Motorola 68000 processzorcsalád

• Első generáció (belsőleg 16/32 bites, 8, 16 és 32 bites interfészekkel szerelve)
  • Motorola 68000
  • Motorola 68EC000
  • Motorola 68HC000
  • Motorola 68008
  • Motorola 68010
  • Motorola 68012
• Második generáció (teljesen 32 bites)
  • Motorola 68020
  • Motorola 68EC020
  • Motorola 68030
  • Motorola 68EC030
• Harmadik generáció (utasítás-futószalaggal)
  • Motorola 68040
  • Motorola 68EC040
  • Motorola 68LC040
• Negyedik generáció (szuperskalár)
  • Motorola 68060
  • Motorola 68EC060
  • Motorola 68LC060
• Egyebek
  • Freescale 683XX (CPU32 másként 68330, 68360 ill. QUICC)
  • Freescale ColdFire
  • Freescale DragonBall

1979-ben jelent meg, az m68k sorozat első tagja. Eredetileg HMOS technológiával készült. „16/32 bitesként” emlegetik: belsőleg 32 bites, külső adatbusza 16 bites, címbusza 24 bites, 1979-től 1982-ig 4, 6, 8, 10, 12,5 és 16,67 MHz órajelű változatai készültek. Jellemzői:

• 8 32 bites adatregiszter, 9 32 bites címregiszter, 32 bites programszámláló, 16 bites állapotregiszter.
• 2 privilegizációs szint (felhasználói és szupervizor mód)
• 7 szintű megszakítási rendszer
• 256 megszakítási vektor, kivételkezelés, csapda (trap) utasítások
• I/O portok: nincsenek

1982-ben jelent meg; az eredeti 68000-es változata, azzal teljesen tárgykód-kompatibilis, de lábkiosztása más (nem pin-kompatibilis). 32 bites processzor, 8 bites külső adatbusszal, címbusza 20 vagy 22 bites az egyes változatokban.^[1] Mivel az adatbusz fele olyan széles, mint a 68000-ben, az utasításlehívás több ciklust igényelt, ezért ez a processzor azonos órajelen lassabb volt, mint a 68000. A 8 bites Sinclair QL mikrogépben használták.

• max. órajel: 16,67 MHz
• max. memória: 4 MiB RAM
• I/O portok: nincsenek

1982-ben jelent meg,^[2] 32 bites CPU, 16 bites adatbusszal. A 68000 javított változata, azzal lábkompatibilis. A magot és a mikrokódot optimalizálták, azonos órajelen 10-20%-kal gyorsabb a 68000-nál. Felkészítették a virtuális memória kezelésére is, a "MOVE from SR" utasítás privilegizált lett, új utasításokat is kapott, így nem 100%-ban tárgykód-kompatibilis az eredeti 68000-rel.^[3]

• Max. órajel: 16 MHz
• Virtuális memória támogatás (újraindítható utasítások).
• 'ciklikus mód' (loop mode) a gyorsabb string és memória könyvtári primitíveknek.
• Új Vector Base Register (VBR): a megszakítási vektor táblázat bárhol lehet a memóriában.
• Új blokk-adatmozgató utasítás: MOVES + SFC, DFC regiszterek.

A Motorola 68012 (MC68012) egy 68010-kompatibilis processzor, 31 bitesre kiterjesztett címbusszal, virtuálismemória- és multiprocesszoros támogatással. 1982 és 1984 között jelent meg.^[4] A 68010 és a 68020 között áll.

• 31 bites címbusz, közvetlenül címezhető memóriaterület: 2 GiB
• RMC buszvezérlő vezérlő kimenet a virtuális memória és multiprocesszoros működés támogatásához
• Órajel: 8 - 12,5 MHz között.

1984-ben jelent meg,^[5] a processzorcsalád második generációjának első tagja. Kompatibilis a család korábbi tagjaival. Címbuszát 32 bitesre bővítették, így 4 GiB memóriát címezhetett. Az adatbusza is 32 bites, de képes 8 és 16 bites adatbuszt használó módban is működni. Új utasításokkal és címzési módokkal bővítették. Megjelent benne a Motorola 68881 és 68882 matematikai koprocesszorok és a MC68851 PMMU (lapozó memóriakezelő) hardveres támogatása, a multiprocesszoros támogatás, a magba futószalag és utasítás-cache került. Multiprocesszoros konfigurációban összesen 8 db egység csatlakozhat a buszra, ezek közül bármelyik lehet FPU vagy CPU, de csak egyetlen MMU lehet; a processzorok a rendszerben aszinkron módon működnek.

