モトローラ 68000

モトローラ68000（モトローラ68kまたはm68kと略され、通常は「シックス・エイト・サウザンド」と発音される）^{[2] [3]}は、1979年にモトローラ半導体製品部門によって発表された16/32ビットの複合命令セットコンピュータ（CISC）マイクロプロセッサです。

この設計では、32ビットの 命令セット、32ビットのレジスタ、16ビットの内部データバスが実装されています。^[4]アドレスバスは24ビットで、メモリセグメンテーションを使用しないため、プログラミングが容易になっています。内部的には、16ビットのデータ算術論理ユニット（ALU）と、主にアドレス用に使用されるさらに2つの16ビットALUが使用され、^[4] 16ビットの外部データバスがあります。^[5]このため、モトローラはこれを16/32ビットプロセッサと呼んでいます。

68k は、32 ビット命令セット、大きな非セグメント アドレス空間、当時としては比較的高速な、最初に広く普及したプロセッサの 1 つであり、1980 年代を通じて人気の高い設計でした。Macintosh 128K、Amiga、Atari ST、X68000など、グラフィカル ユーザー インターフェイスを備えた新世代のパーソナル コンピュータで広く使用されました。1988年のGenesis/Mega Driveコンソールは 68000 を搭載しています。

Motorola 68020以降のMotorola 68000 シリーズのプロセッサは、完全な 32 ビット ALU を使用し、完全な 32 ビットのアドレス バスとデータ バスを備えているため、32 ビット操作が高速化され、68000 と68010の 24 ビット アドレッシングやMotorola 68012の 31 ビット アドレッシングではなく、32 ビット アドレッシングが可能になっています。オリジナルの 68k は、16 ビット幅の外部バスに制限されているにもかかわらず、一般的にソフトウェアの上位互換性が他のラインとあります。^[4]

68000アーキテクチャは生産開始から45年経った今でも使用されています。^{[6] [7]}

モトローラが最初に広く生産したマイクロプロセッサは6800で、1974年初めに発表され、同年後半には量産が開始された。^[8]同社は1976年9月までに25,000台を販売するという目標を掲げ、この目標は達成された。高性能な設計ではあったが、Zilog Z80などのより高性能な設計や、MOS Technology 6502などのより安価な設計に押されてしまった。^[9] 1976年後半には売上は横ばいで、ゼネラルモーターズ向けのプロジェクトがエンジン制御などの巨大な製品ラインに発展したおかげで、部門はようやく救われた。^[10]

6800が発表された頃には、少数の16ビット設計が市場に出回っていた。これらは通常、Data General NovaやPDP-8などのミニコンピュータプラットフォームをモデルにしていた。当時の半導体製造プロセスに基づいて、これらはNational Semiconductor IMP-16などのマルチチップソリューションや、速度に問題があったシングルチップPACEであった。^[11]

6800 の売上見込みは薄れつつあったものの、エンジン制御の売上で潤沢な資金が残っていたため、1976 年後半、オペレーション マネージャーのコリン クルックは、今後の売上をどう獲得するかを検討し始めた。彼らは、Intel が8080シリーズの 16 ビット拡張 ( Intel 8086として登場) に取り組んでいることを知っており、16 ビットのZilog Z80 (Z8000の元となった) の噂も聞いていた。これらは、以前の 16 ビット システムに見られた問題を解消する新しい設計手法を採用する予定だった。^[12]

モトローラは、8086 と同等の製品を発売すれば、その性能の 10% 以内であれば、市場でインテルに追い抜かれるだろうとわかっていた。競争するために、同社は同じコストで 2 倍の性能、または同じ性能でコストの半分という目標を掲げた。クルックは、市場で最も強力なプロセッサでハイエンド市場を攻めることに決めた。^[12] 16 ビットをもう 1 つ追加するだけでは不十分で、設計はより大きくなる必要があり、それは 32 ビット機能をいくつか持つことを意味した。^[13]クルックは 1976 年末までにこのアプローチを決定していた。 ^[12]

クルックは設計を構築するためにモトローラ・アドバンスト・コンピュータ・システム・オン・シリコン（MACSS）プロジェクトを立ち上げ、トム・ガンターを主任設計者に雇った。ガンターは1977年1月にチームを編成し始めた。^[14]パフォーマンス目標は100万命令/秒（MIPS）に設定された。彼らはこの設計によって、アップルコンピュータやタンディのようなマイクロコンピュータベンダーだけでなく、 NCRやAT&Tのようなミニコンピュータ企業も取り戻したいと考えていた。^[14]

チームは、8ビット設計は新しい設計の基礎としては制限が多すぎると感じたため、6800との下位互換性の試みを断念することにした。新しいシステムは、当時最も人気のあるミニコンピュータ設計であるPDP-11の影響を受けていた。 ^[15]当時のミニコンピュータの重要な概念は、すべての操作があらゆる種類のデータに対して実行できるという直交命令セットの概念だった。内部ユニットに正しいデータを入力するために、MACSSはマイクロコードを多用した。マイクロコードは、基本的に読み取り専用メモリ内の小さなプログラムで、必要なデータを収集し、操作を実行し、結果を書き出す。MACSSは、マイクロプロセッサでこの手法を使用した最初の企業の1つであった。^{[16] [17]}

