El Motorola 68020 (" sesenta y ocho-oh-veinte ", " sesenta y ocho-oh-dos-oh " o " seis-ocho-oh-dos-oh ") es un microprocesador de 32 bits de Motorola , lanzado en 1984. También estuvo disponible una versión de menor costo, conocida como 68EC020 . De acuerdo con las prácticas de denominación comunes a los diseños de Motorola, el 68020 suele denominarse "020", pronunciado "oh-two-oh" o "oh-twenty".
El 020 estuvo en el mercado por un tiempo relativamente corto. El Motorola 68030 se anunció en septiembre de 1986 y comenzó a entregarse en el verano de 1987. Con un precio aproximadamente igual al 020 de esa época, el 030 era significativamente más rápido y rápidamente reemplazado por el 020 en casi todos los usos.
En el momento en que se diseñó el Motorola 68000 , los servicios de diseño y fabricación de Motorola estaban obsoletos. Aunque incluso empresas pequeñas como MOS Technology y Zilog habían pasado a la lógica NMOS del modo de agotamiento de la puerta de silicio en obleas cada vez más grandes , Motorola seguía usando 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 movido. a 5 pulgadas. Aunque el 68000 cumplió el objetivo de ser la CPU más rápida disponible cuando se presentó, no era tan potente como podría ser si hubiera sido diseñado con técnicas más modernas. [3]
Durante el período del diseño 68000, la compañía estuvo trabajando con Hitachi en su tecnología de proceso y como parte de esto abrieron una nueva fábrica, MOS-8, que utiliza obleas de 5 pulgadas y el último proceso HMOS con licencia de Intel . Esta línea era capaz de construir todas las técnicas nuevas, pero el 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. [4] 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 . [5]
Mientras este esfuerzo continuaba, Motorola estaba sondeando a sus clientes para conocer sus deseos sobre desarrollos futuros en la línea. Todo esto apuntaba a una implementación totalmente de 32 bits. Aquellos que usan 68k en sistemas Unix también declararon que comprarían una unidad de punto flotante para cada una de las máquinas si hubiera alguna disponible. [6]
El 68000 original había sido diseñado como un sistema híbrido de 16/32 bits en gran parte porque el número máximo de pines disponibles en paquetes duales en línea (DIP) era 64, e incluso en ese tamaño, el empaquetado de este tamaño era muy problemático. [7] Al reducir el número de pines de dirección a 24 y los pines de datos a solo 16, había 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 sólo podía ser de 16 MB en total, lo que en ese 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 bus.
Un diseño que tuviera 32 pines tanto para el bus de direcciones como para el de datos accedería a los datos dos veces más 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 número total de pines mucho mayor. A principios de la década de 1980, limitaciones similares en todos los diseños de CPU modernos llevaron a la introducción de la matriz de rejilla 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. Al final, el diseño utilizó sólo 114 de ellos.
Se desató 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 época sugería que CMOS costaba cuatro veces más que NMOS, y había una parte significativa del mercado que creía que "CMOS es malo". [8]
El diseño se completó en el verano de 1983 y se anunció en junio de 1984. [9] Este "súper chip" fue una noticia importante en ese momento, y el New York Times lo convirtió en un artículo principal en su sección de negocios. El precio de lanzamiento fue de 487 dólares cada uno, aproximadamente el mismo que el 68000 cuando se lanzó en 1980, pero el 68000 ahora estaba disponible por unos 15 dólares. Sin embargo, se entendió que pasaría algún tiempo antes de que estuvieran disponibles las computadoras que usaran el nuevo chip, ya que los diseños existentes tendrían que modificarse en gran medida para aprovechar su rendimiento. [10]
El anuncio provocó que los clientes de Motorola pidieran suministro. En este punto se hicieron evidentes serios problemas de suministro. El diseño había sido diseñado para ser construido en la misma fábrica de 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 varios pasos, no se producirían chips funcionales. [11]
Gary Johnson concluyó que el problema era el gerente de planta 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 informar a Felesi sobre el cambio, y siguieron las discusiones. Johnson finalmente le dijo a Felesi que esto realmente estaba sucediendo. Luego, Walker 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. [11]
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 sobre el escritorio, rompiendo la correa de su reloj y dijo: "¡No más excusas! ¡Quiero que esto se arregle ahora, hoy!". Genius tomó en serio la demanda y arregló la máquina. Posteriormente, el director ejecutivo le envió a Walker una nueva correa de reloj para conmemorar el evento. [11]
Mientras tanto, Walker instituyó una nueva política en MOS-8 para mejorar la propia planta. Normalmente convocaba reuniones a las 6:30 a.m. Si las cosas no iban bien, lo adelantaría a las 5:30, e incluso a las 4:30. Esto proporcionó un fuerte incentivo para poner en funcionamiento la planta. Los problemas de producción pronto se resolvieron y las entregas en volumen comenzaron a finales de ese año. En ese momento, 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 estuvieron en el mercado sólo cinco o seis meses después del anuncio del 020. [12]
El diseño del seguimiento 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 considerablemente más espacio para trabajar, permitiendo la adición de 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, [13] y las entregas comenzarían el próximo verano. Debido a los cambios en las líneas de producción, el nuevo 030 tendría un precio de lanzamiento inferior al 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 reemplazo directo en muchas funciones. Por esta razón, los diseños que utilizaban el 030 aparecieron mucho más rápidamente 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. [14] con envíos iniciales de bajo volumen que comenzaron dos meses después. [15] Sólo dieciocho meses después, el Macintosh IIx lo reemplazó, usando 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 del II. [dieciséis]
El 68020 tiene buses de direcciones y datos internos y externos de 32 bits, en comparación con los primeros modelos 680x0 con buses de datos de 16 bits y 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 el 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 de empaque dual en línea anterior . El 68EC020 redujo el costo a través de un bus de direcciones de 24 bits. El 68020 se produjo a velocidades que oscilan entre 12 MHz y 33 MHz.