• 32 bites címbusz és ALU.
• 3 fokozatú futószalag.
• 256 byte-os utasítás-gyorsítótár.
• Korlátozás nélküli szó és hosszúszó adathozzáférés (nem kell adatstruktúra-igazítás).
• 8-szoros multiprocesszálás lehetőség.
• Szélesebb szorzó (32×32 → 64 bit) és osztó (64÷32 → 32 bites hányados és 32 bites maradék) és bitmezőkezelő utasítások
• Új címzési módok: skálázott indexelt, újabb indirekt memóriacímzés, nagyobb eltolások.
• Az olcsóbb 'EC' jelű (pl. MC68EC020) chipek 24 bites címbusszal rendelkeztek.^[6]

1987-ben jelent meg, a második generációs 68020 felújított változata. Újítások: belső 256 bájtos utasítás-cache és 256 bájtos adat-cache; chipre integrált MMU; 68881 és a gyorsabb 68882 használható külső matematikai koprocesszorként.

• Elválasztott utasítás- és adat-cache, mindkettő 256 byte-os.
• Chipre integrált MMU (68851).
• Az olcsóbb 'EC' jelű chipekben nincs MMU.

1989-ben jelent meg a Motorola 68040, a harmadik generáció indító tagja. Chipre integrált MMU-t és beépített FPU-t is tartalmazott. Az adat- és az utasításcache méretét 4 KiB-ra növelték, 6 fokozatú futószalag került bele. A beépített FPU nem teljes értékű, bizonyos utasítások hiányoznak belőle, ezeket szoftveresen emulálják (operációs rendszerbe integrált integrált FPSP csomag). A 68040 ugyan jelentősen gyorsabb volt riválisánál, az Intel 486-nál, azonban melegedési problémákkal küzdött, ezért órajelét 40 MHz-en maximálták.

• Az adat- és az utasításcache mérete egyaránt 4 KiB.
• 6 fokozatú futószalag (pipeline).
• Az FPU-ból hiányoznak az IEEE transzcendens függvények lehetőségei.
• Az FPU emuláció a 2E71M és későbbi chip-revíziókban működik.
• Olcsó LC jelű chipek (68LC040): nincs beépített FPU.
• Olcsó EC jelű chipek (68EC040): nincs beépített FPU és MMU.

1994-ben jelent meg a Motorola 68060 (MC68060) processzor, amit a 68040 utódjaként mutattak be. Ez volt a m68k család utolsó tagja. Sok hasonlóságot mutat az Intel Pentium / P5 mikroarchitektúrával: mindkettő sorrendi (in-order) végrehajtású szuperskalár, kettős futószalagot tartalmazó konfiguráció, utasítás-dekóderrel (ami az utasításokat egyszerűbb részutasításokra konvertálja a végrehajtás előtt). A 68060-ban az utasítás- és adatcache méretét 8 KiB-ra növelték, fejlett elágazás-előrejelző (branch prediction) egységgel látták el, belső utasítás-végrehajtó egysége RISC típusú.^[7] A 68060 FPU nem futószalagos, részleges, a hiányzó utasításokat emulációval pótolják: ezek miatt a lebegőpontos végrehajtás 3-szoros időigényű a Pentiuméhoz képest, más téren azonban gyorsabb, optimalizált utasításainak köszönhetően. 50-től 75 MHz-ig terjedő órajelű változatai készültek.

• Adat- és az utasításcache mérete: egyaránt 8 KiB
• Órajel: 50, 60, 66, 75 MHz
• Kettős 4 fokozatú futószalag
• Kétciklusos integer szorzóegység
• Elágazás-előrejelzés (branch prediction)
• Kettős utasítás-futószalag
• Utasítások a címszámító egységben (address generation unit, AGU), az ALU előtt két ciklussal szolgáltatják az eredményt.
• Olcsó LC jelű chipek: nincs beépített FPU.
• Olcsó EC jelű chipek: nincs beépített FPU és MMU.

Nem létezett 68050 számú változat, bár volt ilyen projekt a Motorolánál. A 680x0 sorozatban a páratlan-x számú verziók mindig az előző páros-x verziókban jelentkezett hibák javítására jöttek létre, tehát várható volt, hogy a 68050-ben csökken a 68040-eshez képest az áramfelvétel és hőtermelés, javul a kivételkezelés az FPU-ban, csökken a csíkszélesség, és az utasítások mikrokódja jobb optimalizálást kap. A várakozások közül sok javítás belekerült a 68060-as processzorba, ezek a tervezési célok között szerepeltek. A 68050 tervezését megszakították, olyan okok miatt, mint pl. már tervezés alatt volt a 68060-as processzor; az Intel 80486 nem haladt olyan ütemben, ahogy azt a Motorola elképzelte; vagy akár az, hogy a 68060-as többet ígérő tervezet volt.