6800にはUARTや類似のインターフェースシステムなど、有用なサポートハードウェアが大量に残っていた。このため、新しい設計では既存の6800周辺機器用のバスプロトコル互換モードが維持された。 ^{[18] [17]}

32 のデータ ピンと 32 のアドレス ピンを持つチップには 64 のピンが必要で、さらに電源やその他の機能用にさらにピンが必要になります。当時、64 ピンのデュアル インライン パッケージ(DIP) は「大きくてコストが高い」システムで「ひどい」ものだったので、これが彼らが検討できる最大のサイズでした。これを収めるために、クルックは 32 ビットの命令セット アーキテクチャ(ISA) と、それを実装する算術論理ユニット(ALU)などの 16 ビット コンポーネントを組み合わせたハイブリッド設計を選択しました。 ^[14]外部インターフェイスは 16 のデータ ピンと 24 のアドレス ピンに削減され、すべてが 64 ピン パッケージに収まるようになりました。これは「テキサス コックローチ」として知られるようになりました。^{[13] [a]}

1970年代半ばまでに、モトローラのMOS設計技術は競合他社に比べて遅れをとり、製造ラインは低い歩留まりに悩まされることもあった。1970年代後半までに、同社は日立との技術交換プログラムに参加し、生産能力を劇的に改善した。この一環として、最新の5インチウェハサイズと3.5μmのフィーチャーサイズのインテルのHMOSプロセスを 使用して、MOS-8という新しい工場が建設された。^[19]これは、競合他社に追いつくことを目的とした投資であった。ZilogやMOS Technologyなどの新興半導体企業でさえ、モトローラよりも前にデプレッションモードNMOSロジックで製造されたCPUを導入していた。実際、モトローラはエンハンスメントモードとメタルゲートの段階的廃止で同時代の企業にかなり遅れをとった可能性があり、68kシリーズ製品担当ディレクターのトム・ガンターは、68000自体は当初メタルゲート設計を採用したにもかかわらず成功しなければならなかったと回想している。^[20]追いつくという点は明らかだが、これは完全に正確な要約ではないだろう。なぜなら、MACCSプロジェクトの開始に先立つモトローラの1976年のデータシートには、6800ファミリーの大部分がシリコンゲートであると記されているからだ。^[21]実際、ガンター自身の1979年の記事では、68000をシリコンゲートデプレッションモードHMOS設計として紹介している。^[22] 初期のモトローラのプロセスと製造の欠陥の程度がどうであれ、チームはひるむことなく、業界をリードする性能を持つマイクロプロセッサの追求に妥協することはなかった。^[23]

1979年9月に正式に導入され、^[24]最初のサンプルは1980年2月にリリースされ、11月には量産チップが店頭に並びました。^[25]初期の速度グレードは4、6、8MHzでした 。10MHzチップは1981年に発売され、^[26] 12.5MHzチップは1982年6月までに発売されました。 ^[25]オリジナルのHMOSチップの最速バージョンであるMC68000の16.67MHz「12F」バージョンは、1980年代後半まで生産されませんでした。

1981年の初めまでに、68kはハイエンドで複数のデザインウィンを獲得し、ガンターはアップルにアプローチしてビジネスを獲得し始めた。当時、68kは大量販売で約125ドルだった。スティーブ・ジョブズとの会議で、ジョブズは68kをアップルのLisaに使うことについて話したが、「本当の未来は私が個人的に手がけているこの製品にあります。このビジネスを望むなら、15ドルで売ることを約束しなければなりません」と述べた。 ^[27]モトローラは、最初は55ドルで販売し、その後35ドルに下げるという提案で対抗した。ジョブズは同意し、Macintoshは6809から68kに移行した。平均価格は最終的に14.76ドルに達した。^[27]

1982年、68000は、仮想メモリをサポートし、ポペックとゴールドバーグの仮想化要件に準拠するために、命令セットアーキテクチャ（ISA）のマイナーアップデートを受けました。更新されたチップは68010と呼ばれています。^{[28]また、小さなループを高速化する新しい「ループモード」が追加され、同じクロック速度で全体的なパフォーマンスが約10％向上しました。アドレスバスの31ビットを公開するさらに拡張されたバージョンも、} 68012として少量生産されました。

低コストのシステムと、より小さなメモリ サイズの制御アプリケーションをサポートするために、モトローラは 1982 年に 8 ビット互換のMC68008 を発表しました。これは、8 ビットのデータ バスとより小さい (20 ビット) アドレス バスを備えた 68000 です。1982 年以降、モトローラは68020および88000プロジェクトにさらに力を入れました。

HMOS 68000のセカンドソース製造会社は他にもいくつかあった。その中には、12.5MHz版で特徴サイズを2.7μmに縮小した日立（HD68000）、 ^[25] Mostek（MK68000）、Rockwell（R68000）、Signetics（SCN68000）、Thomson / SGS-Thomson（当初はEF68000、後にTS68000）、東芝（TMP68000）などがある。東芝はCMOS 68HC000（TMP68HC000）のセカンドソース製造会社でもあった。

68000の暗号化された派生型である日立FD1089とFD1094は、オペコードの復号化キーとオペコードデータをバッテリバックアップメモリ​​に保存し、著作権侵害や違法な海賊版ゲームを防ぐためにSystem 16を含む特定のセガアーケードシステムで使用されました。^[29]

