モトローラ 68020

Motorola 68020 は、1984 年に発売されたMotorolaの32 ビット マイクロプロセッサです。68EC020として知られる低価格版も発売されました。Motorola の設計に共通する命名慣例に従い、68020 は通常「020」と呼ばれ、「オーツーオー」または「オートゥエンティ」と発音されます。

020 が市場に出回っていた期間は比較的短かった。モトローラ 68030 は1986 年 9 月に発表され、1987 年の夏に出荷が開始された。当時の 020 とほぼ同じ価格だった 030 は大幅に高速で、ほぼあらゆる用途で 020 にすぐに置き換えられた。

Motorola 68000が設計された当時、Motorola の設計および製造サービスは時代遅れでした。MOS TechnologyやZilogなどの小規模な企業でさえ、より大きなウェハーでシリコン ゲートデプレッション モード NMOS ロジックに移行していましたが、Motorola は依然として金属ゲートとエンハンスメント モードを使用しており、ほとんどのラインが 5 インチに移行した後も、最大の工場は 4 インチ ウェハーで動作していました。68000 は発売時に最速の CPU という目標を達成しましたが、より現代的な技術で設計されていた場合の性能には遠く及びませんでした。^[3]

68000の設計期間中、同社は日立とプロセス技術の共同研究を行っており、その一環として、5インチ ウェハとインテルからライセンス供与された最新のHMOSプロセスを使用する新しい工場、MOS-8を開設しました。このラインはすべての新しい技術を製造することができましたが、68000は古い設計でも問題なく動作すると確信していたため、そのまま進めました。新しい設計技術への移行は、設計が市場に出るまで待つことになっていました。^{[4]新しい設計技術への移行は、}モトローラ68010の開発中に行われました。これは、新興のUnixワークステーション市場向けに基本的な仮想メモリのサポートを追加した、元の設計に対する比較的小さなアップグレードでした。^[5]

この取り組みが進行中、モトローラは顧客に対し、このラインの今後の開発に対する要望を尋ねていた。その要望はすべて、完全な32ビット実装を示唆していた。Unixシステムで68kを使用している人々も、浮動小数点ユニットが入手可能であれば、すべてのマシンに1台ずつ購入すると述べている。^[6]

オリジナルの68000は、デュアルインラインパッケージ（DIP）で利用できるピンの最大数が64であり、そのサイズであっても、このサイズのパッケージングには非常に問題があったため、ハイブリッド16/32ビットシステムとして設計されていました。^[7]アドレスピンの数を24に、データピンの数を16に減らすことで、割り込みや電源など、必要な他のすべてのラインを実装するのに十分な空きピンがありました。24ピンのアドレスバスでは、メモリは合計16MBしか使用できず、この時点で制限になりつつありました。16ビットのデータバスでは、そのメモリから32ビットワードを読み取るのに2つのバスサイクルが必要でした。

アドレス バスとデータ バスの両方に 32 本のピンがある設計では、データへのアクセス速度が 2 倍になるため、他の変更がなくてもマシンの速度が大幅に向上します。32 ビット アドレス指定に移行すると、仮想メモリの実装も簡単になり、16 MB を超えるランダム アクセス メモリが可能になります。ただし、そうすると、合計ピン数が大幅に増加します。1980 年代初頭までに、すべての最新の CPU 設計に同様の制限が課せられたため、 DIP に代わるピン グリッド アレイが導入されました。新しいプロジェクトでは、モトローラは 169 ピンのレイアウトを選択し、作業に十分な余裕を持たせました。最終的に設計に使用されたのは 114 ピンのみでした。

マーケティング資料で新しいチップの基礎設計をどのように表現するかについて、大きな議論が巻き起こった。技術的には、020 は長年定着していたNMOS ロジック設計から、ゲートごとに 2 つのトランジスタを必要とするCMOSレイアウトに移行していた。当時の常識では、CMOS は NMOS の 4 倍のコストがかかると考えられており、「CMOS は悪い」と考える市場がかなりあった。^[8]

