного 68020, и, таким образом, может адресовать только 16 МБ памяти.
Компьютер Amiga 1200 и игровая консоль Amiga CD32 используют удешевленный 68EC020; игровые платы Namco System 22 , Taito F3 и Konami GX также использовали этот процессор. Прототип Atari Jaguar II использовал его для замены 68000 оригинальной консоли Atari Jaguar .
Он также нашел применение в лазерных принтерах. Apple использовала его в LaserWriter IIɴᴛx. Kodak использовала его в Ektaplus 7016PS, а Dataproducts использовала его в LZR 1260.
В 2014 году компания Rochester Electronics восстановила производственные мощности для микропроцессора 68020, и он выпускается по сей день.
