Motorola 68040

Motorola 68040 je plně 32-bitový mikroprocesor řady Motorola 68000, který byl uveden na trh v roce 1990 jako nástupce modelu 68030. Představuje čtvrtou generaci klasické CISC architektury m68k a oproti předchozím procesorům přinesl několik zásadních vylepšení. Jedná se o první procesor z rodiny 68k s integrovanou jednotkou pro výpočty v pohyblivé řádové čárce (FPU) přímo na čipu. Zároveň obsahuje vestavěnou jednotku správy paměti (MMU), čímž odpadla nutnost externích podpůrných obvodů známá z dřívějších modelů. Díky těmto integracím a dalším novinkám (např. vestavěným vyrovnávacím pamětem cache) dokázal 68040 výrazně zvýšit výkon a možnosti oproti svému předchůdci.

Procesor Motorola 68040 - prototypová verze XC68040RC25M (25 MHz).

Architektura a technické specifikace

Motorola 68040 má plně 32-bitovou architekturu - pracuje s 32-bitovými registry i sběrnicemi a dokáže adresovat až 4 GB paměti. Zachovává si bohatou CISC instrukční sadu řady 68000 včetně množství adresovacích režimů a je zpětně kompatibilní s kódem pro starší procesory této řady. Oproti modelu 68030 je však 68040 výrazně pokročilejší z hlediska vnitřního designu, neboť integruje dříve samostatné komponenty a zavádí hlubší pipeline zpracování instrukcí. Následují klíčové technické charakteristiky procesoru 68040:

Plně 32-bitové provedení

Datová i adresová sběrnice mají šířku 32 bitů, což umožňuje adresovat až 4 GB paměti. Procesor M68040 (stejně jako předchozí 68020/30) je interně plně třicetidvoubitový.

Integrovaná FPU a MMU

Přímo na čipu se nachází matematický koprocesor pro operace v plovoucí čárce (kompatibilní s dřívějšími externími FPU 68881/68882) a jednotka správy paměti pro podporu virtuální paměti. Díky tomu 68040 nabízí kompletní funkcionalitu bez nutnosti doplňkových čipů.

Cache paměti

Procesor používá Harvardovu architekturu cache - má oddělenou instrukční a datovou cache, každou o kapacitě 4 KB. To představuje osminásobné zvětšení oproti 68030, který měl cache pouze 512 B. Vyšší kapacita cache výrazně přispívá k nárůstu výkonu.

Šestistupňová pipeline

Instrukční pipelining byl prohlouben na 6 stupňů (dvojnásobek oproti třístupňové pipeline u 68030). To znamená, že různé fáze zpracování instrukcí (např. načtení, dekódování, provedení) mohou probíhat souběžně, což zvyšuje celkovou propustnost procesoru.

Registry

Programátorský model zahrnuje 8 obecných 32-bitových datových registrů D0 - D7 a 8 adresních registrů A0 - A7 (z nichž registr A7 slouží jako zásobníkový ukazatel). Nechybí 32 bitový programový čítač (PC) a status registr pro příznaky. Tato struktura registrů zůstává stejná jako u předchozích procesorů řady 68000.

Taktovací frekvence

Běžně byly vyráběny varianty na 25 MHz a 33 MHz, plná verze 68040 dosahovala až 40 MH. Plánovaná 50 MHz varianta byla zrušena kvůli problémům s nadměrným zahříváním čipu. Interně běží některé části čipu na dvojnásobku externí frekvence (např. 66/33 MHz) kvůli zvýšení výkonu.

Výrobní provedení

Čip obsahuje přibližně 1,2 milionu tranzistorů a byl vyráběn pokročilou CMOS technologií (prototypy na 0,8 µm). Dodával se v pouzdrech PGA se 179 vývody nebo plochém QFP se 184 vývody.

Varianty

Odvozené modely zahrnují Motorola 68LC040 (levnější varianta bez integrované FPU) a 68EC040 (verze pro embedded použití, postrádající FPU i MMU). Tyto varianty jsou binárně kompatibilní, ale nižší cena je vykoupena omezenou funkcionalitou (např. Apple je využíval v levnějších modelech Macintosh LC, zatímco plný 68040 byl v dražších Quadra).

Použití v praxi

Procesory 68040 se na počátku 90. let objevily v mnoha výkonných osobních počítačích, pracovních stanicích i specializovaných zařízeních. Mezi nejznámější patří zejména:

Apple Macintosh

Řada počítačů Macintosh Quadra (pojmenovaná právě podle čipu 68040) byla osazena tímto procesorem - např. model Quadra 840AV s taktovací frekvencí 40 MHz byl nejrychlejší 68k Macintosh. Také některé modely Centris, Performa a LC používaly buď plnou verzi 68040, nebo levnější 68LC040 (bez FPU) u méně nákladných variant. Apple tímto procesorem osadil i první notebooky Macintosh (PowerBook Duo 280, řada 500) uvedené v roce 1994.

