モトローラ 68040

モトローラ68040 (" 68040 ") は、1990年に発売されたモトローラ 68000 シリーズの32ビットマイクロプロセッサです。 ^[2]これは68030の後継機であり、68050を飛ばして68060が続きました。モトローラの一般的な命名に従って、68040は単に '040 (オーフォーオーまたはオーフォーティと発音) と呼ばれることがよくあります。

68040 は、 680x0 ファミリで初めてオンチップ浮動小数点ユニット(FPU) を搭載した製品である。そのため、68040 には、これまで外部チップを必要としていたすべての機能、つまり FPU と、 68030 で追加されたメモリ管理ユニット(MMU) が搭載されている。また、命令キャッシュとデータ キャッシュがそれぞれ 4キロバイトに分割されていた。6 ステージの完全なパイプライン化が図られていた。^[3]

68040 のバージョンは、FPU を取り除いた 68LC040 や、FPU と MMU の両方を取り除いた 68EC040 など、特定の市場セグメント向けに作成されました。モトローラは EC バリアントを組み込み用途に想定していましたが、68040 の時代の組み込みプロセッサでは 68040 ほどのパワーは必要なかったため、68020 と 68030 の EC バリアントは設計で引き続き一般的でした。

モトローラは、いくつかの速度グレードを製造しました。16 MHz および 20 MHz の部品は認定されず (XC 指定)、プロトタイプ サンプルとして使用されました。25 MHz および 33 MHz グレードは全ラインで採用されましたが、2000 年頃までは 40 MHz グレードは「フル」 68040 のみでした。計画されていた 50 MHz グレードは、熱設計エンベロープを超えたためキャンセルされました。

Apple Macintoshコンピュータでは、チップにちなんで名付けられたMacintosh Quadraで 68040 が導入されました。最速の 68040 プロセッサは 40 MHz で動作し、Quadra 840AV でのみ使用されました。(短命だった) Macintosh Centrisラインのより高価なモデルでも 68040 が使用され、より安価な Quadra、Centris、およびMacintosh Performa では68LC040 が使用されました。 68040は、 Amiga 4000やAmiga 4000Tなどの他のパーソナルコンピュータ、いくつかのワークステーション、Alpha Microsystemsのサーバ、HP 9000/400シリーズ、NCR CorporationのTOWER 32/750、32/825、32/850、^[4] Apollo ComputerのDN5500、^[5]およびNeXTコンピュータのそれ以降のバージョンにも使用されました。

68040プロセッサは、すべての次世代およびMAXモデルを含む多くのボーイング737航空機のフライトマネジメントコンピュータ（FMC）に使用されています。 ^[6]

68040 は設計の早い段階でトランジスタの予算制限に達しました。MMU はそれほど多くのトランジスタを必要としませんでしたが (実際、CPU と同じダイに搭載することでトランジスタを節約できました)、FPU は多くのトランジスタを必要としました。モトローラの68882外部 FPU は非常に高性能なユニットとして知られており、モトローラはインテグレータが 68882 でより収益性の高い完全な "RC" ユニットではなく "LC" バージョンを使用するリスクを冒したくありませんでした (モトローラの 680x0 シリーズのマルチプロセッシング モデルについては、モトローラ 68020を参照してください)。68040 の FPU は IEEE超越関数を実行できませんでした。IEEE 超越関数は 68881 と 68882 の両方でサポートされており、当時人気のあったフラクタル生成ソフトウェアでのみ使用されていました。モトローラの浮動小数点サポート パッケージ (FPSP) は、割り込み時にソフトウェアでこれらの命令をエミュレートしました。これは例外ハンドラであるため、超越関数を頻繁に使用するとパフォーマンスに重大なペナルティが発生します。

68040 の寿命を通じて、熱は常に問題でした。68020 および 68030 の 4 倍以上のクロックあたりのパフォーマンスを実現しましたが、チップの複雑さと電力要件は、大きなダイと大きなキャッシュに起因していました。これはプロセッサのスケーリングに影響し、40 MHz を超えるクロック レートで動作することは決してできませんでした。50 MHz のバリアントが計画されましたが、キャンセルされました。オーバークロック愛好家は、80 MHz の部品の代わりに 100 MHz の発振器を使用し、ファン付きの特大のヒート シンクを追加するという当時斬新な手法を使用して、50 MHz に到達したと報告しました。

68040はIntel 80486と同じ機能を提供したが、クロック単位では整数および浮動小数点命令においてIntelチップを大幅に上回る性能を発揮した。^{[7] [8]}

68EC040は、Motorola 68040 マイクロプロセッサの 1 つのバージョンで、組み込みコントローラ (EC) 向けです。68040 と異なるのは、FPU も MMU も搭載されていないことです。そのため、価格が安く、消費電力も少なくなっています。68EC040 は、モデル 2900、2948G、2980G、4000、4500、5000、5500、6000、6500、および 7600 の中核をなす Cisco スイッチスーパーバイザ エンジン Iで使用されました。

68LC040は、FPU のないMotorola 68040マイクロプロセッサの低価格版です。これにより、価格が下がり、消費電力も少なくなります。CPU は Motorola 68030 に似た機能チャートに適合していますが、68040 のキャッシュとパイプラインが引き続き含まれているため、68030 よりも大幅に高速です。

68LC040のマスクリビジョンの一部には、ソフトウェアFPUエミュレータを使用するとチップが正常に動作しないというバグが含まれていました。モトローラのエラッタによると、 ^[9]マスクセット2E71M以降のチップにはこのバグは含まれていません。この新しいマスクは1995年半ばに導入され、68LC040チップをMCステータスに変換しました。^[10]

バグのあるリビジョンは、68LC040 ベースのApple Macintoshコンピュータによく見られます。マスク セット 2E23G (LC 475 で使用) のチップは、欠陥があることが確認されています。この欠陥は、F ライン例外がトリガーされたときに保留中の書き込みが失われることに関係しています。^[11] 68040 は、最新の x86 チップのようにマイクロコードを更新できません。つまり、浮動小数点機能を必要とするソフトウェアを使用する唯一の方法は、バグのある 68LC040 をそれ以降のリビジョン、または完全な 68040 に置き換えることです。

ATC = アドレス変換キャッシュ

• CPU タイプ別にグループ化された Macintosh モデルのリスト

• Savard, John JG (2018) [2007]. 「10 進浮動小数点標準」. quadibloc . その他の最近の 10 進浮動小数点形式。2018 年 7 月 3 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年7 月 16 日閲覧。

• Wayback Machineの MC68040 製品概要ページ(2012 年 3 月 4 日アーカイブ)
• MC68040V 第 3 世代 32 ビット低消費電力マイクロプロセッサ (PDF)
• M68040 マイクロプロセッサ ユーザーズ マニュアル (PDF)