Motorola 68020 (« шестьдесят восемь-о-двадцать », « шестьдесят восемь-о-два-о » или « шесть-восемь-о-два-о ») — 32-битный микропроцессор компании Motorola , выпущенный в 1984 году. Также была доступна более дешевая версия, известная как 68EC020 . В соответствии с практикой наименования, общей для проектов Motorola, 68020 обычно обозначается как «020», что произносится как «о-два-о» или «о-двадцать».
Модель 020 была на рынке сравнительно недолго. Motorola 68030 был анонсирован в сентябре 1986 года, а поставки начались летом 1987 года. По цене примерно той же, что и 020 того времени, 030 был значительно быстрее и быстро заменял 020 практически при каждом использовании.
На момент разработки Motorola 68000 услуги Motorola по проектированию и производству устарели. Хотя даже небольшие компании, такие как MOS Technology и Zilog , перешли к режиму истощения кремниевых затворов NMOS-логики на все более крупных пластинах , Motorola все еще использовала металлические затворы и режим улучшения, а их крупнейшая фабрика работала над 4-дюймовыми пластинами еще долго после того, как большинство линий было переведено. до 5 дюймов. Хотя на момент своего появления 68000 достиг цели стать самым быстрым процессором из доступных, он был далеко не таким мощным, каким мог бы быть, если бы он был разработан с использованием более современных технологий. [3]
В период разработки 68000 компания работала с Hitachi над их технологическим процессом и в рамках этого открыла новое производство MOS-8, использующее 5-дюймовые пластины и новейший процесс HMOS , лицензированный Intel . Эта линия была способна реализовать все новые технологии, но 68000 продолжили использовать старую конструкцию, поскольку были уверены, что она сработает. Переход к новым технологиям проектирования будет отложен до тех пор, пока дизайн не появится на рынке. [4] Переход на новые методы проектирования произошел во время разработки Motorola 68010 , относительно незначительного обновления исходной конструкции, которое добавило базовую поддержку виртуальной памяти для развивающегося рынка рабочих станций Unix . [5]
Пока эти усилия продолжались, Motorola выясняла у своих клиентов их пожелания относительно будущих разработок этой линейки. Все это указывало на полностью 32-битную реализацию. Те, кто использует 68k в системах Unix, также заявили, что купили бы модуль с плавающей запятой для каждой машины, если бы он был доступен. [6]
Оригинальный 68000 был разработан как гибридная 16/32-битная система во многом потому, что максимальное количество контактов, доступных в корпусах с двойным входом (DIP), составляло 64, и даже при таком размере упаковка такого размера была весьма проблематичной. [7] Уменьшив количество адресных контактов до 24, а контактов данных — до 16, стало достаточно свободных контактов для реализации всех других необходимых линий, таких как прерывания и источники питания. 24-контактная адресная шина означала, что общий объем памяти мог составлять только 16 МБ, что на тот момент становилось ограничением. 16-битная шина данных означала, что для чтения 32-битного слова из этой памяти требовалось два цикла шины.
Конструкция, в которой было 32 контакта как для шины адреса, так и для шин данных, обеспечивала бы доступ к данным в два раза быстрее, что делало машину намного быстрее даже без каких-либо других изменений. Переход на 32-битную адресацию также облегчит реализацию виртуальной памяти и позволит использовать более 16 МБ оперативной памяти . Но это также потребует гораздо большего общего количества контактов. К началу 1980-х годов аналогичные ограничения всех современных процессоров привели к появлению массива контактов , который заменил DIP. Для нового проекта Motorola выбрала 169-контактную раскладку, что дает им достаточно места для работы. В конечном итоге в конструкции использовалось только 114 из них.