A fentiekhez hasonlóan nem volt a 68060-at követő revízió sem, mivel ekkor a Motorola már feladni készült a 68k és 88k processzorsorozatait az újabb PowerPC üzletág érdekében, így 68070-es sohasem készült.

A Motorola páros tízeseket használt a CPU magok főbb kiadásaihoz, így a 68000, 68020, 68040 és 68060 verziókhoz. A 68010 az előző 68000 egy javított változata volt, kisebb változtatásokkal a magban, és hasonlóan a 68030 is egy felújított 68020 volt néhány javított tulajdonsággal; egyik sem hozott jelentős változást a magban.

Létezett ugyan egy 68070 jelű processzor, a 16/32 bites 68000 egy licencelt változata; valamivel lassúbb volt, egyszerű DMA vezérlőt, I²C hostot és chipre integrált soros portot tartalmazott. A Philips CD-i fő processzoraként alkalmazták. Ezt a processzort a Philips gyártotta és nem tartozott a Motorola 680x0 sorozatába.

A negyedik generációs 68060 magán viseli az Intel Pentium P5 architektúra több jellemzőjét. A továbbfejlesztés valószínűleg egy Intel P6 mikroarchitektúrára hasonlító processzort eredményezett volna.

A 68000-es processzorsorozat letűnése után a processzorcsaládot bizonyos fokig tovább használták mikrovezérlőkben és beágyazott mikroprocesszor-verziókban. Ezek a felsorolásban az „egyebek” alatt szereplő processzorok: a CPU32, azaz a 68330, a ColdFire, a QUICC és a DragonBall. További felhasználási mód volt a mind a Motorolától, mind a Commodore-tól független gyártó által készített ún. "Amiga gyorsító" (accelerator) kártyákban történő felhasználás is, melyhez újabban a Apollo 68080 processzorokat használják előszeretettel.^[8]

A Freescale 683xx (ill. korábban Motorola 683xx) egy kompatibilis mikrokontroller család, amely a Freescale 68000-alapú magra épül. A családban két magot használnak, az egyik a 68EC000, a másik a CPU32.

A CPU32 utasításkészlete hasonlít a 68020 utasításkészletére, de hiányoznak belőle a "bit field" (BFxxx) utasítások, a CALLM, RTM, CAS, CAS2, cpxxx (koprocesszor-) és PACK, UNPK BCD utasítások; ezek helyett a processzor trap utasításokat hajt végre, lehetővé téve az emulációt.^[9] Speciális kiegészítő utasításokat is tartalmaz. A mag teljesen statikus, azaz képes változó órajelen működni, a teljes leállástól a maximális órajelig (25 vagy 33 MHz); tervezési szempontja a minimális tranzisztorszám melletti maximális teljesítmény volt. A mag mellett egyéb kiegészítő egységeket is tartalmazhat, akár hálózati interfész-processzort v. Ethernet-vezérlőt, az egylapkás rendszerekhez (SoC) hasonlóan.

 

Az 1995-ben megjelent Motorola/Freescale Semiconductor DragonBall avagy MC68328 egy 68000-alapú 32 bites mikrovezérlő, ill. minden szükséges elemet tartalmazó egychipes számítógép. Adat- és címbusza 32 bites, bár a címbuszt egyes modellekben 24 bitesre korlátozták. Kis fogyasztású beágyazott rendszerekbe és PDA-kba szánták, pl. a korai Palm PDA-k ilyen chipekre épültek, míg a Palm OS 5-től kezdve kiszorította azokat az ARM-alapú Texas és Intel processzorok támogatása. Nem támogatja a 68020+ utasítások többségét. FPU-t nem, és csak minimális képességű MMU-t tartalmaz. Korai változataiban nem volt cache, a későbbi modellekbe kisméretű utasítás- és adatcache-t is integráltak.

