モトローラ 68000 シリーズ

Motorola 68000 シリーズ( 680x0、m68000、m68k、または68kとも呼ばれる) は、 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ファミリです。1980 年代から 1990 年代初頭にかけて、パーソナル コンピュータやワークステーションで人気を博し、 Intelのx86マイクロプロセッサの主な競合製品でした。これらは、初期の Apple Macintosh、Sharp X68000、Commodore Amiga、Sinclair QL、Atari STおよびFalcon、Atari Jaguar、Sega Genesis (Mega Drive) およびSega CD、Philips CD-i、Capcom System I (Arcade)、AT&T UNIX PC、Tandy Model 16/16B/6000、Sun Microsystems Sun-1、Sun-2、Sun-3、NeXT Computer、NeXTcube、NeXTstation、NeXTcube Turbo、初期のSilicon Graphics IRIS ワークステーション、Aesthedes 、 MASSCOMPのコンピュータ、Texas Instruments TI-89 / TI-92計算機、Palm Pilot (Palm OS 4.x 以前が動作する全モデル)、Control Data Corporation CDCNET デバイスなどで使用されたプロセッサとして最もよく知られています。 Interface、VTech Precomputer Unlimited、Space Shuttleなどです。現代のデスクトップ コンピュータは 680x0 シリーズのプロセッサをベースにしていませんが、派生プロセッサは今でも組み込みシステムで広く使用されています。

モトローラは1994 年に 680x0 シリーズ アーキテクチャの開発を中止し、AIM アライアンスの一環としてIBMおよびApple Computerと共同で開発されたPowerPC RISCアーキテクチャに置き換えました。

• 第 1 世代 (内部的には 16/32 ビット、8 ビット、16 ビット、32 ビットのインターフェイスで製造)
  • 68000
  • 68EC000
  • 68SEC000
  • 68HC000
  • 68008
  • 68010
  • 68012
• 第 2 世代 (内部的には完全に 32 ビット)
  • 68020
  • 68EC020
  • 68030
  • 68EC030
• 第3世代（パイプライン）
  • 68040
  • 68EC040
  • 68LC040
• 第4世代（スーパースカラー）
  • 68060
  • 68EC060
  • 68LC060
• その他
  • Freescale 683XX (CPU32 別名 68330、68360 別名QUICC )
  • フリースケール コールドファイア
  • フリースケール ドラゴンボール
  • フィリップス 68070
  • アポロコア68080 ^[1]

68010 :

• 仮想メモリのサポート（再開可能な命令）
• 文字列とメモリライブラリプリミティブを高速化する「ループモード」
• 乗算命令ではクロックティックが14少なくなる
• 2  GiB直接アクセス可能なメモリ ( 68012バリアント)

68020 :

• 32 ビット アドレスと算術論理ユニット(ALU)
• 3段階パイプライン
• 256バイトの命令キャッシュ
• 無制限のワードおよびロングワードデータアクセス（アライメントを参照）
• 8倍のマルチプロセッシング能力
• 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ビットの余り）命令、およびビットフィールド操作
• アドレッシングモードにスケールインデックスと別の間接レベルが追加された
• 低コスト、EC = 24ビットアドレス

68030 :

• 命令キャッシュとデータキャッシュを それぞれ256バイトに分割
• オンチップメモリ​​管理ユニット（MMU）（68851）
• 低コストEC = MMUなし
• バーストメモリインターフェース

68040 :

• 命令キャッシュとデータキャッシュは それぞれ4KB
• 6段階パイプライン
• オンチップ浮動小数点ユニット(FPU)
• FPU には IEEE超越関数の能力がない
• FPUエミュレーションは2E71M以降のチップリビジョンで動作します
• 低コスト LC = FPU なし
• 低コスト EC = FPU または MMU なし

68060 :

• 命令キャッシュとデータキャッシュはそれぞれ8KB
• 10 段階パイプライン
• 2サイクル整数乗算ユニット
• 分岐予測
• デュアル命令パイプライン
• アドレス生成ユニット（AGU）の命令により、ALUの2サイクル前に結果が供給される。
• 低コスト LC = FPU なし
• 低コスト EC = FPU または MMU なし