68000の最初のCMOSバージョンである68HC000は、日立によって設計され、1985年に共同で発表されました。 ^[30]モトローラのバージョンはMC68HC000と呼ばれ、日立のバージョンはHD68HC000と呼ばれています。68HC000は8〜20MHzの速度を提供します。CMOS回路を使用していることを除いて、HMOS MC68000と同じように動作しますが、CMOSに変更したことで消費電力が大幅に削減されました。オリジナルのHMOS MC68000は、 クロック速度に関係なく、周囲温度25  °Cで約1.35ワットを消費しましたが、MC68HC000は8MHzで0.13ワット、20MHzで0.38ワットしか消費しませんでした。 (CMOS 回路とは異なり、HMOS はアイドル時にも電力を消費するため、消費電力はクロック レートによってほとんど変化しません。) Apple は、Macintosh Portableで使用するために 68HC000 を選択しました。

モトローラは1990年にMC68008をMC68HC001に置き換えた。^[31]このチップはほとんどの点で68HC000に似ているが、データバスはリセット時の入力ピンの値に応じて16ビットまたは8ビットモードで動作することができる。そのため、68008と同様に、より安価な8ビットメモリを搭載したシステムで使用できる。

68000 のその後の進化は、より現代的な組み込み制御アプリケーションとオンチップ周辺機器に焦点が当てられました。68EC000チップと SCM68000 コアは M6800 周辺バスを削除し、ユーザー モード プログラムから SR 命令の MOVE を除外しました。これにより、68EC000 と 68SEC000 は、ユーザー モードで実行した場合に以前の 68000 CPU と 100% のオブジェクト コード互換性がない唯一の 68000 CPU になりました。スーパーバイザ モードで実行する場合は違いはありません。^[32] 1996 年に、モトローラはスタンドアロン コアを完全に静的な回路に更新し、低電力モードで 2  μWしか消費しないようにし、MC68SEC000 と呼びました。^[33]

モトローラは1996年6月1日、HMOS MC68000、MC68008、MC68010、MC68330、MC68340の生産を中止したが、^{[34] [35]}スピンオフ企業のフリースケール・セミコンダクタは、MC68HC000、MC68HC001、MC68EC000、MC68SEC000、MC68302、MC68306マイクロコントローラ、DragonBallファミリの後継機種をまだ生産していた。68000のアーキテクチャの後継製品である680x0、CPU32、Coldfireファミリもまだ生産されていた。最近では、仙台工場の閉鎖に伴い、68HC000、68020、68030、68882のすべての部品が製造中止となり、68SEC000のみが生産されています。^[36]

68000は「真の」32ビットマイクロプロセッサに引き継がれて以来、多くのマイクロコントローラのコアとして使用されています。1989年にモトローラはMC68302通信プロセッサを発表しました。^[37]

IBMはIBM PC用に68000を検討したが、Intel 8088を選択した。しかし、IBM Instrumentsは68000ベースのIBM System 9000研究室用コンピュータシステムを短期間販売した。68k命令セットは特にUnixの実装に適しており、^[38] 68000とその後継機は、SunワークステーションやApollo/DomainワークステーションなどのUnixベースのワークステーションの主流CPUとなった。

1981年、モトローラはモトローラ68000教育用コンピュータボードを発表しました。これは教育およびトレーニング用のシングルボードコンピュータで、68000本体に加えて、メモリ、I/Oデバイス、プログラム可能なタイマー、カスタム回路用のワイヤラップ領域が含まれていました。このボードは、1990年代初頭まで、アセンブリプログラミングを学ぶためのツールとして米国の大学で使用され続けました。^[39]

68000 は、登場当初は、 WICAT 150のようなマルチユーザーマイクロコンピュータ、 ^[40]初期のAlpha Microsystemsコンピュータ、Sage II / IV、Tandy 6000 / TRS-80 Model 16、Fortune 32:16 、 Hewlett-PackardのHP 9000シリーズ 200 システム、最初のApollo/Domainシステム、Sun MicrosystemsのSun-1、Corvus Conceptなどのシングルユーザーワークステーション、 Digital Equipment CorporationのVAXstation 100 やSilicon Graphicsの IRIS 1000 および 1200 などのグラフィックスターミナルなど、高価格のシステムに最初に採用されました。Unix システムは、より高性能な 68k ラインの後継機へと急速に移行し、1980 年代を通じてその市場で人気を博しました。

1980 年代半ばまでに、生産コストの低下により、 68000 はApple LisaやMacintoshに始まり、Amiga、Atari ST、X68000といったパーソナル コンピュータでの使用が可能になりました。

Sinclair QLマイクロコンピュータは、ICL One Per Deskビジネス端末などの派生製品とともに、68008 の商業的に最も重要な利用法でした。Helix Systems (米国ミズーリ州) は、 SWTPC SS-50 バスの拡張であるSS-64 を設計し、68008 プロセッサを中心に構築されたシステムを製造しました。

RISC と x86 の採用により、68000 シリーズはデスクトップ/ワークステーション CPU としての役割を奪われましたが、このプロセッサは組み込みアプリケーションで広く利用されるようになりました。1990 年代初頭までに、68000 CPU は 1 個あたり 30ドル未満で購入できるようになりました 。^{[引用が必要]}