設計は1983年夏に完了し、1984年6月に発表された。^[9]この「スーパーチップ」は当時大きなニュースとなり、ニューヨークタイムズ紙はビジネス面のトップ記事として取り上げた。発売時の価格は1個あたり487ドルと見積もられており、これは1980年に発売された68000とほぼ同じ価格だったが、68000は当時約15ドルで購入可能だった。しかし、この新しいチップを搭載したコンピュータが発売されるまでには、既存の設計を大幅に変更しなければその性能を活かすことができないため、しばらく時間がかかることが分かっていた。^[10]

この発表により、モトローラの顧客は供給を求める声を上げた。この時点で深刻な供給問題が明らかになった。設計は68000と同じMOS-8工場で製造される予定だったが、サポートのためにいくつかの新しい設備が導入された。一般公開の時点で、新しいチップの歩留まりはゼロだった。つまり、多段階のプロセスに送られたウェハごとに、動作するチップがゼロになるということだった。^[11]

ゲイリー・ジョンソンは、問題はMOS-8のフロアマネージャーであるトム・フェレシにあると結論付け、当時古いMOS-2工場を運営していたビル・ウォーカーをフェレシと交代させることを決めた。ウォーカーが1985年7月5日に工場に到着すると、ジョンソンはフェレシにこの変更について伝えていなかったことがわかり、口論が続いた。ジョンソンは最終的にフェレシに、これは確かに起こっていると伝えた。ウォーカーが工場を見学したところ、本質的には生産ラインではなく研究開発ラボに変わっていて、他の場所では使われていない機械が多数あった。^[11]

重大な問題の 1 つは、新しいベンダーである Genius の新しい装置で、シリサイドを生産していました。この装置は単純に動作しませんでした。ウォーカーはカリフォルニアに飛んで Genius の CEO に会いましたが、CEO は言い訳ばかりでした。ウォーカーは最終的に手を机に叩きつけて時計のバンドを壊し、「もう言い訳はできません。この装置は今すぐ、今日中に修理してほしいのです」と言いました。Genius は要求を真剣に受け止め、装置を修理しました。CEO は後に記念に新しい時計のバンドをウォーカーに送りました。^[11]

一方、ウォーカーはMOS-8で工場自体を改善する新しい方針を打ち出した。彼は通常、午前6時半に会議を招集した。物事がうまくいかない場合は、それを5時半、さらには4時半に早めた。これは工場を稼働させる強い動機となった。生産上の問題はすぐに解決され、その年の後半に大量出荷が始まった。この時点で、ワークステーションの顧客は、020と新しい浮動小数点ユニットであるモトローラ68881を使用する準備が整った完全なシステムをすでに開発していた。システムが市場に出たのは、020が発表されてからわずか5、6か月後のことだった。^[12]

020の後継機の設計はほぼすぐに始まった。日立との継続的な取り組みの一環として、モトローラの製造システムは、社内の設計ワークフローと同様に、ついに競合他社に追いついた。これにより、作業にかなり余裕が生まれ、より大きなプロセッサキャッシュ、内蔵メモリ管理ユニット（MMU）などの機能を追加することが可能になった。モトローラ68030は1986年9月に発表され、^[13]翌年の夏に出荷が開始される予定だった。生産ラインの変更により、新しい030の発売価格は020よりも低くなる予定だった。

68000と020の間には、特に32ビットメモリインターフェースに大きな違いがあった。そのため、それを使用するコンピュータの設計は、以前のモデルとはかなり異なるものになった。対照的に、020と030の間にはほとんど変更がなく、後者は多くの役割でドロップイン交換品として使用できる。このため、030を使用した設計は、020よりもリリース後ずっと早く登場した。020を搭載した最初のMacintoshは、020が広く利用可能になってから2年後の1987年3月にリリースされたMacintosh IIであり、^[14] 2か月後に少量の初期出荷が始まった。^[15]わずか18か月後、 030を使用したMacintosh IIxがそれを置き換えた。同じ16MHzのクロック速度で動作したが、IIの2.6MIPSに対してIIxは3.9MIPSを提供した。^[16]