El 68020 tiene una unidad lógica aritmética (ALU) de 32 bits , datos externos y buses de direcciones de 32 bits. Agrega instrucciones adicionales y modos de direccionamiento adicionales. El 68020 (y el 68030) tiene una tubería adecuada de tres etapas. Aunque el 68010 tenía un "modo de bucle", que aceleraba los bucles a través de lo que en realidad era un pequeño caché de instrucciones, sólo contenía 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 el 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 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 a memoria adicional.
El 68020 tiene una pequeña caché de instrucciones de mapeo directo de 256 bytes, organizada como 64 entradas de cuatro bytes. Aunque pequeño, marcó una diferencia significativa en el rendimiento de muchas aplicaciones. La consiguiente disminución del tráfico de autobuses fue especialmente importante en los sistemas que dependían en gran medida de DMA .
El 68020 tiene una interfaz de coprocesador que admite hasta ocho coprocesadores. La CPU principal reconoce instrucciones de "línea F" (con los cuatro bits de código de operación más importantes, 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 punto flotante ( MC68881 o MC68882 FPU ) y la unidad de gestión de memoria paginada ( MC68851 PMMU). Sólo se puede utilizar una PMMU con una CPU. En principio, se podían utilizar varias FPU con una CPU, pero no era una práctica común. 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.
El soporte de multiprocesamiento se implementa externamente mediante el uso de un pin RMC [17] para indicar un ciclo indivisible de lectura, modificación y escritura en progreso. Todos los demás procesadores tienen que suspender los accesos a la memoria hasta que se complete el ciclo. [18] El soporte de software para multiprocesamiento incluye las instrucciones TAS , CAS y CAS2 .
En un sistema multiprocesador, los coprocesadores no se pueden compartir entre CPU. Para evitar problemas con devoluciones de coprocesador, errores de bus y excepciones de errores 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.
Las nuevas instrucciones incluyen algunas mejoras menores y extensiones al estado de supervisor, varias instrucciones para la gestión de software de un sistema multiprocesamiento (que fueron eliminadas en el 68060), algo de soporte para lenguajes de alto nivel que no se usaron mucho (y fueron eliminados de futuros procesadores 680x0), instrucciones de multiplicación (32 × 32 → 64 bits) y división (cociente de 64 ÷ 32 → 32 bits y resto de 32 bits) y manipulaciones de campos de bits.
Los nuevos modos de direccionamiento añaden indexación escalada y otro nivel de direccionamiento indirecto a muchos de los modos preexistentes.
Con buses de direcciones internos y externos completos de 32 bits, los registros de direcciones (A0 a A7) podían utilizar todo su ancho de 32 bits y eran capaces de direccionar 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 direcciones para contener varios bits de bandera, en el entendido de que las CPU 680x0 anteriores ignorarían con seguridad estos bits altos. Dicho software tuvo que reescribirse para adaptarse al mayor espacio de direcciones físicas disponible para las CPU 68020 y posteriores.
El 68020 se utilizó en las computadoras personales Apple Macintosh II y Macintosh LC , estaciones de trabajo Sun-3 , Amiga 1200 (variante 68EC020), analizadores de red de la serie Hewlett-Packard 8711, HP 9000/320 , HP 9000/330, Apollo Computer 's Estaciones de trabajo DN3000 y DN4000 , [19] y Alpha Microsystems AM-2000. El 68020 era una actualización alternativa al 68008 del Sinclair QL en la interfaz Super Gold Card de Miracle Systems .
Amiga 2500 y A2500UX se envían opcionalmente con el acelerador A2620 utilizando una FPU 68020, 68881 y una MMU 68851. El 2500UX se envió con Amiga Unix y requería un procesador '020 o '030.
Varios osciloscopios digitales desde mediados de los 80 hasta finales de los 90 utilizaron el 68020, incluida la serie LeCroy 9300 [20] (los modelos de gama alta, incluidos los modelos con sufijo "C", utilizaron el 68EC030 más potente ; [21] los modelos 9300 con un procesador 68020 se puede actualizar al 68EC030 con un cambio de la placa de CPU [22] ) y la serie anterior LeCroy 9400 (todos los modelos [23] [24] [25] [26] excluyendo el 9400/9400A que usaba el 68000 [27] ), junto con ciertos modelos de la serie Tektronix TDS. [28] Los HP 54520, 54522, 54540 y 54542 también utilizan el 68020, junto con una FPU 68882. [29]
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 central telefónica Nortel Networks DMS-100 también utilizó el 68020 como el primer microprocesador del núcleo informático SuperNode.
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 direccionar 16 MB. de la memoria.
La computadora Amiga 1200 y la consola de juegos Amiga CD32 utilizan el 68EC020 de costo reducido; las placas arcade Namco System 22 , Taito F3 y Konami GX también utilizaban este procesador. El prototipo Atari Jaguar II incluía 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 el Ektaplus 7016PS y Dataproducts lo usó en el LZR 1260.
En 2014, Rochester Electronics restableció la capacidad de fabricación del microprocesador 68020 y todavía está disponible en la actualidad.
