Motorola 68020

XC68020, un prototipo del 68020

El Motorola 68020 ("sesenta y ocho-cero-veinte", "sesenta-ocho-cero- dos-oh" o "seis-ocho-oh-dos-oh") es un microprocesador de 32 bits de Motorola, lanzado en 1984. También se puso a disposición una versión de menor costo, conocida como 68EC020. De acuerdo con las prácticas de nomenclatura comunes a los diseños de Motorola, el 68020 generalmente se conoce como "020", pronunciado "oh-two-oh" o "oh-veinte".

El 020 estuvo en el mercado por un tiempo relativamente corto. El Motorola 68030 se anunció en septiembre de 1986 y comenzó a distribuirse en el verano de 1987. Con un precio similar al del 020 de la época, el 030 era significativamente más rápido y se reemplazó rápidamente en el 020 en casi todos los usos.

Historia

68000 y 68010

Cuando se diseñó el Motorola 68000, los servicios de diseño y fabricación de Motorola estaban obsoletos. Aunque incluso pequeñas empresas como MOS Technologies y Zilog habían pasado a la lógica NMOS del modo de agotamiento de la puerta de silicio en obleas cada vez más grandes, Motorola todavía usaba puertas metálicas y el modo de mejora y su fábrica más grande trabajaba en obleas de 4 pulgadas mucho después de que la mayoría de las líneas se hubieran mudado. a 5 pulgadas. Aunque la 68000 cumplió con el objetivo de ser la CPU más rápida disponible cuando se introdujo, no era tan poderosa como podría ser si hubiera sido diseñada con técnicas más modernas.

Durante el período del diseño del 68000, la empresa estuvo trabajando con Hitachi en su tecnología de proceso y, como parte de esto, abrieron una nueva fábrica, MOS-8, utilizando obleas de 5 pulgadas y el proceso HMOS más reciente con licencia de Intel. Esta línea era capaz de construir todas las nuevas técnicas, pero la 68000 siguió adelante con el diseño anterior porque estaban seguros de que funcionaría. Pasar a nuevas técnicas de diseño esperaría hasta que el diseño estuviera en el mercado. La conversión a las nuevas técnicas de diseño tuvo lugar durante el esfuerzo de Motorola 68010, una actualización relativamente menor del diseño original que agregó soporte básico de memoria virtual para el mercado emergente de estaciones de trabajo Unix.

Surge el concepto 020

Mientras continuaba este esfuerzo, Motorola preguntaba a sus clientes sus deseos sobre desarrollos futuros en la línea. Todo esto apuntaba a una implementación completa de 32 bits. Aquellos que usan el 68k en los sistemas Unix también declararon que comprarían una unidad de punto flotante para cada una de las máquinas si hubiera una disponible.

El 68000 original había sido diseñado como un sistema híbrido de 16/32 bits en gran parte porque la cantidad máxima de pines disponibles en paquetes duales en línea (DIP) era 64, e incluso con ese tamaño, el paquete de este tamaño era muy problemático. Al reducir la cantidad de pines de dirección a 24 y los pines de datos a solo 16, hubo suficientes pines libres para implementar todas las demás líneas necesarias, como interrupciones y fuentes de alimentación. El bus de direcciones de 24 pines significaba que la memoria solo podía tener 16 MB en total, lo que en este momento se estaba convirtiendo en una limitación. El bus de datos de 16 bits significaba que leer una palabra de 32 bits de esa memoria requería dos ciclos de reloj.

Un diseño que tuviera 32 pines tanto para la dirección como para los buses de datos accedería a los datos el doble de rápido, lo que haría que la máquina fuera mucho más rápida incluso sin otros cambios. Pasar al direccionamiento de 32 bits también facilitaría la implementación de la memoria virtual y permitiría más de 16 MB de memoria de acceso aleatorio. Pero hacerlo también exigiría un recuento total de pines mucho más alto. A principios de la década de 1980, limitaciones similares en todos los diseños de CPU modernos llevaron a la introducción de la matriz de cuadrícula de pines que reemplazó al DIP. Para el nuevo proyecto, Motorola seleccionó un diseño de 169 pines, lo que les dio mucho espacio para trabajar. El diseño finalmente usó solo 114 de ellos.