68020 には 32 ビットの内部および外部データ バスとアドレス バスがあり、初期の 680x0 モデルは 16 ビット データ バスと 24 ビット アドレス バスでした。68020 のALUもネイティブ 32 ビットなので、1 クロック サイクルで 32 ビット操作を実行できます。一方、68000 は 16 ビット ALU のため、最低でも 2 クロック サイクルかかりました。新しいパッケージング方法により、'020 は、以前のデュアル インライン パッケージ方法で必要だった大きなサイズにすることなく、より多くの外部ピンを搭載できるようになりました。68EC020 は、24 ビット アドレス バスによってコストを削減しました。68020 は、12 MHz から 33 MHz の範囲の速度で製造されました。

68020 には、32 ビットの算術論理ユニット(ALU)、32 ビットの外部データ バスおよびアドレス バスがあります。これにより、追加の命令と追加のアドレッシング モードが追加されます。68020 (および 68030) には、適切な 3 段パイプラインがあります。68010 には、実質的に小さな命令キャッシュを介してループを高速化する「ループ モード」がありましたが、これは 2 つの短い命令しか保持しなかったため、あまり使用されませんでした。68020 では、これを 256 バイトの適切な命令キャッシュに置き換え、真のオンチップ キャッシュ メモリを備えた最初の 68k シリーズ プロセッサとなりました。

以前の 68000 および 68010 プロセッサでは、メモリ内のワード (16 ビット) およびロング ワード (32 ビット) データがワード アラインメントされている (偶数アドレスに配置されている) 場合にのみアクセスできました。68020 では、データ アクセスにアラインメントの制限はありません。当然、アラインされていないアクセスは、追加のメモリ アクセスを必要とするため、アラインされたアクセスよりも遅くなります。

68020 には、64 個の 4 バイト エントリとして配置された、256 バイトの小さなダイレクト マップ命令キャッシュがあります。小さいながらも、多くのアプリケーションのパフォーマンスに大きな違いをもたらしました。その結果、バス トラフィックが減少したことは、DMAに大きく依存するシステムでは特に重要でした。

68020 には、最大 8 つのコプロセッサをサポートするコプロセッサインターフェイスがあります。メインCPU は、「F ライン」命令 (最上位 4 つのオペコード ビットがすべて 1) を認識し、特別なバス サイクルを使用してコプロセッサとやり取りし、これらの命令を実行します。2 種類のコプロセッサが定義されています。浮動小数点ユニット ( MC68881 または MC68882 FPU ) とページ メモリ管理ユニット ( MC68851 PMMU) です。CPU で使用できる PMMU は 1 つだけです。原理的には、CPU で複数の FPU を使用できますが、一般的には使用されていません。コプロセッサ インターフェイスは非同期であるため、CPU とは異なるクロック レートでコプロセッサを実行できます。

^{マルチプロセッシングのサポートは、RMCピン[17]}を使用して外部的に実装され、進行中の不可分の読み取り-変更-書き込みサイクルを示します。他のすべてのプロセッサは、サイクルが完了するまでメモリアクセスを保留する必要があります。^{[18]マルチプロセッシングのソフトウェアサポートには、} TAS、CAS、CAS2命令が含まれます。

マルチプロセッサ システムでは、コプロセッサを CPU 間で共有することはできません。コプロセッサからの戻り、バス エラー、およびアドレス エラー例外の問題を回避するために、マルチプロセッサ システムでは通常、すべての CPU が同じモデルであり、すべての FPU も同じモデルである必要がありました。

新しい命令には、スーパーバイザ状態に対するいくつかの小さな改良と拡張、マルチプロセッシングシステムのソフトウェア管理のためのいくつかの命令（68060では削除された）、あまり使われなかった（そして将来の680x0プロセッサから削除された）高級言語のサポート、より大きな乗算（32×32→64ビット）と除算（64÷32→32ビットの商と32ビットの剰余）命令、およびビットフィールド操作が含まれています。^[19]