680x0 プロセッサ ラインは、ハイエンドのTexas Instruments計算機 ( TI-89、TI-92、Voyage 200ライン) から、Palm OS 1.x から 4.x (OS 5.x はARMベース)を実行するPalm Pilotシリーズの全製品、さらにはスペース シャトルの重要な制御システムの耐放射線バージョンまで、さまざまなシステムで使用されてきました。

680x0 CPU ファミリーは、Macintosh 128K、Amiga、Sinclair QL、Atari ST、Genesis / Mega Drive、NG AES / Neo Geo CD、CDTVなどのデスクトップ コンピュータやビデオ ゲーム コンソールでよく知られるようになりました。これらは、 AT&T のUNIX PC、 Tandy のModel 16/16B/6000、 Sun Microsystems のSun-1、Sun-2、Sun-3、NeXT Computer、Silicon Graphics (SGI) など、 1980 年代のUnixワークステーションやサーバーで好んで使われたプロセッサでした。 Saturn では68000 がオーディオ処理やその他の I/O タスクに使用され、Jaguar には基本的なシステム制御と入力処理を目的とした 68000 が搭載されていますが、ゲーム ロジックの実行に頻繁に使用されました。カプコン、SNK、セガなどの多くのアーケードボードでも 68000 プロセッサが使用されています。

Adobe のPostScriptインタプリタの最初の数バージョンは 68000 ベースでした。Apple LaserWriterおよび LaserWriter Plusの 68000 は、当時の Macintosh コンピュータで使用されていたバージョンよりも高速にクロックされました。高速な 68030 は、標準解像度の LaserWriter IIntx、IIf、IIg (300 dpi)、高解像度の LaserWriter Pro 600 シリーズ (通常は 600 dpi ですが、最小 RAM を搭載した場合は 300 dpi に制限されます)、および非常に高解像度のLinotronicイメージセッタである 200PS (1500+ dpi) および 300PS (2500+ dpi) など、後の PostScript インタプリタに使用されました。その後、Adobe は一般にプロセッサに RISC を好みました。これは、競合他社が PostScript クローンで既に RISC (多くの場合 AMD 29000 シリーズ) を採用していたためです。初期の 68000 ベースの Adob​​e PostScript インタープリタとそのハードウェアは、冷戦時代の米国のロケットやミサイルにちなんで、Atlas、Redstone など と命名されました。

68000 ファミリから派生したマイクロコントローラは、さまざまなアプリケーションで使用されてきました。CPU32およびColdFireマイクロコントローラは、自動車エンジン コントローラとして数百万個製造されてきました。

多くのプロプライエタリなビデオ編集システムでは、68000 プロセッサが使用されていました。たとえば、MacroSystem Casablanca は、使いやすいグラフィック インターフェイスを備えたブラック ボックスでした (1997)。これは、アマチュアや趣味のビデオグラファーの市場を対象としていました。また、それ以前の、より大きく、よりプロフェッショナルな対応製品である「DraCo」(1995) も注目に値します。画期的なQuantel Paintboxシリーズは、初期の 24 ビット ペイントおよびエフェクト システムをベースにしており、1981 年に最初にリリースされました。その全期間を通じて、68000 ファミリ プロセッサのほぼ全範囲が使用されましたが、68060 は設計に実装されませんでした。ビデオ分野でのもう 1 つの競合製品である Abekas 8150 DVE システムは 680EC30 を使用し、後に Globecaster に改名された Play Trinity は、68030 を複数使用しました。 Robert Bosch Corporation (後の BTS (1983)) が製造した Bosch FGS-4000/4500 ビデオ グラフィックス システムは、68000 をメイン プロセッサとして使用し、他のプロセッサを駆動して、Gouraud および Phong シェーディングを簡単に適用できるコンピュータで 3D アニメーションを実行しました。このシステムは、修正されたMotorola VERSAdosオペレーティング システムを実行しました。

PDP-11やVAXに詳しい人であれば、68000 シリーズも使い慣れているはずです。汎用レジスタが専用のデータ レジスタとアドレス レジスタに分割されている点を除けば、68000 アーキテクチャは多くの点で 32 ビットの PDP-11 です。