Az 1994-ben indult Freescale ColdFire processzorcsalád alapjait szintén a Motorola 68000 processzorcsalád ill. architektúra képezi. A ColdFire chipek beágyazott rendszerekhez készülő mikrovezérlők, tárgykód szinten nem kompatibilisek a 68000 processzorral, a gyártó szerint a ColdFire utasításkészlet „assembly forrás” szintjén kompatibilis azzal. Az eredeti m68k utasításkészlettel összehasonlítva hiányzik belőle pl. a BCD támogatás, több ritkábban használt utasítás és sok utasítás kevesebb címzési módot támogat. A lebegőpontos adatformátum 64 bites, nem pedig 80, mint a 68881/68882 koprocesszoroknál. Az utasítások 16, 32, vagy 48 bitesek lehetnek. A ColdFire architektúrája erős RISC vonásokat mutat, amit a Motorola „változó hosszúságú RISC”-nek (variable-length RISC) nevezett. A processzorok eleinte kis teljesítményűek voltak: az MCF5102 16,67 – 33 MHz órajelű processzor 20 MHz-en 22 MIPS teljesítményt produkált,^[10] ez azonban mára megváltozott, a chipek több száz MHz-es órajeleken működnek és belső szerkezetük is sokkal nagyobb teljesítményt biztosít (pl. a 4. generációtól kezdve szuperskalár felépítéssel rendelkeznek). Kiegészítők változatos készletével kaphatók, az architektúrához változatos fejlesztőeszközök érhetők el.

Az Apollo által gyártott 68080-as processzor utasításkészlete 100%-ban kompatibilis a Motorola 68000-as processzorcsalád tagjaival, ugyanakkor számos tervezésbeli hiba, hiányosság javításra került és az évek során megjelent újításokat, fejlesztéseket is tartalmazza. A processzor FPGA tokozást kapott, így ennek az architektúrának minden előnyével rendelkezik.^[11] A Motorola által gyártott utolsó 68060-as processzor alkalmazásai is gond nélkül futnak rajta. Felhasználása főként a szintén az Apollo által kifejlesztett Vampire gyorsító kártyákban történik, melyek Amiga 500/600/2000/1200 típusokhoz készülnek és pl. egy Amiga 500 esetén a meglévő 68000 processzor eltávolítása után, annak foglalatába csatlakoztathatók.^[8] Az Apollo 68080 néhány alapvető jellemzője: Utasítás-futószalag, szuperskalár, elágazásbecslés, optimalizált gyorsítótár felhasználás, beépített FPU, 64bit támogatás.^[12]

A 68000-es család felépítése nagymértékben hasonlít a PDP-11 és VAX architektúrákhoz, hasonlóságok pl. az utasításkészlet ortogonalitása és a címzési módok hasonló volta. Egy jelentős eltérés az általános célú regiszterek adat- és címregiszterekre való bontása a 68000-nél.

Az utasításkészlet ortogonalitása lehetővé teszi az utasítások és az operandusok tetszőleges kombinációját, ellentétben pl. az Intel korabeli (8080) és későbbi (x86 család) processzorainál. Ez a tulajdonság megkönnyíti az emberi programozást és egyszerűbbé teszi a kódgenerátorok írását a fordítóprogramokhoz.

A 68000-es utasításkészlet nagy általánosságban a következő csoportokra osztható:

• Adatmozgató utasítás: MOVE – univerzális adatmozgatás, minden adattípus szinte minden címzési móddal
• Veremkezelés: ezt az adatmozgató utasítások végzik (nincs pl. "push", "pop"), pl: MOVE.L D0,-(A7) / kivéve a PEA utasítást (push effective address)
• Aritmetikai utasítások: ADD, SUB, CMP, ADDX, SUBX, MULS, MULU, DIVS, DIVU, NEG, NEGX, EXT, CLR, TST
• Bitmozgató/léptető utasítások: logikai, aritmetikai léptetések, körkörös léptetés (rotáció, ROR, ROL, ROXL, ROXR), jobbra v. balra
• Logikai műveletek: AND, OR, NOT, EOR
• Típuskonverziós utasítások: byte–word oda-vissza konverzió
• Feltétlen és feltételes elágazások: BRA, BCS, BEQ, BNE, BHI, BLO, BMI, BPL stb.
• Szubrutinhívás és visszatérés: BSR, RTS
• Megszakításkezelő utasítások
• Kivételkezelés
• Nincs az x86 architektúráéhoz hasonló CPUID utasítás, amely a CPU / MMU / FPU jelenlétét és típusát mutatja.

A 68000 processzor architektúráját részletesebben tárgyalja a cikk.

