Motorola 6809 (« шестьдесят восемь ноль девять ») — 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 совместим с более ранней Motorola 6800 , 6809 предлагал значительные улучшения по сравнению с ней и 8-битными современниками, такими как MOS Technology 6502 , включая аппаратную инструкцию умножения, 16-битную арифметику, системные и пользовательский стековые регистры, позволяющие повторно входить в код, улучшенные прерывания , позиционно-независимый код и архитектуру ортогонального набора инструкций с полным набором режимов адресации.
6809 был одним из самых мощных (и самых дорогих) 8-битных процессоров своей эпохи. В 1981 году 6809 в единичных партиях стоил 37 долларов по сравнению с 9 долларами за Zilog Z80 и 6 долларами за 6502. [1] Он был выпущен, когда на рынок выходило новое поколение 16-битных процессоров, таких как Intel 8086 , и на горизонте маячили 32-битные разработки, включая собственную модель Motorola 68000. Он не мог конкурировать по функциям с новыми разработками и не мог конкурировать по цене со старыми.
6809 используется в цветном компьютере TRS-80 , Dragon 32/64 , SuperPET , ENER 1000 , Fujitsu FM-7 , Cybernex LC3 и домашних компьютерах Thomson MO/TO , игровой консоли Vectrex и аркадных видеоиграх начала 1980-х годов, включая Star Wars , Defender , Robotron: 2084 , Joust и Gyruss . Автоматы для игры в пинбол Williams 1990-х годов оснащены платами контроллеров серии WPC на основе 68B09. [2] Серия II цифровой звуковой рабочей станции Fairlight CMI и аркадная игра Time Pilot '84 от Konami используют по два процессора 6809. [3] Компания Hitachi была основным пользователем 6809 и позже выпустила обновленную версию под названием Hitachi 6309 .
Motorola 6800 был разработан в 1971 году и выпущен в 1974 году. В общих чертах он имеет сильное сходство с другими процессорами, которые изначально проектировались как 8-битные, например, Intel 8080. [a] Первоначально он был изготовлен с использованием ранней логики NMOS , которая обычно требовала нескольких различных напряжений питания . Ключевой особенностью был удвоитель напряжения на кристалле , который позволял ему работать на одном+5 В питания, что является большим преимуществом перед конкурентами, такими как Intel 8080 , которым требовалось−5 В ,+5 В ,−12 В и земля . [4]
Первоначально 6800 был изготовлен с использованием тогдашнего процесса контактной литографии . В этом процессе фотошаблон помещался в прямой контакт с пластиной , экспонировался, а затем поднимался. Была небольшая вероятность того, что часть травильного материала останется на пластине, когда ее поднимут, что приведет к отказу будущих чипов с рисунком маски. Для сложных многошаблонных конструкций, таких как ЦП, это приводило к отказу около 90% чипов при тестировании. Чтобы получить прибыль от небольшого количества чипов, которые работали, цены на рабочие модели должны были быть довольно высокими, порядка сотен долларов в небольших количествах. [5]
Некоторые из разработчиков 6800 были убеждены, что более дешевая система будет ключом к широкому принятию. Среди них выделялся Чак Педдл , которого отправляли в поездки по продажам, и он видел, как потенциальные клиенты неоднократно отвергали дизайн, считая его слишком дорогим для предполагаемого использования. Он начал проект по созданию гораздо менее дорогостоящего дизайна, но руководство Motorola не проявило интереса и в конечном итоге приказало ему прекратить работу над ним. Педдл и некоторые другие члены команды 6800 покинули Motorola ради MOS Technology и представили этот дизайн в 1975 году как MOS Technology 6502. [ 6]
Первоначально 6800 продавался по $360 в единичных партиях, [7] но затем цена была снижена до $295 . 6502 был представлен по цене $25 , [8] и Motorola немедленно снизила цену 6800 до $125. Он оставался неконкурентоспособным, и перспективы продаж ухудшились. Введение Micralign в линейки Motorola позволило еще больше снизить цену, и к 1981 году цена тогдашнего 6800P была немного ниже, чем эквивалентного 6502, по крайней мере в единичных партиях. [1] К тому моменту, однако, 6502 был продан десятками миллионов единиц, и 6800 был в значительной степени забыт.