68000 は組み込みコントローラとしても大きな成功を収めました。1981 年には、Imagen Imprint-10 などのレーザー プリンタが、68000 を搭載した外部ボードによって制御されていました。1984 年に発表された最初のHP LaserJetには、8 MHz の 68000 が内蔵されていました。他のプリンタ メーカーも 68000 を採用しました。その中には、1985 年に最初のPostScriptレーザー プリンタであるLaserWriterを発表した Apple も含まれています。68000 は、1980 年代の残りの期間を通じてプリンタで広く使用され続け、1990 年代に入ってもローエンド プリンタで使用され続けました。

68000 は産業用制御システムの分野で成功を収めました。68000 またはその派生品をマイクロプロセッサとして採用することで恩恵を受けたシステムの中には、Allen - Bradley、Texas Instruments、そしてその後 TI の同部門の買収後にSiemensが製造したプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) のファミリがありました。このようなシステムのユーザーは、家庭ユーザーと同じ速度で製品の陳腐化を受け入れません。そのため、20 年以上前に導入されたにもかかわらず、68000 ベースのコントローラの多くは 21 世紀に入っても信頼性の高いサービスを継続する可能性が高いです。

80年代の多くのデジタルオシロスコープ^[41]では、 68000が波形表示プロセッサとして使われてきました。また、 LeCroy 9400/9400A ^[42]などの一部のモデルでは、68000が波形演算プロセッサ（2つの波形/参照/波形メモリの加算、減算、乗算、除算を含む）としても使用されており、68000を使用する一部のデジタルオシロスコープ（9400/9400Aを含む）では、波形に対して高速フーリエ変換機能も実行できます。

68000 アーキテクチャに基づく 683XX マイクロコントローラは、ネットワークおよび通信機器、テレビのセットトップ ボックス、研究室および医療機器、さらには携帯型計算機に使用されています。MC68302 とその派生製品は、Cisco、3com、Ascend、Marconi、Cyclades などの多くの通信製品に使用されています。Palm PDAおよびHandspring Visorの過去のモデルでは、 68000 の派生製品であるDragonBallが使用されていました。AlphaSmartは、ポータブル ワード プロセッサの後のバージョンで DragonBall ファミリを使用しました。Texas Instruments は、ハイエンド グラフ計算機であるTI-89およびTI-92シリーズとVoyage 200で 68000 を使用しました。

68000 の改良版は、System 370 プロセッサの IBM XT/370ハードウェア エミュレータの基礎となりました。

ビデオゲームメーカーは、68000を多くのアーケードゲームや家庭用ゲーム機のバックボーンとして使用しました。1982年のAtariのFood Fightは、68000ベースの最初のアーケードゲームの1つでした。他のものとしては、 SegaのSystem 16、CapcomのCP SystemとCPS-2、SNKのNeo Geoなどがあります。1980年代後半までには、68000は、SegaのGenesisコンソールやそのセガCDアタッチメントなどの家庭用ゲーム機を動かすのに十分なほど安価になりました（セガCDシステムには3つのCPUがあり、そのうち2つは68000です）。1993年のマルチプロセッサAtari Jaguarコンソールは、68000をサポートチップとして使用しましたが、一部の開発者は使い慣れているため、これをメインプロセッサとして使用しました。1994年のSega Saturnコンソールは、68000をサウンドコプロセッサとして使用しました。 1995年10月、68000はセガの携帯型ゲーム機「ジェネシス・ノマド」のCPUとして採用された。 ^[43]

一部のアーケードゲーム（Namco System 2をベースにしたSteel Gunnerなど）ではデュアル68000 CPU構成が使用されており、^[44]トリプル68000 CPU構成のシステムも存在し（Sega Y BoardをベースにしたGalaxy Force^{など）、 [45]}ジャレコではクアッド68000 CPU構成（サウンド用の68000 CPU 1基は他の68000 CPU に比べてクロック周波数が低い）をBig RunやCisco Heatなどのゲームに使用していた。また、ジャレコのアーケードゲームWild Pilotでは入出力（I ^/ O）処理に5基目の68000 CPU（他の68000 CPUとはクロック周波数が異なる）が使用されていた。^[47]

68000 には 24 ビットの外部アドレス バスと、A0 に代わる 2 つのバイト選択信号があります。この 24 本のラインは、バイト解像度で 16 MB の物理メモリをアドレス指定できます。アドレスの保存と計算には内部で 32 ビットが使用されますが、デバイス ピンが物理的にないため、上位 8 ビットのアドレスは無視されます。これにより、論理的にフラットな 32 ビットアドレス空間用に記述されたソフトウェアを実行できますが、24 ビットの物理アドレス空間のみにアクセスします。モトローラが内部 32 ビット アドレス空間に意図したのは、上位互換性を確保することであり、これにより、68000 命令セットの後の 32 ビット実装を最大限に活用する 68000 ソフトウェアを記述することが可能になりました。^[4]