Estalló un gran debate sobre cómo referirse al diseño subyacente del nuevo chip en los materiales de marketing. Técnicamente, el 020 estaba pasando del diseño lógico NMOS establecido desde hace mucho tiempo a un diseño CMOS, que requiere dos transistores por puerta. El conocimiento común de la era sugería que CMOS costaba cuatro veces más que NMOS, y había una cantidad significativa del mercado que creía que 'CMOS es igual a malo'.

Lanzamiento, problemas de fabricación

El diseño se completó en el verano de 1983 y se anunció en junio de 1984. Este "superchip" fue una noticia importante en ese momento, y el New York Times la convirtió en una historia principal en su sección de negocios. El precio de lanzamiento se cotizó en $487 cada uno, casi lo mismo que el 68000 cuando se lanzó en 1980, pero el 68000 ahora estaba disponible por alrededor de $15. Sin embargo, se entendió que pasaría algún tiempo antes de que las computadoras que usaran el nuevo chip estuvieran disponibles, ya que los diseños existentes tendrían que modificarse mucho para aprovechar su rendimiento.

El anuncio hizo que los clientes de Motorola clamaran por el suministro. En este punto, se hicieron evidentes serios problemas de abastecimiento. El diseño se había diseñado para ser construido en la misma fábrica MOS-8 que el 68000, aunque se introdujeron varios equipos nuevos para respaldarlo. En el momento del lanzamiento público, el rendimiento del nuevo chip era cero. Es decir, por cada oblea enviada a través del proceso de múltiples pasos, se producirían cero chips de trabajo.

Gary Johnson concluyó que el problema era el gerente de piso de MOS-8, Tom Felesi, y decidió reemplazarlo con Bill Walker, quien en ese momento dirigía la antigua fábrica de MOS-2. Walker llegó a la planta el 5 de julio de 1985 y descubrió que Johnson no se había molestado en informarle a Felesi sobre el cambio, y siguieron los argumentos. Johnson finalmente le dijo a Felesi que esto estaba sucediendo. Walker luego recorrió la planta y descubrió que se había convertido en lo que era esencialmente un laboratorio de investigación y desarrollo, no una línea de producción, con numerosas piezas de maquinaria en uso en ningún otro lugar.

Un problema importante fue un nuevo equipo de un nuevo proveedor, Genius, que producía siliciuro. La máquina simplemente no funcionó. Walker voló a California para reunirse con el director ejecutivo de Genius, quien no ofreció más que excusas. Walker finalmente golpeó su mano contra el escritorio, rompiendo la correa de su reloj, y dijo '¡No más excusas! ¡Quiero que esto se arregle ahora, hoy!" Genius tomó la demanda en serio y arregló la máquina. Más tarde, el director general le envió a Walker una nueva correa de reloj para conmemorar el evento.

Mientras tanto, Walker instituyó una nueva política en MOS-8 para mejorar la planta misma. Normalmente convocaba reuniones a las 6:30 a.m. Si las cosas no iban bien, lo adelantaba a las 5:30, e incluso a las 4:30. Esto proporcionó un fuerte incentivo para poner en marcha la planta. Los problemas de producción pronto se solucionaron y las entregas en volumen comenzaron a fines de ese año. En este punto, sus clientes de estaciones de trabajo ya habían desarrollado sistemas completos listos para usar el 020 y la nueva unidad de punto flotante, el Motorola 68881. Los sistemas estaban en el mercado solo cinco o seis meses después de que se anunciara el 020.

Reemplazo

El diseño de la continuación del 020 comenzó casi de inmediato. Como parte de su trabajo continuo con Hitachi, el sistema de fabricación de Motorola finalmente estaba alcanzando a la competencia, al igual que su flujo de trabajo de diseño interno. Esto les dio mucho más espacio para trabajar, lo que permitió agregar cachés de procesador más grandes, una unidad de administración de memoria (MMU) incorporada y otras características. El Motorola 68030 se anunció en septiembre de 1986 y las entregas comenzarán el próximo verano. Debido a los cambios en las líneas de producción, el nuevo 030 tendría un precio de lanzamiento más bajo que el 020.

