El Motorola 68020 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 denominación comunes a los diseños de Motorola, el 68020 suele denominarse "020", que se pronuncia "oh-two-oh" o "oh-twenty".
El 020 estuvo en el mercado durante 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 similar al del 020 de la época, el 030 era significativamente más rápido y reemplazó rápidamente al 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 de modo de agotamiento de compuerta de silicio en obleas cada vez más grandes , Motorola seguía utilizando compuertas metálicas y modo de mejora y su fábrica más grande trabajaba en obleas de 4 pulgadas mucho después de que la mayoría de las líneas hubieran pasado a las de 5 pulgadas. Aunque el 68000 cumplió con el objetivo de ser la CPU más rápida disponible cuando se presentó, no era tan potente como podría ser si se hubiera diseñado con técnicas más modernas. [3]
Durante el período del diseño del 68000, la empresa estaba trabajando con Hitachi en su tecnología de proceso y, como parte de esto, abrieron una nueva fábrica, MOS-8, que utilizaba obleas de 5 pulgadas y el último proceso HMOS con licencia de Intel . Esta línea era capaz de construir todas las nuevas técnicas, pero el 68000 siguió adelante con el diseño anterior porque estaban seguros de que funcionaría. El cambio a nuevas técnicas de diseño tendría que esperar hasta que el diseño estuviera en el mercado. [4] La conversión a las nuevas técnicas de diseño tuvo lugar durante el esfuerzo del Motorola 68010 , una actualización relativamente menor del diseño original que agregó soporte de memoria virtual básica para el mercado emergente de estaciones de trabajo Unix . [5]
Mientras se desarrollaba este esfuerzo, Motorola estaba sondeando a sus clientes para conocer sus deseos de futuros desarrollos en la línea. Todos ellos apuntaban a una implementación completa de 32 bits. Aquellos que utilizaban el 68k en sistemas Unix también declararon que comprarían una unidad de punto flotante para cada una de las máquinas si hubiera una 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 los paquetes en línea dual (DIP) era 64, e incluso en ese tamaño, el encapsulado de este tamaño era altamente 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 solo podía tener 16 MB en total, lo que en este punto 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 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 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 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 utilizó solo 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 hacía mucho tiempo, a un diseño CMOS , que requiere dos transistores por compuerta. El conocimiento común de la época sugería que el CMOS costaba cuatro veces más que el NMOS, y había una parte importante del mercado que creía que "CMOS es igual a malo". [8]
El diseño se completó en el verano de 1983 y se anunció en junio de 1984. [9] Este "superchip" fue una noticia importante en su 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 las computadoras que usaran el nuevo chip estuvieran disponibles, ya que los diseños existentes tendrían que ser modificados en gran medida para aprovechar su rendimiento. [10]
El anuncio provocó que los clientes de Motorola reclamaran suministros. En ese momento, se hicieron evidentes los graves problemas de suministro. El diseño se había 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 jefe de planta de MOS-8, Tom Felesi, y decidió reemplazarlo por Bill Walker, que 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 se produjeron discusiones. Johnson finalmente le dijo a Felesi que eso era lo que estaba sucediendo. Walker luego recorrió la planta y descubrió que se había convertido en lo que esencialmente era un laboratorio de investigación y desarrollo , no una línea de producción, con numerosas piezas de maquinaria que no se usaban en ningún otro lugar. [11]
Un problema importante fue un nuevo equipo de un nuevo proveedor, Genius, que producía siliciuro . La máquina simplemente no funcionaba. 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 arreglen esta cosa ahora, hoy!" Genius se tomó en serio la demanda y arregló la máquina. El director ejecutivo luego 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 planta en sí. Normalmente convocaba reuniones a las 6:30 a.m. Si las cosas no iban bien, las 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 se solucionaron pronto y las entregas en grandes cantidades 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 solo cinco o seis meses después de que se anunciara el 020. [12]
El diseño del sucesor del 020 comenzó casi inmediatamente. Como parte de su trabajo continuo con Hitachi, el sistema de fabricación de Motorola finalmente se estaba poniendo al día con la competencia, al igual que su flujo de trabajo de diseño interno. Esto les dio considerablemente más espacio para trabajar, lo que les 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, [13] y las entregas comenzarían el verano siguiente. Debido a los cambios en las líneas de producción, el nuevo 030 tendría un precio de lanzamiento más bajo que el 020.
Había diferencias significativas entre el 68000 y el 020, especialmente la interfaz de memoria de 32 bits. Esto requería que los diseños de computadoras que lo usaban fueran considerablemente diferentes de los modelos anteriores. En contraste, hubo pocos cambios entre el 020 y el 030, el último de los cuales podía usarse como un reemplazo directo en muchas funciones. 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 se hubiera vuelto ampliamente disponible, [14] con envíos iniciales de bajo volumen que comenzaron dos meses después. [15] Solo 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. [16]
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 buses de direcciones de 24 bits. La ALU del 68020 también es nativamente de 32 bits, por lo que puede realizar operaciones de 32 bits en un ciclo de reloj, mientras que el 68000 necesitaba un mínimo de dos ciclos de reloj debido a su ALU de 16 bits. Los métodos de empaquetado más nuevos permitieron que el '020 presentara más pines externos sin el gran tamaño que requería el anterior método de empaquetado en línea dual . El 68EC020 redujo el costo a través de un bus de direcciones de 24 bits. El 68020 se produjo a velocidades que iban desde 12 MHz a 33 MHz.