しかし、これによってプログラマーが互換性のないソフトウェアを書くことを妨げることはできませんでした。上位アドレス バイトを破棄したり、アドレス指定以外の目的に使用したりする「24 ビット」ソフトウェアは、32 ビットの 68000 実装では機能しない可能性があります。たとえば、Apple のMac OSの初期バージョン (7.0 より前) では、メモリ ブロック マスター ポインターの上位バイトを使用して、ロックやパージ可能などのフラグを保持していました。OS の後のバージョンでは、フラグが近くの場所に移動され、Apple は 1989 年の Mac IIci のリリースから「 32 ビット クリーン」ROMを搭載したコンピューターの出荷を開始しました。

68000 ファミリは、マルチバイト整数をビッグ エンディアン順にメモリに格納します。

CPUには、8 つの 32 ビット汎用データレジスタ(D0-D7) と 8 つのアドレス レジスタ (A0-A7) があります。最後のアドレス レジスタはスタック ポインタで、アセンブラは SP というラベルを A7 と同等として受け入れます。これは、当時としては多くの点で適切なレジスタ数でした。このレジスタ数は、68000 が割り込みにすばやく応答できるほど小さく(最悪の場合でも、8 つのデータ レジスタ D0-D7 と 7 つのアドレス レジスタ A0-A6 をすべて保存する必要があり、合計 15 個のレジスタが必要)、ほとんどの計算を高速に実行できるほど大きく、部分的な結果をメモリに保持することなくプロセッサ内で完全に実行できるためです。(スーパーバイザ モードの例外ルーチンは、ユーザー スタック ポインタ A7 も保存できるため、合計 8 つのアドレス レジスタになります。ただし、68000 のデュアル スタック ポインタ (A7 とスーパーバイザ モード A7') 設計では、マルチタスク システムでタスク切り替えが実行される場合を除き、通常は不要です。)

2種類のレジスタを持つことで、32ビットのアドレスと16ビットのデータを同時に計算することができます。これにより、アドレスとデータを並行して処理できるため、命令の実行時間が短縮されます。^[4]

68000 には 16 ビットのステータス レジスタがあります。上位 8 ビットはシステム バイトで、変更は特権です。下位 8 ビットはユーザー バイトで、条件コード レジスタ (CCR) とも呼ばれ、変更は特権ではありません。68000 の比較、算術、論理演算は、条件コードを変更して、後の条件ジャンプで使用するために結果を記録します。条件コード ビットは、「キャリー」(C)、「オーバーフロー」(V)、「ゼロ」(Z)、「負」(N)、「拡張」(X) です。「拡張」(X) フラグは、キャリー フラグとは別であるため、特に言及する価値があります。これにより、算術、論理、シフト演算からの追加ビットを、キャリー多倍精度演算から分離できます。^[48]

設計者は、アセンブリ言語を直交化しようとしました。つまり、命令は操作とアドレス モードに分割され、ほぼすべてのアドレス モードがほぼすべての命令で使用できます。命令は 56 個あり、最小命令サイズは 16 ビットです。多くの命令とアドレッシング モードは、より多くのアドレス ビットまたはモード ビットを含めるために長くなっています。

CPU、そして後にファミリー全体には、2つのレベルの特権が実装されています。ユーザーモードでは、割り込みレベルの制御などの特権命令を除くすべてのものにアクセスできます。^[49]スーパーバイザー特権はすべてにアクセスできます。割り込みは常にスーパーバイザーになります。スーパーバイザービットはステータスレジスタに格納され、ユーザープログラムから見ることができます。^[49]

このシステムの利点は、スーパーバイザ レベルに個別のスタック ポインタがあることです。これにより、設計者は割り込みの最大スタック アップのスタック フレームを保持するために必要なメモリを割り当てる必要がないため、マルチタスクシステムでタスクに非常に小さなスタックを使用できます。

CPU は 7 つの割り込みレベルを認識します。レベル 1 から 5 は厳密に優先順位付けされています。つまり、番号が大きい割り込みは、常に番号が小さい割り込みを割り込むことができます。ステータス レジスタでは、特権命令を使用して現在の最小割り込みレベルを設定し、優先順位が低いか同等の割り込みをブロックできます。たとえば、ステータス レジスタの割り込みレベルが 3 に設定されている場合、4 から 7 のより高いレベルは例外を引き起こす可能性があります。レベル 7 は、レベル トリガーのマスク不可能割り込み(NMI) です。レベル 1 は、より高いレベルによって割り込まれる可能性があります。レベル 0 は割り込みがないことを意味します。レベルはステータス レジスタに格納され、ユーザー レベルのプログラムで確認できます。

ハードウェア割り込みは、保留中の割り込み優先度の最も高いものをエンコードした 3 つの入力を使用して CPU に通知されます。割り込みをエンコードするには通常、別のエンコーダが必要ですが、3 つ以上のハードウェア割り込みを必要としないシステムでは、ソフトウェアの複雑さは増しますが、エンコードされた入力に割り込み信号を直接接続することができます。割り込みコントローラは、 74LS148優先度エンコーダのように単純なものでも、UART 、タイマー、パラレル I/O も提供する MC68901 多機能周辺装置 ( Atari STシリーズのコンピュータやX68000で使用)などの超大規模集積回路(VLSI) 周辺装置チップの一部でもかまいません。