Hubo diferencias significativas entre el 68000 y el 020, especialmente debido a la interfaz de memoria de 32 bits. Esto requirió que los diseños de computadora que lo usaran fueran considerablemente diferentes de los modelos anteriores. Por el contrario, hubo pocos cambios entre el 020 y el 030, el último de los cuales podría usarse como un reemplazo directo en muchos roles. Por esta razón, los diseños que usaban el 030 aparecieron mucho más rápido después de su lanzamiento que el 020. El primer Macintosh con el 020 fue el Macintosh II, lanzado en marzo de 1987, dos años después de que el 020 estuviera ampliamente disponible. con envíos iniciales de bajo volumen a partir de dos meses después. Solo dieciocho meses después, Macintosh IIx lo reemplazó con el 030. Aunque funcionaba a la misma velocidad de reloj de 16 MHz, el IIx ofrecía 3,9 MIPS en comparación con los 2,6 MIPS del II.

Descripción

Motorola 68020

El 68020 tiene buses de datos y direcciones internos y externos de 32 bits, en comparación con los primeros modelos 680x0 con buses de datos de 16 bits y de direcciones de 24 bits. La ALU del 68020 también es nativa de 32 bits, por lo que puede realizar operaciones de 32 bits en un ciclo de reloj, mientras que la 68000 tomó un mínimo de dos ciclos de reloj debido a su ALU de 16 bits. Los métodos de empaque más nuevos permitieron que el '020 presentara más pines externos sin el gran tamaño que requería el método anterior de empaque dual en línea. El 68EC020 redujo el costo a través de un bus de direcciones de 24 bits. El 68020 se fabricó a velocidades que van desde los 12 MHz hasta los 33 MHz.

Motorola 68020 disparo de muerte

vista inferior de un Motorola XC68020

Mejoras sobre el 68010

El 68020 tiene una unidad lógica aritmética (ALU) de 32 bits, datos externos de 32 bits y buses de direcciones. Agrega instrucciones adicionales y modos de direccionamiento adicionales. El 68020 (y el 68030) tiene una canalización adecuada de tres etapas. Aunque el 68010 tenía un 'modo de bucle', que aceleraba los bucles a través de lo que efectivamente era un pequeño caché de instrucciones, contenía solo dos instrucciones cortas y, por lo tanto, se usaba poco. El 68020 reemplazó esto con un caché de instrucciones adecuado de 256 bytes, el primer procesador de la serie 68k que presenta una verdadera memoria caché en chip.

Los procesadores 68000 y 68010 anteriores solo podían acceder a datos de palabras (16 bits) y palabras largas (32 bits) en la memoria si estaban alineados con las palabras (ubicados en una dirección par). El 68020 no tiene restricciones de alineación en el acceso a datos. Naturalmente, los accesos no alineados son más lentos que los accesos alineados porque requieren un acceso de memoria adicional.

El 68020 tiene una pequeña memoria caché de instrucciones de asignación directa de 256 bytes, organizada como 64 entradas de cuatro bytes. Aunque pequeño, marcó una diferencia significativa en el rendimiento de muchas aplicaciones. La disminución resultante en el tráfico de autobuses fue particularmente importante en los sistemas que dependen en gran medida de DMA.

Compatibilidad con coprocesador

El 68020 tiene una interfaz de coprocesador que admite hasta ocho coprocesadores. La CPU principal reconoce "F-line" instrucciones (con los cuatro bits de código de operación más significativos, todos uno), y utiliza ciclos de bus especiales para interactuar con un coprocesador para ejecutar estas instrucciones. Se definieron dos tipos de coprocesadores: unidades de coma flotante (FPU MC68881 o MC68882) y la unidad de gestión de memoria paginada (MC68851 PMMU). Solo se puede usar una PMMU con una CPU. En principio, se podrían usar múltiples FPU con una CPU, pero no se hacía comúnmente. La interfaz del coprocesador es asíncrona, por lo que es posible ejecutar los coprocesadores a una frecuencia de reloj diferente a la de la CPU.

Características de multiprocesamiento

La compatibilidad con multiprocesamiento se implementa externamente mediante el uso de un pin RMC para indicar un ciclo indivisible de lectura, modificación y escritura en curso. Todos los demás procesadores tienen que retener los accesos a la memoria hasta que se complete el ciclo. El soporte de software para multiprocesamiento incluye las instrucciones TAS, CAS y CAS2.

En un sistema multiprocesador, los coprocesadores no se pueden compartir entre las CPU. Para evitar problemas con las devoluciones del coprocesador, error de bus y excepciones de error de dirección, generalmente era necesario en un sistema multiprocesador que todas las CPU fueran del mismo modelo y que todas las FPU también fueran del mismo modelo.