Macintosh Quadra 840AV s taktovací frekvencí 40 MHz byl nejrychlejší 68k Macintosh

Společnost NeXT, vedená Stevem Jobsem, použila 68040 ve svých výkonných pracovních stanicích NeXTcube a NeXTstation (modely z počátku 90. let). Tyto počítače těžily z výkonu 68040 při provozu náročného grafického rozhraní a objektově orientovaného operačního systému NeXTSTEP.

NeXTcube z počátku 90. let

Commodore Amiga

V roce 1992 byl uveden počítač Amiga 4000/040 vybavený procesorem 68040 na 25 MHz, určený pro náročné multimediální aplikace. Amiga 4000 tak patřila k nejvýkonnějším domácím počítačům své doby a později byla nabízena i verze Amiga 4000T s rychlejším CPU (případně upgrade na 68060).

Amiga 4000/040 vybavená procesorem 68040 na 25 MHz

Pracovní stanice UNIX

Společnost Hewlett-Packard nasadila 68040 ve svých pracovních stanicích HP 9000 řady 400 (vzniklých akvizicí firmy Apollo). Příkladem je model Apollo DN5500, využívající 25 MHz 68040 pro běh operačního systému Domain/OS. Také firma NCR použila 68040 ve svých serverech Tower 32 (modely 750, 825, 850) a menší výrobci jako Alpha Microsystems ve svých víceuživatelských systémech.

Embedded a speciální použití

Procesor 68040 se uplatnil i v řadě zabudovaných systémů. Například některé síťové přepínače Cisco řady Catalyst měly v řídicí jednotce osazen ekonomický 68EC040. Významný je také dlouhodobý provoz těchto čipů v letecké technice - palubní počítače (FMC) dopravních letadel Boeing 737 Next Generation a MAX používají procesory řady 68040 pro svou spolehlivost a ověřenou architekturu.

(Poznámka: Společnost Sun Microsystems, která v 80. letech rovněž stavěla pracovní stanice na procesorech Motorola 68k, v době nástupu 68040 již přešla na vlastní procesory SPARC, takže modely Sun s čipem 68040 nebyly uvedeny.)

Význam a vliv

Motorola 68040 představovala vrchol klasické 68k architektury v období před nástupem moderních RISC procesorů. Svými parametry a integrací byla plnohodnotným konkurentem tehdejšího Intel 80486 - nabízela srovnatelné funkce a při stejném taktu dosahovala vyššího výkonu v celých číslech i plovoucí čárce.

Limitujícím faktorem však bylo dosažitelné kmitočtové rozpětí: kvůli vysoké spotřebě a zahřívání zůstala maximální frekvence 68040 na 40 MHz, zatímco Intel dokázal architekturu 486 dále škálovat (modely 486DX2/DX4 na 50-100 MHz) a uvést úsporné varianty pro notebooky. Také z tohoto důvodu začala firma Apple již v roce 1994 nahrazovat procesory řady 68000 novou architekturou PowerPC. Model 68040 se tak stal posledním vysokovýkonným zástupcem 68k použitém v osobních počítačích a jeho nástupce 68060 již vyšel v době, kdy hlavní odběratelé přešli jinam.

Nic to však neubírá na významu 68040 v historii výpočetní techniky. Tento čip demonstroval možnosti integrace dříve samostatných komponent (CPU, FPU, MMU, cache) do jednoho pouzdra a ovlivnil další směřování procesorů Motorola.

Architektura 68040 se stala základem pro pozdější specializované procesory řady ColdFire, určené pro embedded systémy. Procesory odvozené z 68040 (či jeho redukovaných variant) byly díky své spolehlivosti a vyzrálosti nasazovány v průmyslových a síťových zařízeních ještě dlouho poté, co v oblasti osobních počítačů převzaly otěže jiné platformy. Motorola 68040 tak zanechala trvalou stopu - jako výkonný a technicky pokročilý procesor, který završil éru 32-bitových CISC čipů Motorola a přispěl k přechodu na nové generace výpočetní techniky.

Specifikace

	Plná verze	EC verze	LC verze
Rok výroby:	1991	1991	1991
Napájení:	3.3V, 5V	3.3V, 5V	3.3V, 5V
Datová sběrnice:	32-bitů	32-bitů	32-bitů
Adresová sběrnice:	32-bitů	32-bitů	32-bitů
Instrukční cache:	4KB	4KB	4KB
Datová cache:	4KB	4KB	4KB
MMU:	Ano	Ne	Ano
FPU:	Ano	Ne	Ne
Maximální paměť:	4GB	4GB	4GB
Tranzistorů:	1.170.000	1.170.000	1.170.000
Vyráběno v rychlostech (MHz):	20, 25, 33, 40