Motorola 68030

Motorola 68030 je 32-bitový mikroprocesor z rodiny Motorola 68000, uvedený na trh v roce 1987 jako nástupce modelu 68020. Oproti svému předchůdci přinesl několik významných vylepšení - zejména integrovanou jednotku správy paměti (MMU) a poprvé také vestavěné vyrovnávací paměti cache pro instrukce a data. Tyto novinky zvyšovaly efektivitu procesoru a umožnily zavést pokročilé funkce jako virtuální paměť přímo na čipu. Procesor 68030 si zachoval plnou zpětnou kompatibilitu s instrukční sadou předchozích procesorů řady 680x0 a stejně jako 68020 má plně 32-bitovou architekturu (tj. 32-bitové registry, datovou i adresovou sběrnici). Díky tomu mohl adresovat až 4 GB fyzické paměti a byl označován za plně 32-bitový čip.

Procesor Motorola 68030 v keramickém PGA pouzdru (verze MC68030RC50C na 50 MHz).

Detailní technická specifikace

Architektura a pipeline

Motorola 68030 patří mezi procesory architektury CISC a interně využívá třístupňovou instrukční pipeline pro zřetězené zpracování instrukcí. Oproti předchozím modelům navrhla Motorola u 68030 tzv. Harvard styl architektury - procesor obsahuje oddělené sběrnice a oddělené vyrovnávací paměti pro instrukce a pro data, což umožňuje paralelní přístup k instrukčním a datovým operacím.

Tento modifikovaný Harvard design se 32-bitovou adresovou i datovou sběrnicí zlepšuje propustnost, protože procesor může současně přednačítat instrukce a provádět přístupy k datům z paměti. Jako všechny procesory 68k je 68030 big-endian (nejvyšší bajt wordu má nejnižší adresu). Sada registrů zůstala shodná s 68020 - k dispozici je osm 32-bitových datových registrů D0 - D7 a osm 32-bitových adresových registrů A0 - A7 (jeden z nich slouží jako ukazatel zásobníku). Procesor podporuje také uživatelský a privilegovaný režim (supervisor mode) pro účely operačních systémů s ochranou paměti.

Instrukční sada 68030 je plně zpětně kompatibilní s 68020; zahrnuje tedy mimo jiné podpůrné instrukce pro práci s bitovými poli či BCD aritmetikou zavedené u 68020. Nově navíc obsahuje instrukce pro správu paměťových stránek a tabulek (využívané vestavěnou MMU).

Cache paměti a MMU

Velkým vylepšením 68030 je integrace dvou malých cache - instrukční a datové. Každá má kapacitu 256 B (16 řádků po 16 bytech). Cache paměti jsou přímo-mapované a procesor podporuje i burst mód (blokový přenos) pro rychlé plnění cache - umí naráz načíst do cache čtyři dlouhá slova (4×32 bitů) v rámci jednoho cyklu. Díky tomu se zlepšuje efektivita práce s pamětí a využití sběrnice.

Dalším zásadním prvkem je vestavěná jednotka správy paměti (MMU) pro stránkovanou virtuální paměť. Tato MMU plní podobnou úlohu jako dříve samostatný čip Motorola 68851 u procesoru 68020, avšak integrace přímo na procesoru přináší rychlejší přístup k paměti (odpadá zpoždění na sběrnici mezi procesorem a externí MMU).

MMU v 68030 je do značné míry kompatibilní s 68851, takže přechod na integrované řešení byl pro výrobce systémového softwaru snadný. 68030 využívá při práci s pamětí efektivní mechanismus: procesor generuje tzv. virtuální adresy a řídicí obvod cache nejprve zjistí, zda jsou požadovaná data v cache (za použití virtuální adresy). Překlad adres (z virtuální na fyzickou) pomocí MMU probíhá paralelně s tímto dotazem do cache, takže v případě cache miss je fyzická adresa potřebná pro přístup do hlavní paměti k dispozici bez prodlevy. Integrovaná MMU umožnila počítačům s 68030 využívat pokročilé operační systémy s ochranou paměti a virtuální pamětí (například různé UNIXové systémy či pozdější 32-bitové verze Mac OS) zcela bez nutnosti externích doplňkových čipů.