このプロセッサは、それ以前 (8080 など) やそれ以降 (x86 など) の多くのプロセッサよりも、より直交的な命令セットを持っていました。つまり、特定の命令で特定のアドレッシング モードを使用するという制限を受けることなく、オペランドを使用して自由に操作を組み合わせることができました。この特性により、プログラミングは人間にとって比較的簡単になり、コンパイラ用のコード ジェネレータの作成も容易になりました。

68000 シリーズには、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 ポインタであり、アセンブラはラベル SP を A7 と同等として受け入れます。

さらに、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、変更は特権が必要です。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、および論理演算は、条件コードを変更して、後の条件付き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、「ゼロ」(Z)、「キャリー」(C)、「オーバーフロー」(V)、「拡張」(X)、「負」(N) 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、およびシフト演算からの追加ビットを、フロー制御とリンクのためにキャリーから分離できます。

68000 には「スーパーバイザ モード」がありましたが、ステータス レジスタを別のレジスタにコピーする単一の命令「MOVE from SR」が非特権だがセンシティブであるため、Popek と Goldberg の仮想化要件を満たしていませんでした。Motorola 68010以降では、仮想化ソフトウェアをより適切にサポートするために、これが特権になりました 。

68000 シリーズの命令セットは、次の大まかなカテゴリに分類できます。

• ロードと保存（MOVE）
• 算術演算(ADD、SUB、MULS、MULU、DIVS、DIVU)
• ビットシフト(ASL、ASR、LSL、LSR)
• ビットローテーション (ROR、ROL、ROXL、ROXR)
• 論理演算（AND、OR、NOT、EOR）
• 型変換（バイトからワードへ、およびその逆）
• 条件付きおよび無条件分岐(BRA、Bcc - BEQ、BNE、BHI、BLO、BMI、BPL など)
• サブルーチンの呼び出しと戻り (BSR、RTS)
• スタック管理 (LINK、UNLK、PEA)
• 割り込みの発生と応答
• 例外処理
• 存在する CPU または MMU または FPU を判別するための x86 CPUID命令に相当するものはありません。

Motorola 68020では、スーパーバイザ状態への若干の改良と拡張、マルチプロセッシング システムのソフトウェア管理用のいくつかの命令 (68060 では削除されました)、あまり使用されなかった (将来の 680x0 プロセッサから削除されました) 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 フィールド操作を含むいくつかの新しい命令が追加されました。

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
  • 単純なアドレス、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します。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ビット版があった。
• 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、および後続の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す。

Motorola 68020 では、スケールされたインデックスアドレス モードが追加され、既存のモードの多くに 別のレベルの間接参照が追加されました。

ほとんどの命令にはドット文字のサフィックスが付いており、8 ビット バイト (「.b」)、16 ビット ワード (「.w」)、および 32 ビット ロング (「.l」) での操作が可能になります。

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、DIVS、NEG (加法否定)、CMP (結果を保存せずに引数を減算し、ステータス ビットを設定する比較)
• 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、そうでない) 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) のうち、BRA (常に分岐) には別のニーモニックがあり、BSR (サブルーチンへの分岐) は、本来は「分岐なし」となるはずのエンコードを使用します。
• 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。

モトローラは、68000、68020、68040、68060 など、CPU コアのメジャー リビジョンに主に偶数を使用しました。68010 は、コアに小さな変更を加えた 68000 の改訂版であり、同様に 68030 は、いくつかのより強力な機能を備えた改訂版 68020 でしたが、そのいずれもコアのメジャー アップグレードと分類できるほど重要なものではありませんでした。

