Motorola 68040 (« шестьдесят восемь ноль-сорок ») — 32-разрядный микропроцессор серии Motorola 68000 , выпущенный в 1990 году. [2] Он является преемником 68030 , за ним следует 68060 , пропуская 68050. В соответствии с общепринятой системой наименований Motorola, 68040 часто называют просто «040» (произносится как «о-фор-о» или «о-форти» ).
68040 был первым членом семейства 680x0 с встроенным блоком операций с плавающей точкой (FPU). Таким образом, он включал в себя всю функциональность, которая ранее требовала внешних чипов, а именно FPU и блок управления памятью (MMU), который был добавлен в 68030. Он также имел разделенные кэши инструкций и данных по 4 килобайта каждый. Он был полностью конвейерным , с шестью стадиями. [3]
Версии 68040 были созданы для определенных сегментов рынка, включая 68LC040, в которой был удален FPU, и 68EC040, в которой были удалены как FPU, так и MMU. Motorola предназначала вариант EC для встроенного использования, но встроенным процессорам во времена 68040 не требовалась мощность 68040, поэтому варианты EC 68020 и 68030 продолжали быть распространенными в конструкциях.
Motorola выпустила несколько скоростных классов. Части 16 МГц и 20 МГц никогда не были квалифицированы (обозначение XC) и использовались в качестве прототипных образцов. Классы 25 МГц и 33 МГц присутствовали во всей линейке, но примерно до 2000 года класс 40 МГц был только для «полного» 68040. Планируемый класс 50 МГц был отменен после того, как он превысил тепловой расчетный диапазон .
В компьютерах Apple Macintosh 68040 был представлен в Macintosh Quadra , названном по имени чипа. Самый быстрый процессор 68040 работал на частоте 40 МГц и использовался только в Quadra 840AV. Более дорогие модели в (кратковременной) линейке Macintosh Centris также использовали 68040, в то время как более дешевые Quadra, Centris и Macintosh Performa использовали 68LC040 . 68040 также использовался в других персональных компьютерах , таких как Amiga 4000 и Amiga 4000T , а также в ряде рабочих станций , серверов Alpha Microsystems , сериях HP 9000/400 , TOWER 32/750, 32/825 и 32/850 компании NCR Corporation , [4] DN5500 компании Apollo Computer , [5] и более поздних версиях компьютера NeXT .
Процессор 68040 используется в компьютерах управления полетом (FMC) на борту многих самолетов Boeing 737 , включая все модели Next Generation и MAX . [6]
68040 столкнулся с ограничением бюджета транзисторов на ранней стадии проектирования. В то время как MMU не требовал много транзисторов — на самом деле, размещение его на том же кристалле, что и CPU, фактически сэкономило на транзисторах — FPU, безусловно, это делал. Внешний FPU 68882 от Motorola был известен как очень высокопроизводительный блок, и Motorola не хотела рисковать, используя интеграторов с версией «LC» с 68882 вместо более прибыльного полного блока «RC». (Информацию о многопроцессорной модели Motorola с серией 680x0 см. в Motorola 68020 .) FPU в 68040 не поддерживал трансцендентные функции IEEE , которые поддерживались как 68881, так и 68882 и использовались популярным программным обеспечением для генерации фракталов того времени и мало чем еще. Пакет поддержки операций с плавающей точкой Motorola (FPSP) эмулировал эти инструкции программно с прерыванием. Поскольку это был обработчик исключений, интенсивное использование трансцендентных функций приводило к существенному снижению производительности.
Тепло всегда было проблемой на протяжении всей жизни 68040. Хотя он обеспечивал производительность на такт в четыре раза выше, чем 68020 и 68030, сложность чипа и требования к питанию были обусловлены большим кристаллом и большими кэшами. Это повлияло на масштабирование процессора, и он никогда не мог работать с тактовой частотой, превышающей 40 МГц. Вариант на 50 МГц был запланирован, но отменен. Энтузиасты разгона сообщили об успешном достижении 50 МГц с использованием генератора на 100 МГц вместо части на 80 МГц и новой на тот момент техники добавления радиаторов увеличенного размера с вентиляторами.
68040 предлагал те же функции, что и Intel 80486 , но по тактовой частоте мог значительно превзойти чип Intel в целочисленных инструкциях и инструкциях с плавающей точкой. [7] [8]
68EC040 — это версия микропроцессора Motorola 68040, предназначенная для встроенных контроллеров (EC). Он отличается от 68040 тем, что не имеет ни FPU, ни MMU. Это делает его менее дорогим и потребляет меньше энергии. 68EC040 использовался в коммутаторе Cisco Supervisor Engine I , который является сердцем моделей 2900, 2948G, 2980G, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500 и 7600.
68LC040 — это недорогая версия микропроцессора Motorola 68040 без FPU. Это делает его менее дорогим и потребляет меньше энергии. Хотя ЦП теперь вписывается в таблицу характеристик, больше похожую на Motorola 68030, он по-прежнему включает кэши и конвейер 68040 и, таким образом, значительно быстрее 68030.
Некоторые версии маски 68LC040 содержали ошибку , которая не позволяла чипу работать правильно при использовании программного эмулятора FPU . Согласно errata Motorola, [9] любой чип с маской 2E71M или более поздней не содержит ошибки. Эта новая маска была введена в середине 1995 года и преобразовала чип 68LC040 в статус MC. [10]
Ошибочные ревизии обычно встречаются в компьютерах Apple Macintosh на базе 68LC040 . Было подтверждено, что чипы с маской 2E23G (используемые в LC 475) являются неисправными. Неисправность связана с потерей ожидающих записей при возникновении исключения F-line. [11] 68040 не может обновлять свой микрокод так, как это делают современные чипы x86. Это означает, что единственный способ использовать программное обеспечение, требующее функциональности с плавающей точкой, — это заменить неисправный 68LC040 на более позднюю версию или на полный 68040.
ATC = Кэш трансляции адресов