Conjunto de instrucciones

Las nuevas instrucciones incluyen algunas mejoras menores y extensiones al estado de supervisor, varias instrucciones para la gestión de software de un sistema de multiprocesamiento (que se eliminaron en el 68060), cierto soporte para lenguajes de alto nivel que no se usaba mucho (y se eliminó de los futuros procesadores 680x0), instrucciones de multiplicación (32 × 32 → 64 bits) y división (cociente de 64 ÷ 32 → 32 bits y resto de 32 bits) más grandes y manipulaciones de campo de bits.

Los nuevos modos de direccionamiento agregan indexación escalada y otro nivel de direccionamiento indirecto a muchos de los modos preexistentes.

Arquitectura

Con buses de direcciones internos y externos completos de 32 bits, los registros de direcciones (A0 a A7) podían utilizar su ancho completo de 32 bits y eran capaces de abordar todo el espacio de direcciones de 4 GB.

Los anchos efectivos más grandes de los registros de direcciones presentaban algún problema para el software anterior que no se consideraba "limpio de 32 bits". Algunos programas usaban los 8 bits altos (bits 24-31) de las direcciones para contener varios bits de marca, con el entendimiento de que las CPU 680x0 anteriores ignorarían estos bits altos de forma segura. Dicho software tuvo que ser reescrito para ajustarse al mayor espacio de direcciones físicas disponible para las CPU 68020 y posteriores.

Uso

El 68020 se usó en las computadoras personales Apple Macintosh II y Macintosh LC, estaciones de trabajo Sun-3, Amiga 1200 (variante 68EC020), los analizadores de red de la serie Hewlett-Packard 8711, HP 9000/320, HP 9000/330, Apollo Estaciones de trabajo DN3000 y DN4000 de Computer, y Alpha Microsystems AM-2000. El 68020 fue una actualización alternativa al Sinclair QL's 68008 en la interfaz Super Gold Card de Miracle Systems.

El Amiga 2500 y A2500UX se envían opcionalmente con el acelerador A2620 usando una FPU 68020, 68881 y MMU 68851. El 2500UX se envió con Amiga Unix y requirió un procesador '020 o '030.

Varios osciloscopios digitales desde mediados de los 80 hasta finales de los 90 usaron el 68020, incluida la serie LeCroy 9300 (los modelos de gama alta, incluidos los modelos con el sufijo "C", usaron el 68EC030 más potente; el 9300 los modelos con un procesador 68020 se pueden actualizar al 68EC030 con un cambio de la placa de la CPU) y la serie LeCroy 9400 anterior (todos los modelos excepto el 9400/9400A que usaba el 68000), junto con ciertos modelos de la serie Tektronix TDS. Los HP 54520, 54522, 54540 y 54542 también usan el 68020, junto con una FPU 68882.

También es el procesador utilizado en los trenes TGV para decodificar la información de señalización enviada a los trenes a través de los rieles. Se utiliza en los sistemas de radar y control de vuelo del avión de combate Eurofighter Typhoon.

El conmutador de la oficina central telefónica DMS-100 de Nortel Networks también usó el 68020 como el primer microprocesador del núcleo de computación SuperNode.

Variante

Motorola MC68EC020

MC68EC020 en 20mm × 14mm paquete QFP

El 68EC020 es una versión de menor costo del Motorola 68020. La principal diferencia es que el 68EC020 solo tiene un bus de direcciones de 24 bits, en lugar del bus de direcciones de 32 bits del 68020 completo. y, por lo tanto, solo puede ocuparse de 16 MB de memoria.

La computadora Amiga 1200 y la consola de juegos Amiga CD32 usan el 68EC020 de costo reducido; las placas arcade Namco System 22, Taito F3 y Konami GX también utilizaron este procesador. El prototipo Atari Jaguar II presentó esto para reemplazar el 68000 de la consola Atari Jaguar original.

También encontró uso en impresoras láser. Apple lo usó en LaserWriter IIɴᴛx. Kodak lo usó en la Ektaplus 7016PS y Dataproducts lo usó en la LZR 1260.

En 2014, Rochester Electronics restableció la capacidad de fabricación del microprocesador 68020 y todavía está disponible en la actualidad.

Datos técnicos