Motorola 68020
| Allmän information | |
|---|---|
| Lanserades | 1984 |
| Designad av | Motorola |
| Prestanda | |
| Max. CPU klockfrekvens | 12,5 MHz till 33 MHz |
| Databredd | 32 bitar |
| Adressbredd | 32 bitar |
| Cache | |
| L1 cache | 256 byte instruktionscache |
| Arkitektur och klassificering | |
| Instruktionsuppsättning | Motorola 68000-serien |
| Fysiska specifikationer | |
| Transistorer |
|
| Paket(er) |
|
| Produkter, modeller, varianter | |
| Variant(er) |
|
| Historia | |
| Företrädare | Motorola 68010 |
| Efterträdare | Motorola 68030 |
Motorola 68020 (" sextioåtta-oh-tjugo ", " sextioåtta-oh-två-oh " eller " sex-åtta-oh-två-oh ") är en 32-bitars mikroprocessor från Motorola , släppt 1984 En lägre kostnadsversion gjordes också tillgänglig, känd som 68EC020 . I enlighet med namngivningsmetoder som är vanliga för Motorola-designer brukar 68020 kallas "020", uttalas "oh-two-oh" eller "oh-twenty".
020:an fanns på marknaden under en relativt kort tid. Motorola 68030 tillkännagavs i september 1986 och började levereras sommaren 1987. Prissatt ungefär som dåtidens 020, var 030 betydligt snabbare och byttes snabbt ut 020 vid nästan varje användning.
Historia
68000 och 68010
När Motorola 68000 designades var Motorolas design- och tillverkningstjänster föråldrade. Även om till och med små företag som MOS Technologies och Zilog hade gått vidare till NMOS-logik för kiselportsutarmning på allt större wafers , använde Motorola fortfarande metallgrindar och förbättringsläge och deras största fabrik fungerade på 4-tums wafers långt efter att de flesta linjer hade flyttats till 5-tum. Även om 68000 nådde målet att vara den snabbaste CPU som fanns när den introducerades, var den inte alls så kraftfull som den kunde vara om den hade designats med modernare tekniker.
Under perioden med 68000-designen arbetade företaget med Hitachi på deras processteknologi och som en del av detta öppnade de en ny fabrik, MOS-8, med 5-tums wafers och den senaste HMOS -processen licensierad från Intel . Denna linje var kapabel att bygga alla nya tekniker, men 68000 gick vidare med den äldre designen eftersom de var säkra på att det skulle fungera. Att flytta till nya designtekniker skulle vänta tills designen var på marknaden. Konverteringen till de nya designteknikerna ägde rum under Motorola 68010- satsningen, en relativt liten uppgradering till den ursprungliga designen som lade till grundläggande virtuellt minnesstöd för den framväxande Unix-arbetsstationsmarknaden .
020-konceptet dyker upp
Eftersom detta arbete pågick, sökte Motorola sina kunder efter deras önskemål om framtida utveckling inom linjen. Dessa pekade alla på en helt 32-bitars implementering. De som använder 68k i Unix-system sa också att de skulle köpa en flyttalsenhet för var och en av maskinerna om en sådan fanns tillgänglig.
Den ursprungliga 68000 hade designats som ett hybrid 16/32-bitarssystem till stor del eftersom det maximala antalet stift tillgängliga på dubbla inline-paket (DIPs) var 64, och även i den storleken var paketering av denna storlek mycket problematisk. Genom att minska antalet adressstift till 24, och datastiften till endast 16, fanns det tillräckligt med lediga stift för att implementera alla andra nödvändiga linjer, som avbrott och strömförsörjning. 24-stifts adressbussen innebar att minnet bara kunde vara 16 MB totalt, vilket vid det här laget höll på att bli en begränsning. 16-bitars databussen innebar att läsa ett 32-bitars ord från det minnet krävde två klockcykler.
En design som hade 32 stift för både adress- och databussarna skulle komma åt data dubbelt så snabbt, vilket gör maskinen så mycket snabbare även utan andra ändringar. Att flytta till 32-bitars adressering skulle också göra implementeringen av virtuellt minne enklare och möjliggöra mer än 16 MB direktminne . Men att göra det skulle också kräva ett mycket högre totalt antal stift. I början av 1980-talet ledde liknande begränsningar för alla moderna CPU-designer till introduktionen av pingrid-arrayen som ersatte DIP. För det nya projektet valde Motorola en 169-stifts layout, vilket ger dem gott om utrymme att arbeta med. Designen använde till slut bara 114 av dem.
