Motorola 68020

Motorola 68020 — это 32-битный микропроцессор, разработанный и выпускавшийся компанией Motorola (в настоящее время подразделение NXP Semiconductors). Представленный в 1984 году, он стал вторым поколением 32-битных процессоров в семействе Motorola 68000 и значительно превосходил своего предшественника, Motorola 68010, по производительности и функциональности. Процессор широко применялся в персональных компьютерах, рабочих станциях, игровых автоматах и встраиваемых системах, став одним из ключевых элементов компьютерной индустрии середины 1980-х — начала 1990-х годов.

История

Разработка и анонс

Разработка Motorola 68020 началась в 1982 году, когда стало очевидно, что 16-разрядная шина данных и 24-разрядная адресная шина процессора Motorola 68000 ограничивают его производительность. Инженеры Motorola поставили цель создать полностью 32-битный процессор, способный напрямую адресовать до 4 ГБ памяти и выполнять 32-битные операции за один такт. Процессор был анонсирован в июне 1984 года, а его первые образцы поступили в продажу в конце того же года. Первоначальная тактовая частота составляла 12,5 МГц, но вскоре появились версии на 16, 20 и 25 МГц.

Применение в компьютерах

Motorola 68020 стал основой для многих популярных компьютерных систем. Он использовался в линейке персональных компьютеров Apple Macintosh II (1987 год), а также в рабочих станциях Sun Microsystems (например, Sun-3) и Apollo Computer. В СССР и России процессор применялся в некоторых моделях советских компьютеров, таких как «Электроника МС 0582» и «Корвет», а также в вычислительных комплексах для оборонной промышленности. Благодаря высокой производительности, Motorola 68020 также устанавливался в игровые автоматы, например, в систему Sega System 16, и в аркадные автоматы Atari Games.

Закат эпохи

К началу 1990-х годов Motorola 68020 начал уступать место более новым процессорам семейства Motorola 68030 и Motorola 68040, которые предлагали более высокую тактовую частоту и встроенные кэш-память и MMU. Однако, благодаря своей надёжности и простоте, 68020 продолжал использоваться во встраиваемых системах, в частности, в промышленных контроллерах и системах управления, вплоть до середины 2000-х годов. Производство процессора было окончательно прекращено в 2004 году.

Архитектура и характеристики

Основные особенности

Motorola 68020 является полностью 32-битным процессором, что отличает его от предшественников, имевших 16-разрядную шину данных. Его ключевые характеристики включают:

• 32-битная шина данных: позволяет передавать 32 бита данных за один такт, что значительно ускоряет работу с памятью.
• 32-битная адресная шина: обеспечивает прямое адресование до 4 ГБ (2^32 байт) оперативной памяти.
• Внутренний кэш: процессор имеет встроенную кэш-память инструкций объёмом 256 байт (организованную как 64 32-битных слова), что снижает задержки при выборке команд.
• Конвейер: трёхступенчатый конвейер (выборка, декодирование, исполнение) позволяет выполнять до одной инструкции за такт при оптимальных условиях.
• Поддержка сопроцессоров: процессор имеет встроенный интерфейс для подключения математического сопроцессора Motorola 68881 или Motorola 68882, которые выполняли операции с плавающей запятой.

Регистры и набор инструкций

Motorola 68020 имеет 16 32-битных регистров общего назначения (D0–D7 для данных и A0–A7 для адресов), а также регистр состояния (SR) и программный счётчик (PC). Набор инструкций (ISA) является расширенной версией набора Motorola 68000, включая:

• Инструкции для работы с битами: BIT, BCLR, BSET, BTST.
• Инструкции для работы с блоками данных: MOVEM, MOVEP.
• Инструкции для работы с кэшем: CINV, CPUSH (для управления кэшем инструкций).
• Инструкции для работы с сопроцессорами: FADD, FSUB, FMUL, FDIV (при наличии сопроцессора).

Тактовая частота и производительность

Процессор выпускался в нескольких вариантах с разной тактовой частотой:

Производительность в MIPS (миллионах инструкций в секунду) варьируется в зависимости от типа выполняемых команд и доступа к памяти.