Разгорелись большие дебаты о том, как упоминать основную конструкцию нового чипа в маркетинговых материалах. Технически 020 перешел от давно зарекомендовавшей себя логической схемы NMOS к схеме CMOS , которая требует двух транзисторов на затвор. Общеизвестные сведения того времени подсказывали, что CMOS стоили 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» стал важной новостью в то время, и New York Times поместила его в главную статью своего бизнес-раздела. Стартовая цена была заявлена на уровне 487 долларов за штуку, примерно столько же, сколько у 68000, когда он был выпущен в 1980 году, но теперь 68000 можно было купить примерно за 15 долларов. Однако предполагалось, что пройдет некоторое время, прежде чем компьютеры, использующие новый чип, станут доступны, поскольку существующие конструкции придется серьезно модифицировать, чтобы использовать преимущества его производительности. [10]
Это объявление привело к тому, что клиенты Motorola потребовали поставок. В этот момент стали очевидны серьезные проблемы со снабжением. Проект планировалось построить на том же заводе МОС-8, что и 68000, хотя для его поддержки было введено несколько новых единиц оборудования. К моменту публичного релиза доходность нового чипа была равна нулю. То есть на каждой пластине, прошедшей через многоэтапный процесс, будет произведено ноль рабочих чипов. [11]
Гэри Джонсон пришел к выводу, что проблема заключалась в начальнике цеха MOS-8 Томе Фелези, и решил заменить его Биллом Уокером, который в то время руководил более старой фабрикой MOS-2. Уокер прибыл на завод 5 июля 1985 года и обнаружил, что Джонсон не удосужился сообщить Фелези об изменении, после чего последовали споры. В конце концов Джонсон сказал Фелеси, что это действительно происходит. Затем Уокер осмотрел завод и обнаружил, что он превратился, по сути, в лабораторию исследований и разработок , а не в производственную линию, с многочисленными машинами, которые больше нигде не использовались. [11]
Одной из существенных проблем было новое оборудование от нового поставщика Genius, производившего силицид . Машина просто не работала. Уокер прилетел в Калифорнию, чтобы встретиться с генеральным директором Genius, который не предложил ничего, кроме оправданий. В конце концов Уокер ударил рукой по столу, сломав ремешок для часов, и заявил: «Больше никаких оправданий! Я хочу, чтобы это починили сейчас, сегодня!» Гений серьезно отнесся к требованию и починил машину. Позже генеральный директор отправил Уокеру новый ремешок для часов в ознаменование этого события. [11]
Тем временем Уокер ввел на МОС-8 новую политику по улучшению самого завода. Обычно он созвал собрания в 6:30 утра. Если бы дела шли не очень хорошо, он переносил бы это время на 5:30 или даже на 4:30. Это послужило сильным стимулом для запуска завода. Производственные проблемы вскоре были решены, и в конце того же года начались массовые поставки. К этому моменту клиенты их рабочих станций уже разработали законченные системы, готовые к использованию 020 и нового устройства с плавающей запятой Motorola 68881 . Системы появились на рынке всего через пять или шесть месяцев после анонса 020. [12]
Проектирование продолжения 020-х началось практически сразу. В рамках продолжающейся 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, позволив добавить более крупные кэши процессора , встроенный блок управления памятью (MMU) и другие функции. Motorola 68030 был анонсирован в сентябре 1986 года [13] , поставки начнутся следующим летом. Из-за изменений в производственных линиях стартовая цена нового 030 будет ниже, чем 020.
Между 68000 и 020 были существенные различия, особенно из-за 32-битного интерфейса памяти. Это требовало, чтобы компьютерные конструкции, использующие его, значительно отличались от более ранних моделей. Напротив, между моделями 020 и 030 было мало изменений, последний из которых можно было использовать в качестве замены во многих ролях. По этой причине конструкции, использующие 030, появились 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 первоначальными поставками небольших объемов, которые начнутся через два месяца. [15] Всего восемнадцать месяцев спустя Macintosh IIx заменил его на 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 данными и 24-битными адресными шинами. ALU 68020 также изначально является 32-битным, поэтому может выполнять 32-битные операции за один такт, тогда как 68000 потребовалось минимум два такта из-за его 16-битного ALU. Новые методы упаковки позволили модели '020 иметь больше внешних контактов без большого размера, который требовался для более раннего метода упаковки с двумя рядами . 68EC020 снизил стоимость за счет 24-битной адресной шины. 68020 производился на частотах 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) имеют правильный трехступенчатый конвейер. Хотя у 68010 был «режим цикла», который ускорял циклическое прохождение того, что фактически представляло собой крошечный кэш инструкций, он содержал только две короткие инструкции и поэтому мало использовался. 68020 заменил его правильным кэшем инструкций объемом 256 байт, первым процессором серии 68k, имеющим настоящую встроенную кэш-память.
Предыдущие процессоры 68000 и 68010 могли получить доступ к данным в памяти только в словах (16 бит) и длинных словах (32 бита), если они были выровнены по словам (расположены по четному адресу). Модель 68020 не имеет ограничений по выравниванию доступа к данным. Естественно, невыровненный доступ выполняется медленнее, чем выровненный, поскольку для него требуется дополнительный доступ к памяти.
68020 имеет небольшой 256-байтовый кэш инструкций с прямым отображением, организованный в виде 64 четырехбайтовых записей. Несмотря на небольшой размер, он все же существенно повлиял на производительность многих приложений. Полученное в результате снижение автобусного трафика было особенно важно в системах, в значительной степени зависящих от DMA .