В то время как 6502 начал захватывать рынок 6800, Intel столкнулась с той же проблемой, когда выскочка Zilog Z80 начал красть 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 как 8085 , что сделало его менее дорогим в использовании и более конкурентоспособным по сравнению с Z80. Они также начали проектировать серию 16-разрядных процессоров, которые появились как Intel 8086 в 1978 году. Motorola также начала проектировать похожую высокопроизводительную конструкцию в проекте MACSS [9] , но изначально не рассматривала улучшенную 8-разрядную конструкцию. Но когда они опросили своих существующих клиентов 6800, они обнаружили, что многие не готовы платить за 16-разрядную конструкцию для своих простых нужд. Это привело к решению создать значительно улучшенную, но совместимую 8-битную конструкцию, которая стала 6809. [10] : 20, 26
Анализ кода 6800 показал, что загрузки и сохранения составляли подавляющее большинство всего времени с точки зрения ЦП, составляя 39% всех операций в коде, который они исследовали. Напротив, математические операции были относительно редки, всего 2,8% кода. Однако тщательное изучение загрузок и сохранений показало, что многие из них объединялись с добавлениями и вычитаниями, показывая, что значительное количество этих математических операций выполнялось над 16-битными значениями. Это привело к решению включить в новый дизайн базовую 16-битную математику: загрузку, сохранение, сложение и вычитание. Аналогично, приращения и декременты составляли всего 6,1% кода, но они почти всегда происходили в циклах, где каждое из них выполнялось много раз. Это привело к добавлению режимов пост-инкремента и пред-декремента с использованием индексных регистров . [10] : 26
Основной целью нового дизайна была поддержка позиционно-независимого кода . Рынок Motorola в основном состоял из встроенных систем и аналогичных одноцелевых систем, которые часто запускали программы, очень похожие на программы на других платформах. Разработка для этих систем часто принимала форму сбора серии предварительно свернутых подпрограмм и объединения их вместе. Однако, поскольку язык ассемблера обычно пишется, начиная с базового адреса , объединение предварительно написанных модулей обычно требовало длительного процесса изменения констант (или эквивалентов), которые указывали на ключевые места в коде. [10] : 20, 24
Идея Motorola заключалась в том, чтобы устранить эту задачу и сделать концепцию строительных блоков гораздо более практичной. Системные интеграторы просто объединяли готовый код в ПЗУ для решения общих задач. Библиотеки общих процедур, таких как арифметика с плавающей точкой , графические примитивы, сжатие Лемпеля-Зива и т. д., были бы доступны для лицензирования, объединения вместе с пользовательским кодом и записи в ПЗУ. [10] : 20, 24 [b]
В предыдущих конструкциях процессоров, включая 6800, существовала смесь способов ссылаться на ячейки памяти. Некоторые из них были относительными к текущему расположению в памяти или к значению в индексном регистре, в то время как другие были абсолютными, 16-битным значением, которое ссылалось на физическое расположение в памяти. Первый стиль позволяет перемещать код, поскольку адрес, на который он ссылается, будет перемещаться вместе с кодом. Абсолютные расположения этого не делают; код, использующий этот стиль адресации, должен быть перекомпилирован, если он перемещается. Чтобы решить эту проблему, 6809 заполнил свои коды операций инструкций, чтобы было больше случаев относительной адресации, где это возможно. [11] : 1.2
Например, 6800 включает режим прямой адресации , используемый для уменьшения размера кода и его ускорения; вместо адреса памяти, имеющего 16 бит и, следовательно, требующего двух байт для хранения, прямые адреса имеют длину всего 8 бит. Недостатком является то, что он может ссылаться только на память в пределах 256-байтового окна, прямой страницы , которая обычно находится в нижней части памяти — 6502 называет это адресацией нулевой страницы . 6809 добавил новый 8-битный регистр DP для прямой страницы. Код, который раньше должен был находиться на нулевой странице, теперь может быть перемещен в любое место памяти, если DP изменен, чтобы указывать на его новое местоположение. [11] : 1.2