Технология производства

Motorola 68020 изготавливался по КМОП-технологии (CMOS) с проектными нормами 1,5 мкм. Процессор содержал около 190 000 транзисторов и имел площадь кристалла около 100 мм². Корпус — 128-контактный керамический или пластиковый корпус типа PGA (Pin Grid Array) или QFP (Quad Flat Package). Напряжение питания составляло 5 В, а потребляемая мощность — около 1,5–2 Вт.

Применение

Персональные компьютеры

Motorola 68020 использовался в следующих моделях компьютеров:

• Apple Macintosh II (1987 год) — первый Macintosh с цветным дисплеем и возможностью расширения.
• Apple Macintosh IIx (1988 год) — улучшенная версия с процессором 68020 на 16 МГц.
• Commodore Amiga 2500 (1988 год) — рабочая станция на базе Amiga с процессором 68020.
• Atari TT030 (1990 год) — высокопроизводительная рабочая станция от Atari.

Рабочие станции

В рабочих станциях Motorola 68020 применялся в системах:

• Sun-3 (1985 год) — серия рабочих станций от Sun Microsystems, использовавшая процессоры 68020 и 68030.
• Apollo DN3000 (1986 год) — рабочая станция от Apollo Computer.
• HP 9000 Series 300 (1986 год) — некоторые модели этой серии использовали 68020.

Игровые автоматы и аркадные системы

Процессор нашёл широкое применение в игровой индустрии:

• Sega System 16 (1985 год) — аркадная платформа, использовавшая 68020 в качестве основного процессора.
• Atari Games (например, аркадные автоматы «Gauntlet» и «RoadBlasters») — использовали 68020 для обработки графики и звука.
• Capcom CPS-1 (1988 год) — аркадная платформа, использовавшая 68020 в некоторых играх.

Встраиваемые системы

Благодаря своей надёжности и простоте, Motorola 68020 применялся во встраиваемых системах:

• Промышленные контроллеры — для управления станками и роботами.
• Медицинское оборудование — в системах мониторинга и диагностики.
• Системы управления — в авиационной и космической технике, включая некоторые системы управления полётом.

Интересные факты

• Motorola 68020 стал первым процессором в семействе 68000, который имел встроенный кэш инструкций. Это нововведение позволило значительно повысить производительность по сравнению с предшественниками.
• Процессор поддерживал режим работы с 32-битной шиной данных, но мог работать и с 16-битной, что позволяло использовать его в системах с более дешёвой памятью.
• В СССР и России Motorola 68020 использовался в некоторых моделях советских компьютеров, таких как «Электроника МС 0582» и «Корвет», а также в вычислительных комплексах для оборонной промышленности. Однако из-за технологических ограничений и политических факторов, массовое производство этих систем было ограничено.
• Motorola 68020 был одним из первых процессоров, который использовал технологию CMOS для снижения энергопотребления, что сделало его привлекательным для портативных и встраиваемых устройств.

Критика

Несмотря на свои достоинства, Motorola 68020 подвергался критике за некоторые недостатки:

• Отсутствие встроенного MMU (блока управления памятью). Для работы с виртуальной памятью требовался внешний чип Motorola 68851, что увеличивало стоимость и сложность системы.
• Недостаточный объём кэша (всего 256 байт) не позволял эффективно ускорять выполнение программ с большим объёмом кода.
• Высокая стоимость по сравнению с процессорами конкурентов, такими как Intel 80386, что ограничивало его применение в массовых персональных компьютерах.

Источники

• Motorola. MC68020 32-Bit Microprocessor User's Manual. — Motorola, 1985.
• Motorola. MC68020 Product Summary. — Motorola, 1984.
• Hennessy, J. L., Patterson, D. A. Computer Architecture: A Quantitative Approach. — 3rd ed. — Morgan Kaufmann, 2003.
• Статья «Motorola 68020» в журнале «Byte», 1985.
• Техническая документация на процессор Motorola 68020 (архив NXP Semiconductors).