68020 имеет интерфейс сопроцессора , поддерживающий до восьми сопроцессоров. Главный процессор распознает инструкции «F-линии» (с четырьмя старшими битами кода операции) и использует специальные циклы шины для взаимодействия с сопроцессором для выполнения этих инструкций. Были определены два типа сопроцессоров: блоки с плавающей запятой ( FPU MC68881 или MC68882 ) и блок управления страничной памятью ( MC68851 PMMU). С ЦП можно использовать только один PMMU. В принципе, с ЦП можно было использовать несколько FPU, но обычно это делалось нечасто. Интерфейс сопроцессора является асинхронным, поэтому сопроцессоры могут работать на другой тактовой частоте, чем ЦП.
Поддержка многопроцессорности реализуется извне с помощью вывода RMC [17] для индикации выполнения неделимого цикла чтения-изменения-записи . Все остальные процессоры должны приостановить доступ к памяти до завершения цикла. [18] Программная поддержка многопроцессорной обработки включает инструкции TAS , CAS и CAS2 .
В многопроцессорной системе сопроцессоры не могут быть разделены между процессорами. Чтобы избежать проблем с возвратами из исключений сопроцессора, ошибок шины и ошибок адреса, в многопроцессорной системе обычно было необходимо, чтобы все ЦП были одной и той же модели, а также чтобы все FPU были одной и той же модели.
Новые инструкции включают в себя некоторые незначительные улучшения и расширения состояния супервизора, несколько инструкций по управлению программным обеспечением многопроцессорной системы (которые были удалены в 68060), некоторую поддержку языков высокого уровня, которые мало использовались (и были удалены из будущие процессоры 680x0), более крупные инструкции умножения (32 × 32 → 64 бита) и деления (64 ÷ 32 → 32 бита частное и 32 бита остатка), а также манипуляции с битовыми полями.
Новые режимы адресации добавляют масштабируемую индексацию и еще один уровень косвенности ко многим ранее существовавшим режимам.
Благодаря полным 32-битным внутренним и внешним адресным шинам адресные регистры (от A0 до A7) могли использовать всю свою 32-битную ширину и были способны адресовать все адресное пространство размером 4 ГБ.
Большая эффективная ширина адресных регистров представляла некоторую проблему для более раннего программного обеспечения, которое не считалось « 32-битным чистым ». Некоторые программы использовали старшие 8 битов (биты 24–31) адресов для хранения различных битов флагов, понимая, что более ранние процессоры 680x0 могли безопасно игнорировать эти старшие биты. Такое программное обеспечение пришлось переписать, чтобы приспособиться к большему физическому адресному пространству, доступному процессорам 68020 и более поздних версий.
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, компьютерах Apollo . Рабочие станции DN3000 и DN4000 [19] и Alpha Microsystems AM-2000. Модель 68020 была альтернативой 68008 Sinclair QL с интерфейсом 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 , требующим процессор '020 или '030.
В ряде цифровых осциллографов с середины 80-х до конца 90-х годов использовался 68020, включая серию LeCroy 9300 [20] (модели более высокого класса, включая модели с суффиксом «C», использовали более мощный 68EC030 ; [21] модели 9300 с процессор 68020 можно обновить до 68EC030 с заменой платы ЦП [22] ) и более ранней серии LeCroy 9400 (все модели [23] [24] [25] [26], за исключением 9400/9400A, в которых использовался процессор 68000. [27] ), а также некоторые модели Tektronix серии TDS. [28] HP 54520, 54522, 54540 и 54542 также используют 68020 вместе с 68882 FPU. [29]
Это также процессор, используемый в поездах TGV для декодирования сигнальной информации, передаваемой в поезда по рельсам. Он используется в системах управления полетом и радиолокационной системе боевого самолета Eurofighter Typhoon .
Телефонный коммутатор центрального офиса Nortel Networks DMS-100 также использовал 68020 в качестве первого микропроцессора вычислительного ядра SuperNode.
68EC020 — это более дешевая версия Motorola 68020. Основное отличие состоит в том, что 68EC020 имеет только 24-битную адресную шину, а не 32-битную адресную шину, как у полной модели 68020, и, следовательно, может адресовать только 16 МБ . памяти.
В компьютере Amiga 1200 и игровой консоли Amiga CD32 используется недорогой 68EC020; аркадные платы Namco System 22 , Taito F3 и Konami GX также использовали этот процессор. Прототип Atari Jaguar II заменил 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 — в LZR 1260.
В 2014 году компания Rochester Electronics восстановила производство микропроцессора 68020, и он доступен до сих пор.