En stor debatt bröt ut om hur man hänvisar till den underliggande designen av det nya chippet i marknadsföringsmaterial. Tekniskt sett gick 020 från den sedan länge etablerade NMOS- logikdesignen till en CMOS- layout, som kräver två transistorer per gate. Allmän kunskap om eran antydde att CMOS kostade fyra gånger så mycket som NMOS, och det fanns en betydande del av marknaden som trodde att "CMOS är lika med dåligt."
Lansering, tillverkningsproblem
Designen färdigställdes sommaren 1983 och tillkännagavs i juni 1984. Detta "superchip" var betydande nyheter vid den tiden, med New York Times som gjorde det till en huvudartikel i deras affärsavdelning. Lanseringspriset noterades till $487 styck, ungefär samma som 68000 när den lanserades 1980, men 68000 var nu tillgänglig för cirka $15. Det var dock underförstått att det skulle dröja innan datorer som använder det nya chippet skulle vara tillgängliga, eftersom befintliga konstruktioner skulle behöva modifieras kraftigt för att dra fördel av dess prestanda.
Beskedet ledde till att Motorolas kunder ropade efter leverans. Vid denna tidpunkt blev allvarliga försörjningsproblem uppenbara. Designen hade lagts ut för att byggas i samma MOS-8-fabrik som 68000, även om flera nya utrustningar introducerades för att stödja den. Vid tidpunkten för den offentliga releasen var avkastningen för det nya chippet noll. Det vill säga, för varje wafer som skickas genom flerstegsprocessen, skulle noll arbetande chips produceras.
Gary Johnson drog slutsatsen att problemet var golvchefen för MOS-8, Tom Felesi, och bestämde sig för att ersätta honom med Bill Walker, som vid den tiden drev den äldre MOS-2-fabriken. Walker anlände till fabriken den 5 juli 1985 och upptäckte att Johnson inte hade brytt sig om att berätta för Felesi om förändringen, och argument följde. Johnson berättade så småningom för Felesi att detta verkligen hände. Walker besökte sedan anläggningen och fann att den hade förvandlats till vad som i huvudsak var ett forsknings- och utvecklingslaboratorium , inte en produktionslinje, med många maskiner i användning ingen annanstans.
En viktig fråga var en ny utrustning från en ny leverantör, Genius, som producerade silicid . Maskinen fungerade helt enkelt inte. Walker flög till Kalifornien för att träffa Genius VD, som inte erbjöd något annat än ursäkter. Walker slog så småningom ner sin hand på skrivbordet, bröt sitt klockband och sa "Inga fler ursäkter! Jag vill att den här saken ska fixas nu, idag!" Genius tog efterfrågan på allvar och fixade maskinen. VD:n skickade senare Walker ett nytt klockband för att fira händelsen.
Under tiden införde Walker en ny policy vid MOS-8 för att förbättra själva anläggningen. Han kallade normalt till möten kl. 06.30. Om det inte gick bra skulle han flytta upp det till 5:30 och till och med 4:30. Detta gav ett starkt incitament för att få igång anläggningen. Produktionsproblemen åtgärdades snart och volymleveranserna började sent samma år. Vid det här laget hade deras arbetsstationskunder redan utvecklat kompletta system redo att använda 020 och den nya flyttalsenheten, Motorola 68881 . System fanns på marknaden bara fem eller sex månader efter att 020 hade tillkännagivits.
Ersättning
Design av 020-talets uppföljning började nästan omedelbart. Som en del av deras pågående arbete med Hitachi kom Motorolas tillverkningssystem äntligen ikapp konkurrenterna, liksom deras interna designarbetsflöde. Detta gav dem betydligt mer utrymme att arbeta med, vilket möjliggjorde tillägg av större processorcacher , en inbyggd minneshanteringsenhet (MMU) och andra funktioner. Motorola 68030 tillkännagavs i september 1986, med leveranser att börja nästa sommar. På grund av förändringarna i produktionslinjerna skulle nya 030 ha ett lägre lanseringspris än 020.