Использование DP решило проблему ссылки на адреса внутри кода, но данные обычно располагаются на некотором расстоянии от кода, вне ПЗУ. Чтобы решить проблему простой ссылки на данные, оставаясь независимыми от позиции, 6809 добавил множество новых режимов адресации. Среди них была адресация относительно счетчика программ, которая позволяла ссылаться на любую ячейку памяти по ее расположению относительно инструкции. Кроме того, стек использовался более широко, так что программа в ПЗУ могла выделить блок памяти в ОЗУ, установить SP в качестве базы блока, а затем ссылаться на данные внутри него, используя относительные значения. [11] : 2.1–2.4
Чтобы облегчить этот тип доступа, 6809 переименовал SP в U для «пользователя» и добавил второй указатель стека, S, для «системы». [11] : 1.3 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 позволяло легко вызывать системный код, изменяя S, не влияя на какую-либо другую запущенную программу. Например, программа, вызывающая подпрограмму с плавающей точкой в ПЗУ, помещала свои данные в стек U, а затем вызывала подпрограмму, которая затем могла выполнять вычисления, используя данные в своем собственном частном стеке, на который указывает S, а затем возвращалась, оставляя стек U нетронутым. [11] : 1.3
Другой причиной расширенного доступа к стеку была поддержка реентерабельного кода, кода, который может быть вызван из различных программ одновременно, не заботясь о координации между ними, или который может рекурсивно вызывать себя. [10] : 30 Это значительно упрощает построение операционных систем ; операционная система имела свой собственный стек, и процессор мог быстро переключаться между пользовательским приложением и операционной системой, просто меняя используемый указатель стека. Это также значительно упрощает обслуживание прерываний по той же причине. [11] : 4 6809 добавляет прерывание быстрого запроса прерывания (FIRQ), которое сохраняет только счетчик программ 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. [11] : 1.9
6809 включает в себя один из самых ранних специализированных аппаратных умножителей. [10] : 36 Он принимает 8-битные числа в аккумуляторах A и B и выдает результат в формате A:B, известный под общим названием D. [11] : 1,1
Большая часть дизайна была основана на рыночной концепции кода из строительных блоков. Но рынок готовых модулей ПЗУ так и не материализовался: единственным выпущенным примером Motorola было ПЗУ с плавающей точкой MC6839. Отрасль в целом решила проблему интеграции модулей кода из отдельных источников, используя автоматические перемещающиеся компоновщики и загрузчики , что является решением, используемым сегодня. [12] Однако решения, принятые командой разработчиков, сделали возможными многопользовательские, многозадачные операционные системы, такие как OS-9 и UniFlex .
Дополнительные функции 6809 были дорогостоящими; ЦП имел приблизительно 9000 транзисторов по сравнению с 4100 у 6800 или 3500 у 6502. Хотя усовершенствования процесса означали, что его можно было изготовить дешевле, чем оригинальный 6800, те же самые усовершенствования применялись к другим конструкциям, и поэтому относительная стоимость оставалась прежней. Так было на практике; в 1981 году 6809 продавался в единичных экземплярах примерно в шесть раз дороже 6502. [1] Для тех систем, которым требовались некоторые из его специальных функций, таких как аппаратный умножитель, система могла оправдать свою цену, но в большинстве ролей ее игнорировали.
Другим фактором его низкого использования было наличие новых разработок со значительно более высокой производительностью. Среди них был Intel 8086 , выпущенный в том же году, и его более дешевая версия Intel 8088 1979 года. Ощущение проблемы можно увидеть в результатах ассемблера Byte Sieve по сравнению с другими распространенными разработками той эпохи (взятыми из 1981 [13] и 1983 [14] ):
Хотя 6809 действительно предлагал улучшение производительности по сравнению с подобными 6502 [c] и Z80, улучшение не соответствовало росту цены. Для тех, для кого цена не была главным фактором, а была прямая производительность, новые разработки превосходили ее на порядок .
Еще до выпуска 6809, в 1976 году Motorola запустила свой собственный проект усовершенствованного ЦП, тогда известный как Motorola Advanced Computer System on Silicon project, или MACSS. Хотя и слишком поздно, чтобы быть выбранным для проекта IBM PC , когда MACSS появился как Motorola 68000 в 1979 году, он забрал весь оставшийся интерес к 6809. Вскоре Motorola объявила, что их будущие 8-битные системы будут работать на урезанных версиях 68000, а не на дальнейших улучшенных версиях 6809.