「例外テーブル」（割り込みベクターテーブル割り込みベクターアドレス）は、アドレス 0 から 1023 に固定されており、256 個の 32 ビットベクターを許可します。最初のベクター（RESET）は、開始スタックアドレスと開始コードアドレスの 2 つのベクターで構成されます。ベクター 3 から 15 は、バスエラー、アドレスエラー、不正な命令、ゼロ除算、CHK および CHK2 ベクター、特権違反（特権エスカレーションをブロックするため）、および行 1010 エミュレータ、行 1111 エミュレータ、およびハードウェアブレークポイントになる予約済みベクターなど、さまざまなエラーを報告するために使用されます。ベクター 24 は、実際の割り込みを開始します。つまり、スプリアス割り込み（ハードウェア確認なし）、レベル 1 からレベル 7 の自動ベクター、次に 16 個の TRAP ベクター、さらにいくつかの予約済みベクター、最後にユーザー定義ベクターです。

開始コード アドレス ベクターはリセット時に常に有効でなければならないため、システムには一般に、ベクターとブートストラップコードを格納するためにアドレス 0 から始まる不揮発性メモリ ( ROMなど) が含まれています。ただし、汎用システムでは、オペレーティング システムが実行時にベクターを変更できることが望ましいです。これは、多くの場合、ROM 内のベクターをRAM内のジャンプ テーブルにポイントするか、バンク切り替えを使用して実行時に ROM を RAM に置き換えることで実現されています。

68000 は、 Popek と Goldberg の完全なプロセッサ仮想化の要件を満たしていません。これは、ユーザー モード ソフトウェアが少量の特権状態に読み取り専用でアクセスできる「MOVE from SR」という単一の非特権命令があるためです。68000 の後の派生である 68EC000 と 68SEC000 は、「MOVE from SR」命令が特権であるため、要件を満たしています。同じ変更が 68010 以降の CPU にも導入されました。

68000 は、失敗したメモリ アクセスをトラップして回復する機能を必要とする仮想メモリも簡単にサポートできません。68000 はトラップに使用できるバス エラー例外を提供しますが、オペレーティング システムが例外を処理した後で、失敗した命令を再開するのに十分なプロセッサ状態を保存しません。いくつかの企業は、異なる位相クロックで並列に動作する 2 つの 68000 チップを使用して動作する仮想メモリを備えた 68000 ベースの Unix ワークステーションの製造に成功しました。「先頭」の 68000 が不正なメモリ アクセスに遭遇すると、追加のハードウェアが「メイン」の 68000 に割り込み、不正なメモリ アクセスに遭遇するのを防ぎます。この割り込みルーチンは仮想メモリ機能を処理し、「メイン」の 68000 が割り込みから戻ったときに、正しく同期された操作を継続するために「先頭」の 68000 を正しい状態で再起動します。

これらの問題は、MC68010 のリリースによる 68k アーキテクチャの次のメジャー リビジョンで修正されました。バス エラー例外とアドレス エラー例外は、回復を容易にするために大量の内部状態をスーパーバイザ スタックにプッシュし、「MOVE from SR」命令は特権付きになりました。代わりに、ユーザー モード ソフトウェアによって使用される新しい非特権の「MOVE from CCR」命令が提供されています。オペレーティング システムは、必要に応じて、ユーザー モードの「MOVE from SR」命令をトラップしてエミュレートできます。

標準のアドレス指定モードは次のとおりです。

• 直接登録
  • データレジスタ、例: "D0"
  • アドレスレジスタ、例："A0"
• 間接登録
  • シンプルなアドレス、例: (A0)
  • ポストインクリメント付きアドレス、例: (A0)+
  • プリデクリメント付きアドレス、例：−(A0)
  • 16ビット符号付きオフセットのアドレス、例：16(A0)
  • インデックス レジスタと 8 ビット符号付きオフセットを使用したレジスタ間接 (例: 8(A0,D0) または 8(A0,A1))

  (A0)+ および −(A0) の場合、実際の増分または減分値はオペランドのサイズに依存することに注意してください。バイト アクセスではアドレス レジスタが 1 調整され、ワー​​ド アクセスでは 2 調整され、ロング アクセスでは 4 調整されます。

• PC（プログラムカウンタ）相対変位
  • 相対 16 ビット符号付きオフセット、例: 16(PC)。このモードは、位置に依存しないコードに非常に便利です。
  • 8ビット符号付きオフセットとインデックスによる相対、例：8(PC,D2)
• 絶対メモリ位置
  • 数字（例：$4000）またはアセンブラによって変換されたシンボル名
  • ほとんどの 68000 アセンブラでは、 16 進数を表すために「0x」や末尾の H の代わりに「$」記号が使用されていました。
  • このアドレッシングモードには16ビット版と32ビット版がある。
• 即時モード
  • 命令に保存されたデータ、例: "#400"
• クイック即時モード
  • 3ビットの符号なし（またはmoveqで8ビットの符号付き）で、値はオペコードに格納されます。
  • addqとsubqでは、0は8に等しい。
  • 例えば、moveq #0,d0 は clr.l d0 よりも速かった (ただし、どちらも D0 を 0 にした)

さらに、ステータス レジスタへのアクセス、および後期モデルではその他の特殊レジスタへのアクセスも可能になりました。

ほとんどの命令には、8 ビット バイト、16 ビット ワード、および 32 ビット ロングで動作するバリアントがあります。アセンブラ言語では、命令ニーモニックの後にドット文字サフィックス「.b」、「.w」、および「.l」を使用してバリアントを示します。