Det fanns betydande skillnader mellan 68000 och 020, särskilt på grund av 32-bitars minnesgränssnittet. Detta krävde att datordesigner som använde den skilde sig avsevärt från tidigare modeller. Däremot var det få förändringar mellan 020 och 030, varav den senare kunde användas som en drop-in ersättare i många roller. Av denna anledning dök mönster med 030 upp mycket snabbare efter lanseringen än 020. Den första Macintosh med 020 var Macintosh II , som släpptes i mars 1987, två år efter att 020 hade blivit allmänt tillgänglig. med initiala leveranser med låg volym som börjar två månader senare. Bara arton månader senare Macintosh IIx den med 030. Även om den körde på samma 16 MHz klockhastighet, erbjöd IIx 3,9 MIPS jämfört med II:s 2,6.
Beskrivning
68020 har 32-bitars interna och externa data- och adressbussar, jämfört med de tidiga 680x0-modellerna med 16-bitars data och 24-bitars adressbussar. 68020:s ALU är också naturligt 32-bitars, så kan utföra 32-bitars operationer i en klockcykel, medan 68000 tog minst två klockcykler på grund av dess 16-bitars ALU. Nyare förpackningsmetoder gjorde att '020 kunde ha fler externa stift utan den stora storleken som den tidigare dubbla in-line-paketmetoden krävde. 68EC020 sänkte kostnaden genom en 24-bitars adressbuss. 68020 tillverkades i hastigheter från 12 MHz till 33 MHz.
Förbättringar jämfört med 68010
68020 har en 32-bitars aritmetisk logikenhet (ALU), 32-bitars externa data- och adressbussar. Den lägger till extra instruktioner och ytterligare adresseringslägen. 68020 (och 68030) har en ordentlig trestegspipeline. Även om 68010 hade ett "loop-läge", som snabbade loopar genom vad som faktiskt var en liten instruktionscache, innehöll den bara två korta instruktioner och användes därför lite. 68020 ersatte detta med en korrekt instruktionscache på 256 byte, den första processorn i 68k-serien som har ett riktigt on-chip-cacheminne.
De tidigare 68000- och 68010-processorerna kunde bara komma åt ord (16-bitars) och långa ord (32-bitars) data i minnet om de var ordjusterade (placerade på en jämn adress). 68020 har inga anpassningsbegränsningar för dataåtkomst. Naturligtvis är ojusterade åtkomster långsammare än justerade åtkomster eftersom de krävde extra minnesåtkomst.
68020 har en liten 256-byte direktmappad instruktionscache, arrangerad som 64 fyra-byte-poster. Även om den var liten, gjorde den ändå en betydande skillnad i prestanda för många applikationer. Den resulterande minskningen av busstrafiken var särskilt viktig i system som är starkt beroende av DMA .
Stöd för samprocessor
68020 har ett samprocessorgränssnitt som stöder upp till åtta samprocessorer. Huvudprocessorn mest signifikanta opkodbitarna alla en), och använder speciella busscykler för att interagera med en samprocessor för att exekvera dessa instruktioner. Två typer av samprocessorer definierades: flyttalsenheter ( MC68881 eller MC68882 FPUs ) och den sökta minneshanteringsenheten ( MC68851 PMMU). Endast en PMMU kan användas med en CPU. I princip kunde flera FPU:er användas med en CPU, men det var inte vanligt. Samprocessorgränssnittet är asynkront, så det är möjligt att köra samprocessorerna med en annan klockfrekvens än CPU:n.
Multiprocessing funktioner
Stöd för multiprocessing implementeras externt genom att använda en RMC-stift för att indikera en odelbar läs-modifiera-skrivcykel på gång. Alla andra processorer måste vänta med minnesåtkomst tills cykeln är klar. Programvarustöd för multiprocessing inkluderar instruktionerna TAS , CAS och CAS2 .
I ett multiprocessorsystem kunde samprocessorer inte delas mellan processorer. För att undvika problem med returer från samprocessor, bussfel och adressfelundantag var det i allmänhet nödvändigt i ett multiprocessorsystem att alla CPU:er var samma modell och att alla FPU:er också skulle vara samma modell.
Instruktionsuppsättning
De nya instruktionerna inkluderar några mindre förbättringar och tillägg av supervisor-tillståndet, flera instruktioner för mjukvaruhantering av ett multiprocessing-system (som togs bort i 68060), visst stöd för högnivåspråk som inte användes mycket (och togs bort från framtida 680x0-processorer), större multiplikation (32×32→64 bitar) och divider (64÷32→32 bitars kvot och 32 bitars återstående) instruktioner och bitfältsmanipulationer.
De nya adresseringslägena lägger till skalad indexering och ytterligare en nivå av inriktning till många av de redan existerande lägena.