68050 は「68040 のマイナー アップグレード」と伝えられたが、モトローラ社内のリソース獲得競争に敗れ、後継として予定されていたプロジェクト、つまり 0.5µm、低電力、低コストの「LP040」と、88110 から借用し 68060 として期待されていたスーパースカラー、スーパーパイプラインの「Q」と競合した。^[19]その後の報告によると、モトローラは 68050 は部品の製造に必要な投資に値しないと考えていた。^[20]奇数番号のリリースは常に、以前の偶数番号の部品で発生した問題に対する反応であったため、68050 は 68040 の電力消費 (およびそれに伴う熱放散) を削減し、FPU の例外処理を改善し、より小さな機能サイズを使用し、プログラムによる命令の使用に合わせてマイクロコードを最適化することが一般的に期待されていた。これらの最適化の多くは 68060 に取り入れられ、その設計目標の一部でした。68060 が開発中であったこと、Intel 80486 が Motorola の想定ほど速く進歩していなかったこと、68060 が要求の厳しいプロジェクトであったことなど、さまざまな理由から、68050 は開発の早い段階でキャンセルされました。

また、モトローラは 68000 および88kプロセッサ ラインから新しいPowerPCビジネスに移行する過程にあったため、 68060の改訂版はなく、68070 は開発されませんでした。開発されていたとしたら、おそらくより優れた FPU を備えた改訂版の 68060 だったでしょう (パイプラインについては Usenet で広く推測されていました)。

68070という名称の CPU がありました。これは、基本的な DMA コントローラ、I²Cホスト、およびオンチップ シリアル ポートを備えた、16/32 ビット 68000 のライセンス版で、やや低速なバージョンでした。この 68070 は、Philips CD-iのメイン CPU として使用されました。ただし、この CPU はPhilipsによって製造されたもので、Motorola の 680x0 ラインナップの正式な一部ではありませんでした。

モトローラは、68060の次の製品ロードマップを発表しており、1995年までに200～350MIPSの68080を発売し、2000年までに800MIPSの製品（おそらく68100という名前）を発売する予定であった。^[20]

第 4 世代の68060 は、 Intel P5 マイクロアーキテクチャのほとんどの機能と同等の機能 (ただし、命令セット アーキテクチャの互換性はありません) を提供しました。

パーソナルコンピュータXT/370とAT/370 PCベースのIBM互換メインフレームには、それぞれS/370メインフレームの命令をエミュレートするカスタムマイクロコードを搭載した2つの改造されたモトローラ68000プロセッサが搭載されていました。^{[21] [22]}

アリゾナ州に拠点を置く Edge Computer Corp は、元 Honeywell の設計者によって設立されたと伝えられており、68000 シリーズと互換性のあるプロセッサを製造しており、これらはMotorola の自社製品に比べて「3 ～ 5 倍の性能と18 ～ 24 か月の納期の優位性」があると主張している。 ^[23] 1987 年に同社は、Edge メインフレーム アーキテクチャに Motorola の命令セットを実装した 32 ビット スーパーミニコンピュータである Edge 1000 シリーズを発表した。これは、命令フェッチ パイプライン (IFP) とオペランド実行パイプライン (OEP) の 2 つの独立したパイプラインを採用し、4096 エントリの分岐キャッシュを備えた分岐予測ユニットに依存し、複数のバスを介して命令とオペランドを取得している。^[24] Edge Computer と Olivetti の間の合意により、Olivetti は Edge Computer のマシンをベースにした独自の「Linea Duo」シリーズの製品を発表することになった。^[25]その後、同社はEdgcore Technology Inc. ^{[26]に改名された（  Edgecore Technology Inc. [27]}とも呼ばれた）。Edgcoreは1987年にOlivettiとE1000プロセッサの供給契約を結び、続いて1989年にはPhilips Telecommunications Data SystemsとE2000プロセッサの供給契約を結んだ。このプロセッサは68030命令セットをサポートし、16 VAX MIPSの性能評価を提供したと伝えられている。^[28] Nixdorf Computerおよび日立とも1989年に同様の契約を結んだ。^{[29] [30]}

エッジ・コンピュータはモトローラと契約を結んでいたと伝えられている。^[27] RISC製品との競争が激化する中、エッジコアはモトローラとの「提携」を強調することで市場で自社製品を差別化しようとし、イソップ童話にちなんだ「キツネ（エッジコア）が牡馬（モトローラ）の背中に登り、木の高い枝から果物をもぎ取る」というマーケティングキャンペーンを展開した。^[31]赤ずきんなど、他の民話の広告テーマも採用された。^[32]同社の投資家が同社へのさらなる資金提供を拒否し、複数の企業が他の当事者との協議に関与していたため、アリックス社は1989年7月にエッジコアの買収を発表した。^[30]アリックスは1990年に日立との契約を更新できたと伝えられているが、オリベッティやフィリップスとの以前の契約の将来については、エッジコア買収後も疑問が残った。^[33]