Его первое крупное применение было в цветном компьютере TRS-80 , что произошло в значительной степени случайно. Motorola попросили разработать цветной компьютерный терминал для онлайн-проекта помощи фермерам, системы, известной как «AgVision». Tandy ( Radio Shack ) была привлечена в качестве розничного партнера и продавала их под названием «VideoTex», но проект был в конечном итоге отменен вскоре после его представления в 1980 году. [15] Затем Tandy переработала дизайн, чтобы создать домашний компьютер , который стал одной из самых заметных побед дизайна 6809. [16]
.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 был позже подхвачен Commodore, которая продавала его как SuperPET , или MicroMainframe в Европе. Они были относительно популярны в середине 1980-х годов, пока рынок клонов ПК не взял 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 шины SS-50 , которые были построены вокруг 6800, также имели опции для 6809 или перешли исключительно на него. Примерами могут служить машины от SWTPC , Gimix , Smoke Signal Broadcasting и т. д. Motorola также построила серию систем разработки EXORmacs и EXORset.
Hitachi производила собственные машины на базе 6809, MB-6890 и позже S1. Они были в основном для японского рынка, но некоторые экспортировались и продавались в Австралии , где MB-6890 был назван «Персиком», вероятно, в отсылке к Apple II . S1 была примечательна тем, что содержала страничное оборудование, расширяющее собственный диапазон адресации 6809 в 64 килобайта до полного 1 мегабайта в страницах по 4 КБ. В этом она была похожа на машины, производимые SWTPC, Gimix и несколькими другими поставщиками. TSC производила 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 ограничивались переключением банков , где большая часть, если не все 64 КБ, просто заменялись на другой раздел памяти, хотя в случае с 6809 Motorola предложила собственную конструкцию MMU MC6829 , отображающую 2 мегабайта на страницах по 2 КБ. [17]
6809 также использовался в различных системах видеоигр . Среди них выделяется уникальная домашняя игровая машина Vectrex на основе векторной графики в версии 68A09. Она также использовалась в системе Milton Bradley Expansion (MBX) (аркадная консоль для домашнего компьютера TI-99/4A ) и серии аркадных игр, выпущенных в начале-середине 1980-х годов. Williams Electronics была плодовитым пользователем процессора, который был развернут в Defender , Stargate , Joust , Robotron: 2084 , Sinistar и других играх. Процессор 6809 является ядром успешного контроллера Williams Pinball . KONAMI-1 — это модифицированный 6809, используемый Konami в Roc'n Rope , Gyruss и The Simpsons . [18]
Серия II Fairlight CMI (компьютерный музыкальный инструмент) использовала два процессора 6809 под управлением OS-9 , а также 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 ). Последние использовали 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 нашел широкого применения в области микроконтроллеров . Он использовался в контроллерах светофоров , выпущенных в 1980-х годах несколькими различными производителями, [19] а также в магистральных центральных контроллерах Motorola SMARTNET и SMARTZONE (так называемых «контроллерах 6809»). Эти контроллеры использовались в качестве центральных процессоров во многих магистральных двусторонних системах радиосвязи Motorola. [20]
6809 использовался компанией Mitel в качестве основного процессора в ее офисной телефонной системе SX20.
Motorola 6809 изначально выпускался с частотами 1 МГц, 1,5 МГц (68A09) и 2 МГц (68B09). Более быстрые версии были выпущены позже компанией Hitachi. Не имея практически никаких 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 инструкций, 6811 , была снята с производства только во втором десятилетии 21-го века.
Hitachi 6309 — это улучшенная версия 6809 с дополнительными регистрами и дополнительными инструкциями, включая перемещение блоков, дополнительные инструкции умножения и деления.
В 2004 году Motorola выделила свое подразделение микропроцессоров. Подразделение сменило название на Freescale и впоследствии было приобретено компанией NXP .