Takt, sběrnice a koprocesory

Procesor Motorola 68030 byl vyráběn pokročilou HCMOS technologií a obsahuje cca 273 000 tranzistorů. Díky postupnému zlepšování výrobního procesu dosahoval poměrně vysokých taktovacích frekvencí - první verze pracovaly na 16 - 25 MHz, pozdější modely na 33 MHz a nejrychlejší varianty až na 50 MHz.

Typicky byl 68030 nabízen ve dvou provedeních pouzder: levnější plastové QFP (Quad Flat Pack) pouzdro limitované z důvodu horšího odvodu tepla maximálně na 33 MHz a keramické PGA (Pin Grid Array) pouzdro, ve kterém byly k dispozici i 40MHz a 50MHz verze.

Procesor 68030 nemá integrovanou jednotku pro výpočty v plovoucí řádové čárce (FPU) - pro operace s desetinnými čísly bylo nutno použít externí matematický koprocesor Motorola 68881 nebo rychlejší 68882.

(Teprve nástupnický procesor 68040 obsahoval FPU na čipu.)

S běžným bus rozhraním Motorola 68020 je 68030 zpětně kompatibilní, takže jej bylo možné osadit do systémů původně navržených pro 68020. Kromě toho ale 68030 zavedl vylepšené synchronní rozhraní sběrnice, jehož využitím lze zrychlit přístup do paměti až o cca 33 % v porovnání se stejně taktovaným 68020. Sběrnice procesoru umožňuje i dynamic bus sizing - přizpůsobení šířky datového přenosu připojeným periferiím, takže 32-bitový procesor může efektivně komunikovat i s 16-bitovými či 8-bitovými zařízeními.

Použití v praxi

Motorola 68030 si našla široké uplatnění koncem 80. a začátkem 90. let v osobních počítačích, pracovních stanicích i různých specializovaných zařízeních. Osobní počítače Apple Macintosh patří mezi nejznámější příklady - procesorem 68030 byly vybaveny například modely Macintosh IIx (1988), IIci (1989) či kompaktní Macintosh SE/30 (1989). Později poháněl 68030 též celou řadu dalších Maců včetně Macintosh LC a Performa nebo prvních notebooků PowerBook.

• ACA-1232 ACA-1232
• ACA-1230 ACA-1230
• Blizzard 1230 MK-IV Blizzard 1230 MK-IV
•  

Stejný procesor použil také Commodore ve svém high-end modelu Amiga 3000 (1990) a navazujících strojích.

Firma Atari nasadila 68030 v poloprofesionálním modelu Atari TT030 a pozdějším Atari Falcon030. Procesorem 68030 byl vybaven rovněž slavný NeXT Computer (NeXT Cube) od firmy NeXT, což podtrhovalo jeho výkonové možnosti v době svého uvedení. Mimo tyto velkosériové počítače se 68030 objevil i ve specializovaných systémech - například v dedikovaných elektronických šachových počítačích nejvyšší třídy konce 80. let (Fidelity, Mephisto aj.).

Také v segmentu pracovních stanic a multimediálních či síťových zařízení byl 68030 velmi oblíbený. Společnost Sun Microsystems použila Motorolu 68030 ve své řadě unixových stanic Sun-3x (např. model Sun 3/80) jako nástupce starších stanic Sun 3 s 68020.

Konkurenční Apollo Computer nasadil tyto procesory ve stanicích DN3500 a DN4500 určených pro náročné CAD a grafické aplikace.

Procesory 68030 se uplatnily i v některých síťových serverech a telekomunikačních systémech - byly součástí ústředen Nortel DMS-100 a sloužily např. i jako řídicí jednotka v pokročilých laserových tiskárnách (např. některé modely Apple LaserWriter).