El 68020 tiene una unidad lógica aritmética (ALU) de 32 bits , buses de datos y direcciones externos de 32 bits. Añade instrucciones adicionales y modos de direccionamiento adicionales. El 68020 (y el 68030) tiene una secuencia de comandos de tres etapas. Aunque el 68010 tenía un "modo de bucle", que aceleraba los bucles a través de lo que era efectivamente una pequeña caché de instrucciones, solo contenía dos instrucciones cortas y, por lo tanto, se usaba poco. El 68020 lo reemplazó con una caché de instrucciones adecuada 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 de palabras largas (32 bits) en la memoria si estaban alineados por palabra (ubicados en una dirección par). El 68020 no tiene restricciones de alineación en el acceso a los datos. Naturalmente, los accesos no alineados son más lentos que los alineados porque requieren un acceso a memoria adicional.
El 68020 tiene una pequeña caché de instrucciones de mapeo directo de 256 bytes, organizada en 64 entradas de cuatro bytes. Aunque es pequeña, aun así marcó una diferencia significativa en el rendimiento de muchas aplicaciones. La disminución resultante en el tráfico de bus fue particularmente importante en sistemas que dependen en gran medida del 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 significativos todos en 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 ( FPU MC68881 o MC68882 ) y la unidad de administración de memoria paginada ( PMMU MC68851 ). Solo se puede utilizar una PMMU con una CPU. En principio, se podían utilizar varias 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.
El soporte de multiprocesamiento se implementa externamente mediante el uso de un pin RMC [17] para indicar un ciclo indivisible de lectura-modificación-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 podían compartir entre las CPU. Para evitar problemas con los retornos del coprocesador, errores 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 lo fueran.
Las nuevas instrucciones incluyen algunas mejoras menores y extensiones al estado supervisor, varias instrucciones para la gestión de software de un sistema multiprocesamiento (que se eliminaron en el 68060), algo de soporte para lenguajes de alto nivel que no se usaban mucho (y se eliminaron de los futuros procesadores 680x0), instrucciones de multiplicación más grandes (32×32→64 bits) y división (64÷32→32 bits de cociente y 32 bits de resto) y manipulaciones de campos de bits. [19]
Los nuevos modos de direccionamiento agregan indexación escalada y otro nivel de indirección a muchos de los modos preexistentes.
Con buses de direcciones internas y externas 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 mayores anchos efectivos de los registros de direcciones presentaban algunos problemas para el software anterior que no se consideraba " limpio de 32 bits ". Algunos programas utilizaban los 8 bits más altos (bits 24-31) de las direcciones para contener varios bits de indicadores, con el entendimiento de que las CPU 680x0 anteriores ignorarían sin problemas estos bits altos. Dicho software tuvo que reescribirse para ajustarse 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), los analizadores de red Hewlett-Packard Serie 8711, HP 9000 /320, HP 9000/330, estaciones de trabajo DN3000 y DN4000 de Apollo Computer , [20] y Alpha Microsystems AM-2000. El 68020 fue una actualización alternativa al 68008 de Sinclair QL en la interfaz Super Gold Card de Miracle Systems .
Los modelos Amiga 2500 y A2500UX se entregan opcionalmente con el acelerador A2620 y utilizan una FPU 68020, 68881 y una MMU 68851. El modelo 2500UX se entrega con Amiga Unix , por lo que requiere 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 [21] (los modelos de gama alta, incluidos los modelos con sufijo "C", utilizaron el 68EC030 más potente ; [22] los modelos 9300 con un procesador 68020 se pueden actualizar al 68EC030 con un cambio de la placa CPU [23] ) y la serie LeCroy 9400 anterior (todos los modelos [24] [25] [26] [27] excepto el 9400/9400A que utilizaba el 68000 [28] ), junto con ciertos modelos de la serie TDS de Tektronix . [29] Las HP 54520, 54522, 54540 y 54542 también utilizan el 68020, junto con una FPU 68882. [30]
También es el procesador que se utiliza en los trenes TGV para descodificar la información de señalización que se envía a los trenes a través de los raíles. Se utiliza en los sistemas de control de vuelo y de radar del avión de combate Eurofighter Typhoon .
El conmutador de central telefónica DMS-100 de Nortel Networks 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 memoria.
El ordenador Amiga 1200 y la consola de juegos Amiga CD32 utilizan el 68EC020, de coste reducido; las placas de arcade Namco System 22 , Taito F3 y Konami GX también utilizan este procesador. El prototipo Atari Jaguar II lo incorporaba para sustituir al 68000 de la consola Atari Jaguar original .
También se utilizó en impresoras láser. Apple lo utilizó en la LaserWriter IIɴᴛx. Kodak lo utilizó en la Ektaplus 7016PS y Dataproducts lo utilizó en la LZR 1260.
En 2014, Rochester Electronics restableció la capacidad de fabricación del microprocesador 68020 y todavía está disponible hoy.