Ни Motorola, ни Hitachi больше не производят процессоры 6809 или производные. Ядра 6809 доступны в VHDL и могут быть запрограммированы в FPGA и использованы в качестве встроенного процессора с рейтингами скорости до 40 МГц. [ требуется ссылка ] Некоторые коды операций 6809 также существуют во встроенных процессорах Freescale . В 2015 году Freescale уполномочила Rochester Electronics снова начать производство MC6809 в качестве замены и копии оригинального устройства NMOS. Freescale предоставила Rochester оригинальную базу данных физического дизайна GDSII . В конце 2016 года MC6809 от Rochester (включая MC68A09 и MC68B09) полностью квалифицирован и доступен в производстве.
Австралийский разработчик Джон Кент синтезировал процессор Motorola 6809 на языке описания оборудования (HDL). [21] Это сделало возможным использование ядра 6809 на гораздо более высоких тактовых частотах, чем были доступны с оригинальным 6809. CoCo3FPGA Гэри Беккера запускает ядро Kent 6809 на частоте 25 МГц. [22] Matchbox CoCo Роджера Тейлора работает на частоте 7,16 МГц. CoCoDEV Дэйва Филипсена работает на частоте 25 МГц. [23]
Внутренняя конструкция 6809 ближе к более простым, немикрокодированным конструкциям ЦП. Как и большинство 8-битных микропроцессоров, реализация 6809 представляет собой машину уровня регистровой передачи , использующую центральную PLA для реализации большей части декодирования инструкций, а также частей секвенирования.
Как и 6800 и 6502, 6809 использует двухфазный тактовый генератор для управления защелками. Этот двухфазный тактовый цикл используется в качестве полного машинного цикла в этих процессорах. Простые инструкции могут выполняться всего за два или три таких цикла. 6809 имеет внутренний двухфазный тактовый генератор (нужен только внешний кристалл), тогда как 6809E нужен внешний тактовый генератор. Существуют такие варианты, как 68A09(E) и 68B09(E); внутренняя буква указывает номинальную тактовую частоту процессора.
Система синхронизации 6800, 6502, 6809 отличается от других процессоров той эпохи. Например, Z80 использует один внешний тактовый генератор, а внутренние этапы процесса инструкции продолжаются при каждом переходе. Это означает, что внешний тактовый генератор обычно работает намного быстрее; конструкции 680x обычно работали на частоте 1 или 2 МГц, в то время как Z80 обычно работал на частоте 2 или 4. Внутри 680x делили внешнюю тактовую частоту на четыре, чтобы создать системный тактовый генератор; поэтому 6809 с частотой 1 МГц имел бы кристалл или тактовый сигнал частотой 4 МГц. Обычно, на основе инструкция за инструкцией, они работали примерно в два раза быстрее, если сравнивать внешние тактовые генераторы с другими микропроцессорами.
Преимущество доступа в стиле 680x заключалось в том, что динамические микросхемы ОЗУ той эпохи обычно работали на частоте 2 МГц. Из-за синхронизации цикла были периоды внутренних часов, когда шина памяти была гарантированно свободна. Это позволяло разработчику компьютера чередовать доступ к памяти между ЦП и внешним устройством, например, контроллером прямого доступа к памяти или, что более распространено, графическим чипом . Запустив оба чипа на частоте 1 МГц и пошагово переключая их один за другим, они могли совместно использовать доступ к памяти без какой-либо дополнительной сложности или схемотехники. 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 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 . 6809 добавил второй индексный регистр, Y, второй указатель стека, U (переименовав исходный S), и позволил обрабатывать регистры A и B как один 16-битный аккумулятор, D. Он также добавил еще один 8-битный регистр, DP, для установки базового адреса прямой страницы. Эти дополнения были невидимы для кода 6800, и 6809 был на 100% совместим по исходному коду с более ранним кодом. [11] : 1.1
Другим важным дополнением была адресация относительно счетчика программ 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 результирующее расположение памяти, инструкции можно свободно перемещать в памяти. Система также сохранила свои предыдущие режимы адресации, хотя в новом языке ассемблера то, что ранее было отдельными инструкциями, теперь считалось различными режимами адресации в других инструкциях. Это сократило количество инструкций с 78 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. [11] : 1.2
Набор инструкций и дополнение регистра в высокой степени ортогональны , что делает 6809 более простым в программировании, чем современники. Как и 6800, 6809 включает в себя недокументированную инструкцию проверки адресной шины, которая получила прозвище Halt and Catch Fire (HCF) . [24] [25]