当時の多くのCPUと同様に、一部の命令のサイクルタイミングはソースオペランドに応じて変化しました。たとえば、符号なし乗算命令は完了までに(38+2n)クロックサイクルかかります。ここで、'n'はオペランドに設定されているビット数に等しくなります。^[50]固定サイクルカウントを取る関数を作成するには、乗算命令の後に追加コードを追加する必要がありました。これは通常、元の乗算オペランドに設定されていないビットごとに余分なサイクルを消費します。

ほとんどの命令は二項命令です。つまり、操作にはソースと宛先があり、宛先が変更されます。注目すべき命令は次のとおりです。

• 算術演算: ADD、SUB、MULU (符号なし乗算)、MULS (符号付き乗算)、DIVU (符号なし除算)、DIVS (符号付き除算)、NEG (加法否定)、CMP (比較、引数を減算し、結果を保存せずにステータス ビットを設定することによって実行)
• 2進化10進数演算: ABCD、NBCD、SBCD
• ロジック: EOR (排他的論理和)、AND、NOT (論理否定)、OR (包含的論理和)
• シフト: (論理シフト、つまり右シフトで最上位ビットにゼロを入れる) LSL、LSR、(算術シフト、つまり最上位ビットを符号拡張する) ASR、ASL、(eXtend を介して回転し、そうしない) ROXL、ROXR、ROL、ROR
• メモリまたはデータ レジスタのビット テストと操作: BSET (1 に設定)、BCLR (0 にクリア)、BCHG (反転)、および BTST (変更なし)。これらの命令はすべて、まず宛先ビットをテストし、宛先ビットがそれぞれ 0 (1) の場合は CCR Z ビットを設定 (クリア) します。
• マルチプロセッシング制御: TAS (テストアンドセット) は、分割不可能なバス操作を実行し、セマフォを使用して単一のメモリを共有する複数のプロセッサを同期させることができました。
• 制御フロー: JMP (ジャンプ)、JSR (サブルーチンへのジャンプ)、BSR (サブルーチンへの相対アドレス ジャンプ)、RTS (サブルーチンからの戻り)、RTE (例外、つまり割り込みからの戻り)、TRAP (ソフトウェア割り込みに似たソフトウェア例外のトリガー)、CHK (条件付きソフトウェア例外)
• 分岐: Bcc (ここで、「cc」は、ステータス レジスタ内の条件コードの 14 のテスト (等しい、より大きい、より小さい、桁上げ、およびステータス レジスタから取得可能なほとんどの組み合わせと論理反転) のうちの 1 つを指定します)。残りの 2 つの可能な条件 (常に真と常に偽) には、BRA (常に分岐) と BSR (サブルーチンへの分岐) という別の命令ニーモニックがあります。
• デクリメントと分岐: DBcc (「cc」は分岐命令の場合) は、条件が偽であれば、D レジスタの下位ワードをデクリメントし、結果が -1 ($FFFF) でない場合は、宛先に分岐します。終了値として 0 ではなく -1 を使用すると、カウントが 0 の場合は何も実行しないループを簡単にコーディングでき、ループに入る前に別のチェックを行う必要がなくなります。これにより、DBcc のネストも容易になります。

68EC000は68000の低価格版で、ピン配置が若干異なり、組み込みコントローラアプリケーション向けに設計されています。68EC000は8ビットまたは16ビットの データバスを持ち、リセット時に切り替えることができます。^[51]

これらのプロセッサは、8 MHz および 16 MHz構成 を含むさまざまな速度で利用でき 、それぞれ 2,100 および 4,376 のDhrystone を生成します。これらのプロセッサには浮動小数点ユニットがなく、EC シリーズには必要なコプロセッサ命令がないため、浮動小数点ユニットを使用して FPUコプロセッサ( MC68881/2 )を実装することは困難です。

68EC000は、 MIDIシンセサイザーの一部としてEnsoniq楽器やサウンドカードを含む多くのオーディオアプリケーションのコントローラとして使用されました。^[52] Ensoniqサウンドボードでは、コントローラはCPUを搭載していない競合他社に比べていくつかの利点を提供しました。プロセッサにより、終了して常駐するプログラムを使用せずに、 MPU-401 MIDI合成やMT-32エミュレーションなどのさまざまなオーディオタスクを実行するようにボードを構成できました。これにより、ソフトウェアの互換性が向上し、CPU使用率が下がり、ホストシステムのメモリ使用量が削減されました。

Motorola 68EC000 コアは、後に Motorola/ Freescaleのm68k ベースのDragonBallプロセッサに使用されました。

また、セガサターンゲームコンソールのサウンドコントローラや、 1990年代半ばのHP LaserJetプリンタ用のHP JetDirect Ethernetコントローラボードのコントローラとしても使用されました。

以下の68000アセンブリコードは、 という名前のサブルーチン用でありstrtolower、8 ビット文字の NULL 終端文字列を宛先文字列にコピーし、すべてのアルファベット文字を小文字に変換します。