1992年、International Meta Systems (IMS)という会社がRISCベースのCPU、IMS 3250を発表しました。これは「Intel 486やMotorola 68040をネイティブ速度で、その数分の一のコストでエミュレートできる」と伝えられています。100MHz では、エミュレーションが開発されていたとされる25MHz 486および30MHzの68040、浮動小数点ユニットのサポートを含む、この製品は1993年半ばに1ユニット当たりのコストで生産される予定である。50～60ドル。^[34] PowerPC 615などのプロセッサでエミュレーションサポートが急増している中、1994年にIMSはエミュレーション技術の特許を申請したが、ライセンシーを見つけられなかったと報じられた。^[35]この製品の導入が何度も遅れたことは、ある時「チップの音声処理機能を改善する必要がある」と非難され、^[36]どうやら同社はIntelのP6製品に対抗することを目的とした別のチップMeta6000の導入を模索することになったようだ。^[37]最終的に、IMSは特許を訴訟代理人のTechSearchに売却して破産した。TechSearchは1998年にIntelをIMSの特許侵害で訴えようとした。^[38]テックサーチは敗訴したと伝えられているが、控訴を試み、また、テックサーチのビジネスモデルをマスコミに対して不利な発言をしたインテルの代表者のコメントを根拠に、インテルを「名誉毀損と中傷」で訴えようとした。^[39]

メインラインの 68000 プロセッサの廃止後、68000 ファミリはマイクロコントローラや組み込みマイクロプロセッサのバージョンである程度使用されてきました。これらのチップには、上記の「その他」にリストされているもの、つまりCPU32 (別名68330 )、ColdFire、QUICC、DragonBallが含まれます。

FPGA技術の登場により、国際的なハードウェア開発者チームが68000を多くの機能強化を施したFPGAコアとして再現しました。このコアは68080として知られ、ヴァンパイアブランドのAmigaアクセラレータで使用されています。^[40]

Magnetic Sc​​rolls は、テキスト アドベンチャーの仮想マシンのベースとして 68000 の命令のサブセットを使用しました。

1980年代から1990年代初めにかけて、68000がデスクトップコンピュータで広く使用されていた頃、68000は主にIBM PC互換機で使用されていたIntelのx86アーキテクチャと競合していた。第1世代の68000 CPUは主に16ビットの8086、8088、80286と競合していた。第2世代は80386（最初の32ビットx86プロセッサ）と競合し、第3世代は80486と競合した。第4世代はP5 Pentiumラインと競合したが、古い68000市場の大部分が消滅しているかほぼ消滅していたか（AtariやNeXTの場合）、新しいアーキテクチャ（MacintoshとAmigaのPowerPC、SunのSPARC、Silicon Graphics（SGI） のMIPS ）に移行していたため、第4世代は前世代ほど広く使用されなかった。

組み込みシステムで成功しているプロセッサ アーキテクチャは数多くあります。68000 よりもはるかにシンプルで小型、安価なマイクロコントローラもあれば、比較的洗練されていて複雑なソフトウェアを実行できるものもあります。68000 の組み込みバージョンは、PowerPC、ARM、MIPS、SuperHなどをベースとしたプロセッサ アーキテクチャと競合することがよくあります。

• VMEbus は、 68000シリーズ用に設計された外部コンピュータバス規格です。

• Howe, Dennis 編 (1983)。Free On-Line Dictionary of Computing。インペリアル・カレッジ、ロンドン。http://foldoc.org。2007 年 9 月 4 日閲覧。

Wikibooksには68000アセンブリに関する本があります。

• BYTE マガジン、1986 年 9 月号: 68000 ファミリー
• 680x0プロセッサをサポートするオペレーティングシステムの非常に広範なリスト