新しいアドレッシング モードでは、多くの既存のモードに スケール インデックスと別のレベルの間接参照が追加されます。

完全な 32 ビットの内部および外部アドレス バスにより、アドレス レジスタ (A0 ～ A7) は 32 ビット幅をフルに活用でき、4 GB のアドレス空間全体をアドレス指定できるようになりました。

アドレス レジスタの有効幅が広いため、「32 ビット クリーン」とは見なされなかった初期のソフトウェアでは問題が発生しました。一部のプログラムでは、初期の 680x0 CPU ではこれらの上位ビットが無視されることを前提に、アドレスの上位 8 ビット (ビット 24 ～ 31) を使用してさまざまなフラグ ビットを格納していました。このようなソフトウェアは、68020 以降の CPU で使用できる、より広い物理アドレス空間に合わせて書き直す必要がありました。

68020は、 Apple Macintosh IIおよびMacintosh LC パーソナルコンピュータ、Sun-3ワークステーション、Amiga 1200（68EC020バリアント）、Hewlett-Packard 8711シリーズネットワークアナライザ、HP 9000 /320、HP 9000/330、Apollo ComputerのDN3000およびDN4000ワークステーション、^[20]およびAlpha Microsystems AM-2000で使用されました。68020は、 Miracle SystemsのSuper Gold CardインターフェースにおけるSinclair QLの68008の代替アップグレードでした。

Amiga 2500および A2500UX には、68020、68881 FPU、および 68851 MMU を使用する A2620 アクセラレータがオプションで付属していました。2500UX には、'020 または '030 プロセッサを必要とするAmiga Unixが付属していました。

80年代半ばから90年代後半にかけて、LeCroy 9300シリーズ^[21]（「C」サフィックスモデルを含む上位モデルは、より強力な68EC030を使用しました。^{[22] 68020}プロセッサを搭載した9300モデルは、CPUボードを変更することで68EC030にアップグレードできます^[23]）、初期のLeCroy 9400シリーズ（68000を使用した9400/9400Aを除くすべてのモデル^{[24] [25] [26] [ 27]}）、および特定のTektronix TDSシリーズモデルを含む多くのデジタルオシロスコープが68020を使用していました。 ^[29] HP 54520、54522、54540、54542も68020と68882 FPUを組み合わせて使用​​​​しています。^[30]

また、 TGV列車では、レールを通じて列車に送信される信号情報をデコードするためにプロセッサとして使用されています。ユーロファイター タイフーン戦闘機 の飛行制御およびレーダー システムにも使用されています。

Nortel Networks DMS-100電話中央局交換機でも、 SuperNode コンピューティング コアの 最初のマイクロプロセッサとして 68020 が使用されました。

68EC020は、Motorola 68020 の低価格版です。主な違いは、68EC020 には、フル機能の 68020 の 32 ビット アドレス バスではなく、24 ビット アドレス バスしかないため、16 MB のメモリしかアドレス指定できないことです。

Amiga 1200コンピュータとAmiga CD32ゲーム コンソールは、コスト削減された 68EC020 を使用しています。また、 Namco System 22、Taito F3、Konami GXアーケード ボードもこのプロセッサを使用しています。Atari Jaguar II プロトタイプでは、オリジナルのAtari Jaguarコンソールの 68000 の代わりにこれを採用しました。

また、レーザー プリンターにも使用されました。Apple は LaserWriter IIɴᴛx で使用しました。Kodak は Ektaplus 7016PS で使用し、Dataproducts は LZR 1260 で使用しました。

2014 年、ロチェスター エレクトロニクスは68020 マイクロプロセッサの製造能力を再確立し、現在でも販売されています。

• 「Motorola 68000 の開発とプロモーションに関するオーラル ヒストリー パネル」(PDF) (インタビュー)。Dave House によるインタビュー。2007 年 7 月 23 日。

ウィキメディア・コモンズには、モトローラ 68020 に関連するメディアがあります。

• cpu-collection.de の 68020 枚の画像と説明