Pro svůj příznivý poměr výkonu a spotřeby si 68030 našel cestu i do průmyslových zařízení; existovala dokonce speciální levnější varianta Motorola 68EC030, která postrádala MMU a byla určena pro embedded aplikace (funkčně se podobala 68020 doplněné o cache). Jádro procesoru 68030 se s odstupem času dočkalo využití i v moderních mikrořadičích - firma Freescale (nástupce divize polovodičů Motorola) jej integrovala do některých svých embedded mikrokontrolérů pro dlouhodobou výrobu. To dokládá, že architektura 68030 měla natolik nadčasové kvality, že přetrvala ve specifických použitích hluboko do následujících dekád.

Význam a vliv na vývoj výpočetní techniky

Motorola 68030 představuje důležitý milník ve vývoji mikroprocesorů. Svou integrací více funkcí na jednom čipu (včetně cache a MMU) předběhl mnohé konkurenční procesory konce 80. let a nastínil směr, kterým se od té doby vývoj ubíral. V době uvedení byl 68030 prezentován jako zhruba dvakrát výkonnější nástupce modelu 68020 a jako silná odpověď na konkurenční Intel 80386.

(Marketingová prohlášení Motoroly hovořila o dvojnásobném výkonu oproti 68020 i 386 při srovnatelném taktu, což v praxi nebylo zcela dosaženo - reálné aplikace vykazovaly spíše cca 5% nárůst výkonu vůči 68020 při stejné frekvenci. Procesor nicméně umožnil dosažení vyšších absolutních výkonů díky podpoře vyšších taktů až 50 MHz a současně měl asi o čtvrtinu nižší spotřebu než 68020.)

Integrovaná MMU a další vylepšení výrazně usnadnily implementaci multitaskingu a chráněné paměti v operačních systémech - počítače s 68030 mohly snadno provozovat plnohodnotné UNIXové systémy nebo pokročilé grafické operační systémy, což je posun od omezenějších systémů na starších 16/32-bitových platformách. Například Apple musel s příchodem 68030 přizpůsobit svůj klasický Mac OS, aby podporoval 32-bitové adresování (tzv. „32-bit clean“ režim) a využil tak možností větší paměti, kterou 32-bitová architektura přinesla.

Procesor 68030 se ve své éře stal jedním z nejrozšířenějších výkonných procesorů v osobních počítačích a pracovních stanicích. Společně s procesory Intel 80386 / 80486 definoval technický pokrok konce 80. let - výrobci počítačů měli na výběr dvě konkurenční architektury, přičemž 68030 poháněl stroje od Apple, Commodore, Atari, Sun a dalších, zatímco Intel dominoval v IBM PC kompatibilním světě.

Tato „dvoukolejnost“ stimulovala inovace a výkonový závod v odvětví. Motorola 68030 svým úspěchem také připravila půdu pro následný model 68040 (který integroval i FPU a měl větší cache) a obecně potvrdila životaschopnost plně 32-bitových RISC-like prvků v CISC architektuře. Mnohé principy použité u 68030 - například oddělená datová a instrukční cache či paginace paměti - se staly standardem u pozdějších procesorů napříč platformami. V historii výpočetní techniky tak 68030 zanechal výraznou stopu: byl to procesor, který umožnil vzestup výkonných grafických pracovních stanic a multimediálních domácích počítačů na přelomu 80. a 90. let, a současně to byl spolehlivý „pracovní kůň“, jehož variace sloužily v průmyslu a embedded systémech ještě dlouho poté, co hlavní proud vývoje přešel na nové architektury.

Specifikace

	Plná verze	EC verze
Rok výroby:	1989	1989
Napájení:	5V	5V
Datová sběrnice:	32-bitů	32-bitů
Adresová sběrnice:	32-bitů	32-bitů
Instrukční cache:	256 bajtů	256 bajtů
Datová cache:	256 bajtů	256 bajtů
MMU:	Ano	Ne
FPU:	Ne	Ne
Maximální paměť:	4GB	4GB
Tranzistorů:	273.000	273.000
Vyráběno v rychlostech (MHz):	16, 20, 25, 33, 40, 50