Az 1980-as években és az 1990-es évek elején a 68000-est széles körben használták asztali gépekben, ekkor főleg az Intel x86-os architektúrával versengett, amely mára néhány kisebb kivételtől eltekintve (mint a Transmeta VLIW processzorai) szinte egyeduralkodóvá vált az asztali PC piacon. Az első generációs 68000 CPU-k a 16 bites 8086/8088 és 80286 processzorokkal versenyeztek. A második generáció versenytársa a 80386, az első 32 bites x86 processzor volt, a harmadik generációnak a 80486.

A negyedik generáció a Pentium sorozat P5 felépítésével versenyzett, de a negyedik generációs (68060-as) chipeket már messze nem használták olyan széles körben, mint elődeiket, mivel a korábbi 68k piac ekkorra szinte teljesen megszűnt, ahogy az Atari vagy a Next; vagy éppen újabb felépítésre váltott, ahogy a Macintosh és Amiga PowerPC platformra, a Sun SPARC, az SGI pedig MIPS platformra.

Jelenleg több tucat sikeres processzor-architektúra létezik a beágyazott rendszerek piacán. Néhány ezek közül a 68000-nél egyszerűbb, kisebb és olcsóbb mikrovezérlő, azonban bonyolultabbak is akadnak, amelyek összetett programok futtatására képesek. A beágyazott 68k alapú kontrollerek kihívói többek között a PowerPC, ARM, MIPS és SuperH architektúrákon alapuló processzorok.

A 68000 processzorcsaládot eszközök sokaságában használták, a csúcsteljesítményű Texas Instruments számológépektől (mint pl. a TI-89, TI-92, Voyage 200 típusok) kezdve a Palm Pilot sorozat Palm OS 1.x-től 4.x verziót használó gépeiig, vagy a Space Shuttle sugárzásvédett kritikus vezérlőrendszereiig bezárólag. Jelen voltak az asztali számítógépes felhasználás terén is, pl. Apple Macintosh, Commodore Amiga, Sinclair QL, Atari ST és egyéb gépekben. A 68000-es volt 1980-ban a Sun Microsystems, a NeXT és a Silicon Graphics Unix munkaállomásainak és szervereinek processzora. Létezett CP/M verzió is a 68000-hez, a CP/M-68K, ám ez szinte észrevétlen maradt.

Felhasználásra került lézernyomtatókban, mivel az Adobe PostScript-értelmezőjének első verziói 68000 alapúak voltak; használták az Apple LaserWriter nyomtatók különböző verzióiban és Linotronic fényszedőgépekben. Később az Adobe inkább a RISC processzorokat kezdte preferálni.

Napjainkban az m68k processzorokat használó gépek elértek életciklusuk végére (mint pl. az Atari), vagy más processzorokat használnak (ilyenek pl. a Macintosh, Amiga, Sun és SGI). Ezek a gépek a legnagyobb piaci részesedésüket az 1980-as években érték el, így az operációs rendszerek gyártói nem támogatják ezt a processzortípust. A Linux, NetBSD és OpenBSD rendszerek azonban továbbra is tartalmazzák a 68000 processzortámogatást.

A m68k processzorok videójáték-konzolokban is megtalálhatók, pl. a Sega Mega Drive/Sega Genesis és SNK Neo Geo konzolok CPU-jaként, vagy Sega Saturn konzolokban audio- és I/O-processzor szerepében, vagy az Atari Jaguar konzolban vegyes szerepkörben. Játéktermi játékgép-alaplapok is gyakran 68000-alapúak, pl. a Capcom, SNK és Sega gyártott ilyeneket.

A 68000-ből származtatott mikrovezérlőket használnak az autóiparban, pl. CPU32 és ColdFire mikrovezérlők milliói találhatók autókban motorvezérlőként beépítve.

Az m68k család sokáig tervezési etalont képviselt a processzorok között, és az IBM kompatibilis PC-ken kívül gyakorlatilag mindenféle számítógépben és eszközben, a merevlemez-elektronikától az Unix-munkaállomásokig megtalálhatók voltak. Könnyű programozhatósága, rugalmas felépítése kedveltté tette a tervezők között. Bár a fejlesztés élvonalát ma már más processzorok képviselik, asztali felhasználásban pedig felváltották őket a PowerPC-k, az m68k család öröksége ma is él, többek között a ColdFire processzorokban, és azokban az alternatív gépekben, amelyeket egy-egy m68k alapú rendszer eleganciája, tiszta, átlátható felépítése ihletett.

• Ez a szócikk részben vagy egészben a Motorola 68000 family című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

• Howe, Dennis, ed. (1983). Free On-Line Dictionary of Computing. Imperial College, London. http://foldoc.org. Hozzáférés ideje: September 4, 2007.

• CPU