Motorola 68060
Motorola 68060 je plně 32-bitový mikroprocesor architektury CISC z rodiny Motorola 680x0, uvedený na trh v dubnu 1994 jako nástupce modelu 68040. Byl to nejvýkonnější a zároveň poslední člen této klasické řady procesorů, než byla její další evoluce opuštěna ve prospěch architektury PowerPC. Procesor 68060 přinesl oproti předchůdci zásadní vylepšení výkonu díky zcela přepracovanému superskalárnímu návrhu - dokázal zpracovávat více instrukcí paralelně a měl větší integrované cache paměti. Díky tomu dosahoval až trojnásobného výkonu oproti čipu 68040 na stejné taktovací frekvenci. Motorola také uvedla odvozené varianty 68LC060 (levnější verze bez matematického koprocesoru) a 68EC060 (verze pro embedded aplikace bez FPU i MMU), které měly snížené náklady a spotřebu.
Standardní Motorola 68060 však představovala vrchol technických možností řady 68k a dodnes je ceněna jako nejrychlejší procesor této rodiny.
Detailní technická specifikace
Architektura a instrukční sada
Motorola 68060 obsahuje zhruba 2,5 milionu tranzistorů a je navržena jako plně 32-bitová - má 32-bitovou datovou i adresovou sběrnici. Jedná se o procesor typu CISC, který zachovává zpětnou kompatibilitu instrukční sady Motorola 68000. To znamená, že podporuje bohatou škálu adresovacích módů a instrukcí jako předchozí 68k čipy. Několik málo speciálních a zřídka používaných instrukcí však nebylo implementováno přímo v mikroarchitektuře - například instrukce MOVEP, CHK2, CMP2, CAS2 či 64-bitové násobení / dělení vyvolávají tzv. „Unimplemented Instruction“ výjimku a jsou emulovány softwarem. Tento kompromis umožnil zmenšit plochu čipu bez výrazného dopadu na běžný kód.
Superskalární pipeline
68060 byl prvním z řady 68k se superskalární architekturou. Procesor disponuje dvěma paralelními zpracovatelskými kanály (pipeline) pro celočíselné instrukce, které umožňují vykonat až dvě instrukce během jednoho hodinového cyklu (tzv. dual-issue in-order design).
Interně má dekodér schopnost rozložit komplexní CISC instrukce na jednodušší mikroinstrukce, které jsou vykonávány ve dvou čtyřstupňových „RISC“ jádrech uvnitř procesoru. Tato technika zjednodušuje a zrychluje zpracování složitých instrukcí. Důležité je, že na rozdíl od celočíselných jednotek není jednotka pro pohyblivou řádovou čárku (FPU) u 68060 pipelinovaná (nemá zřetězené zpracování více FPU instrukcí najednou). To znamená, že ve výpočtech s plovoucí čárkou podává 68060 zhruba poloviční výkon oproti stejně taktovanému procesoru Intel Pentium, zatímco v celočíselných operacích jej může i předčit. Pro běžný smíšený kód tak 68060 dosahoval výborných výsledků - Pentium například nemohlo vydávat FPU instrukce tak volně jako 68060, což v určitých situacích dávalo Motorole výhodu. Celkově Motorola udávala nárůst výkonu cca 3× proti 25 MHz 68040 při uvedení 50 MHz verze 68060 (tj. kolem 77 MIPS).
Cache paměti a predikce větvení
Pro minimalizaci čekání na paměť integroval 68060 poměrně velké vyrovnávací paměti cache - 8 KB pro instrukce a 8 KB pro data, obě čtyřcestně asociativní. Oproti 68040 (který měl 4 KB + 4 KB) tak došlo k výraznému zvětšení cache. K procesoru náleží také 96-bytový prefetch buffer (FIFO zásobník instrukcí) pro předběžné načítání instrukcí do pipeline.
Zajímavostí je implementace predikce skoků: 68060 obsahuje 256 položkový branch cache, který urychluje zpracování podmínek a skoků tím, že si pamatuje cíle nedávných větvení. To zlepšuje tok programu v superskalárním prostředí a snižuje penalizaci při skoku na již známé místo. Pro stránkování paměti má jednotka MMU navíc 64 položkovou ATC cache (Address Translation Cache) pro urychlení překladů adres.
Integrované FPU a MMU
Model 68060 v plné konfiguraci obsahuje vestavěný matematický koprocesor (FPU) pro výpočty v plovoucí čárce a také jednotku správy paměti (MMU) kompatibilní s předchozími 68k procesory (stránkování, virtuální paměť). Tyto jednotky byly u předchozích generací buď nepřítomné nebo samostatné, ale 68060 je má on-chip, což zlepšuje výkon i kompaktnost systému.
Motorola ovšem uvedla i odlehčené verze: 68LC060, který postrádal FPU, a 68EC060, který neměl ani FPU, ani MMU. Tyto varianty byly levnější a měly menší spotřebu, a byly určeny pro případy, kde nebyla vyžadována podpora operací v plovoucí čárce nebo virtuální paměti.