サブルーチンは、レジスタ A6 をフレーム ポインタとして使用して呼び出しフレームを確立します。この種類の呼び出し規約は、再入可能および再帰的なコードをサポートし、通常、CやC++などの言語で使用されます。次に、サブルーチンはスタックから渡されたパラメーター (srcおよびdst) を取得します。次にループして、文字列から ASCII 文字 (1 バイト) を読み取りsrc、大文字のアルファベット文字かどうかを確認し、大文字の場合は小文字に変換し、そうでない場合はそのままにして、文字を文字列に書き込みます。最後に、文字がnull 文字dstかどうかを確認し、そうでない場合はループを繰り返し、そうでない場合は前のスタック フレーム (および A6 レジスタ) を復元して戻ります。文字列ポインタ (レジスタ A0 および A1) は、ループの各反復で自動的に増分されることに注意してください。

対照的に、以下のコードは、TI-89 シリーズの計算機用の AMS の最も制限の厳しいバージョンでもスタンドアロン関数用であり、カーネルに依存せず、実行時にテーブル、ファイル、またはライブラリで値が検索されることはなく、システム コールや例外処理はなく、使用するレジスタは最小限で、レジスタを保存する必要もありません。これは、西暦 1 年 3 月 1 日からの歴史的なユリウス暦の日付、またはグレゴリオ暦の日付に有効です。対応する場所に格納された 3 つの入力で呼び出されると、2 ダース未満の操作でISO 8601と互換性のある日付番号が計算されます。

;
; WDN、結果d0を格納するためのアドレス
; FLAG、0 または 2 - それぞれユリウス暦またはグレゴリオ暦を選択します
; DATE, year0mda - 基本的な ISO 形式のバイナリ ワード&バイト&バイトとしての日付スタンプ;(ビッグエンディアン
のため、YEAR、年 ~ YEAR=DATE )
;
     move.l DATE,d0
     move.l d0,d1
;
; ステップ1 - Lachmanの合同を適用
     andi.l #$f00,d0
     divu #100,d0
     addi.w #193,d0
     andi.l #$ff,d0
     divu #100,d0 ; d0 has the month index i in the upper word (mod 100)
;
; ステップ 2 を適用 - DATE の前のユリウス閏日の年として spqr を検索
     swap d0
     andi.l #$ffff,d0
     add.b d1,d0
     add.w YEAR,d0
     subi.l #$300,d1
     lsr  #2,d1
     swap d1
     add.w d1,d0 ; spqr/4 + year + i + da
;
; (ステップ 0 - グレゴリオ暦の調整を適用)
     mulu FLAG,d1
     divu #50,d1
     mulu #25,d1
     lsr  #2,d1
     add.w d1,d0
     add.w FLAG,d0 ; (sp32div16) + spqr/4 + year + i + da
;
     divu #7,d0
     swap d0  ;  d0.w becomes the day number
;
     move.w d0,WDN ; returns the day number to address WDN
     rts
;
; 曜日は次のように曜日番号に対応します。
; 日=0 月=1 火=2 水=3 木=4 金=5 土=6
;

• モトローラ 6800 – 8ビットの前身
• DTACK Grounded – 初期の 68000 ニュースレター

• 「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。

データシートとマニュアル

• M68000 マイクロプロセッサ ユーザーズ マニュアル (Rev 8); Motorola (Freescale); 224 ページ; 1994 年。
• M68000 マイクロプロセッサ ユーザーズ マニュアル (第 9 版); NXP; 189 ページ; 1993 年。
• M68000 ユーザー マニュアル (Rev 0) の補遺; Motorola (Freescale); 26 ページ; 1997 年。
• M68000 ファミリ プログラマーズ リファレンス マニュアル、Motorola (Freescale)、646 ページ、1991 年、ISBN 978-0137232895。 

書籍

• 68000、68010、68020 入門書; 第 1 版; Stan Kelly-Bootle および Bob Fowler; Howard Sams & Co; 370 ページ; 1985 年; ISBN 978-0672224058 . (アーカイブ) 
• 68000 アセンブリ言語プログラミング/68010 および 68020 を含む; 第 2 版; Lance A. Leventhal、Doug Hawkins、Gerry Kane、William D. Cramer; Osborne/McGraw-Hill; 484 ページ; 1986 年; ISBN 978-0078812323。 
• Mastering The 68000 Microprocessor ; 初版; Phillip Robinson; Tab Books; 244 ページ; 1985 年; ISBN 978-0830608867 . (アーカイブ) 
• ポケット ガイド アセンブリ言語 68000 シリーズ用; 第 1 版; Robert Erskine; Pitman Publishing; 70 ページ; 1984 年; ISBN 978-0273021520。(アーカイブ) 
• 68000 マシン コード プログラミング (68000、68008、68010、および 68020 プロセッサ);第 1 版; David Barrow; Collins Professional and Technical Books; 234 ページ; 1985 年; ISBN 0-00-383163-9。 

画像

• モトローラ M68000 ダイ回路図

ウィキブックスには、 68000アセンブリに関する書籍があります。

• comp.sys.m68k よくある質問
• アセンブラ命令の説明
• cpu-collection.de の 68000 枚の画像と説明
• EASy68K、Windows 用のオープンソース 68k アセンブラ
• 68k および m88k リソース - モトローラの VME ベースの 68k ボードに関する情報