Arkitektur
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Med hela 32-bitars interna och externa adressbussar kunde adressregistren (A0 till A7) utnyttja sin fulla 32-bitars bredd och kunde adressera hela 4 GB adressutrymme.
De större effektiva bredderna på adressregistren gav ett problem för tidigare programvara som inte ansågs vara " 32-bitars ren" . Vissa program använde de höga 8 bitarna (bitarna 24-31) av adresser för att innehålla olika flaggbitar, med förutsättningen att de tidigare 680x0 CPU:erna säkert skulle ignorera dessa höga bitar. Sådan programvara var tvungen att skrivas om för att anpassa sig till det större fysiska adressutrymmet som är tillgängligt för 68020 och senare processorer.
Användande
68020 användes i Apple Macintosh II och Macintosh LC persondatorer , Sun-3 arbetsstationer, Amiga 1200 (68EC020 variant), Hewlett-Packard 8711 Series Network Analyzers, HP 9000/320 , HP 9000/330, Apollo Computers DN3000 och DN4000 arbetsstationer och Alpha Microsystems AM-2000. 68020 var en alternativ uppgradering till Sinclair QL :s 68008 i Super Gold Card-gränssnittet från Miracle Systems .
Amiga 2500 och A2500UX levereras som tillval med A2620-acceleratorn med en 68020, 68881 FPU och 68851 MMU. 2500UX levereras med Amiga Unix och kräver en '020- eller '030-processor.
Ett antal digitala oscilloskop från mitten av 80-talet till slutet av 90-talet använde 68020, inklusive LeCroy 9300-serien (högre modeller inklusive "C"-suffixmodeller använde den kraftfullare 68EC030 ; 9300-modellerna med en 68020-processor kan uppgraderas till 68EC030 med ett byte av CPU-kortet) och den tidigare LeCroy 9400-serien (alla modeller exklusive 9400/9400A som använde 68000 ), tillsammans med vissa modeller i Tektronix TDS-serien. HP 54520, 54522, 54540 och 54542 använder också 68020, tillsammans med en 68882 FPU.
Det är också processorn som används på TGV -tåg för att avkoda signalinformation som skickas till tågen genom rälsen. Den används i flygkontroll- och radarsystemen i stridsflygplanet Eurofighter Typhoon .
Nortel Networks DMS-100 telefoncentralsväxel använde också 68020 som den första mikroprocessorn i SuperNode-beräkningskärnan.
Variant
68EC020 är en billigare version av Motorola 68020. Den största skillnaden är att 68EC020 bara har en 24-bitars adressbuss, snarare än 32-bitars adressbuss för hela 68020, och därför bara kan adressera 16 MB av minnet.
Amiga 1200- datorn och Amiga CD32- spelkonsolen använder den kostnadsreducerade 68EC020; Namco System 22 , Taito F3 och Konami GX arkadkort använde också denna processor. Atari - prototypen innehöll denna för att ersätta 68000 från den ursprungliga Atari Jaguar -konsolen.
Det hittade också användning i laserskrivare. Apple använde det i LaserWriter IIɴᴛx. Kodak använde den i Ektaplus 7016PS och Dataproducts använde den i LZR 1260.
Under 2014 återupprättade Rochester Electronics tillverkningskapaciteten för 68020-mikroprocessorn och den är fortfarande tillgänglig idag.
Teknisk data
| Formellt namn | MC68020 |
| CPU klockfrekvens | 12,5, 16,67, 20, 25, 33 MHz (minst 8 MHz, ingen klockgenerering på chipet) |
| Spänningsförsörjning | 5 V |
| Maximal kraft | 1,75 W |
| Produktionsprocess | HCMOS, 3/8" silikonbit |
| Chipbärare | PGA 169 (114 stift används) 34,16 mm × 34,16 mm (53 °C/W utan kylfläns) |
| Adressbuss |
32-bitars (4 GB direkt linjär adresserbar) [68EC020] 24-bitars (16 MB adresserbar) |
| Databuss | 32-bitars |
| Instruktionsuppsättning | 101 CISC instruktioner |
| Cache | 256 byte instruktionscache |
| Registrera |
|
| Filialhantering | Grenförutsägelse:
|
| Transistorer | ~200 000 |
| Prestanda | 10 MIPS @ 33 MHz |
Bibliografi
- "Oral History Panel on the Development and Marketing of the Motorola 68000" (PDF) (Intervju). Intervjuad av Dave House. 23 juli 2007.
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