Taktovací frekvence a výroba
První exempláře 68060 pracovaly na frekvenci 50 MHz a byly vyráběny 0,6 µm CMOS technologií. Později byla výroba převedena na pokročilejší 0,42 µm proces, což umožnilo zvýšit takt na 66 MHz a následně až 75 MHz. Procesor využívá statickou CMOS logiku a oproti 68040 (který vyžadoval 5V napájení) pracuje s jádrovým napětím 3,3 V (I/O piny 5 V). Nižší napětí a menší geometrie znamenaly výrazně nižší spotřebu energie a tepla, což usnadnilo nasazení rychlejších verzí.
Některé exempláře (revize 6, maska 71E41J) byly nadšenci schopni přetaktovat i na 100 - 133 MHz při dostatečném chlazení. Oficiálně však nejrychlejší modely pracovaly do 75 MHz. Při taktu 66 MHz dosahuje 68060 výkonu kolem 88 MIPS a zhruba 36 MFLOPS (milionů operací v plovoucí čárce za sekundu), což demonstruje značný výpočetní výkon na svou dobu.
Sběrnice a pouzdro
Procesor komunikuje s okolím po 32-bitové datové sběrnici a adresové sběrnici o šířce 32 bitů, což umožňuje adresovat až 4 GB paměti přímo. Řadič sběrnice podporuje i vyspělé funkce jako burst přenosy dat, čímž efektivně využívá šířku pásma. 68060 se dodával v keramickém pouzdře PGA se 206 vývody (PGA-206) kompatibilním s paticí pro Motorola 68040. Díky tomu bylo v některých systémech možné nahradit stávající 68040 novějším 68060 (pokud byly zohledněny rozdíly v napájení a podpoře neimplementovaných instrukcí). Tato kompatibilita usnadnila upgrade starších počítačů na nový procesor.
Využití v praxi
Ačkoli se 68060 objevil až v době, kdy se hlavní proud výpočetní techniky přesouval k RISC architekturám, našel uplatnění v řadě počítačů, pracovních stanic i embedded zařízení v druhé polovině 90. let.
Osobní počítače
Společnost Escom (Amiga Technologies) využila Motorola 68060 v některých vylepšených verzích počítače Amiga 4000T, který vybavila procesorem 68060 na 50 MHz namísto původního 68040. Kromě toho nabízeli třetí strany řadu akceleračních karet pro starší modely Amig (A1200, A3000, A4000), osazených právě 68060, čímž výrazně zvýšily výkon těchto strojů. Podobně v komunitě Atari vznikly akcelerátory (například CT60 a CT63 pro Atari Falcon), případně klony počítačů Atari ST, využívající procesor 68060 k dosažení maximálního možného výkonu na platformě 68k.
Za zmínku stojí i projekt Sinclair Q60, což byla modernizovaná verze osmibitového Sinclair QL - tato základní deska s 66 MHz 68060 (případně s 68LC060 přetaktovaným na 80 MHz) umožnila provoz QL software řádově stokrát rychleji než původní QL z 80. let.
Pracovní stanice a servery
Tradiční výrobci UNIXových pracovních stanic (Sun, SGI, HP aj.) přešli v té době na vlastní RISC procesory, takže 68060 se v mainstreamových pracovních stanicích nevyskytuje. Nicméně firma Alpha Microsystems využila 68060 ve svých minipočítačových systémech AM-6000, AM-6060 a AM-7000, určených pro víceuživatelské prostředí. Tyto stroje nasadily 68060 jako hlavní procesor v pozdních 90. letech, než Alpha Microsystems nakonec přešla na architekturu x86.
Dalším příkladem profesionálního nasazení jsou grafické stanice pro televizní vysílání od firmy Chyron - například řady iNFiNiT!, Max! a Maxine! (zařízení pro generování televizní grafiky a titulků) používaly 50MHz procesor 68060 jako centrální jednotku. Tato zařízení byla ve své době hojně využívána v televizních studiích a těžila z výkonu 68060 při real-time vykreslování textů a animací.
Embedded systémy a síťová zařízení
Procesory řady 68060 si oblíbili i výrobci průmyslových a síťových zařízení. Motorola sama nabízela VMEbus moduly řady MVME-17x osazené 68060, a podobně firma Force Computers vyráběla CPU karty SYS68K pro VME systémy s tímto procesorem. Tyto moduly nacházely uplatnění v průmyslové automatizaci, vojenství či telekomunikacích, kde bylo potřeba robustního výpočetního výkonu s podporou MMU.
V oblasti síťových prvků byl 68060 nasazen například v multisíťových routerech Motorola Vanguard 6560, které používaly 50MHz variantu 68EC060 jako hlavní procesor.
Kromě Motoroly použili procesory 68060 ve svých high-end routerech a přepínačích i další výrobci - dobové zdroje uvádějí, že čipy 68060 se objevily v zařízeních firem Cisco, Bay Networks, Nortel či Lucent.
Například velké telefonní ústředny Nortel Meridian-1 (Option 51, 61 a 81) měly v řídicích jednotkách osazeny dva procesory Motorola 68060 pro zajištění redundantního a spolehlivého chodu PBX systému. Tato logická návaznost na předchozí generace (řada Meridian dříve používala procesory Motorola 68020/30/40) ukazuje, že 68060 byl přirozenou volbou i pro některá telekomunikační zařízení 90. let.
Význam a vliv na výpočetní techniku
Motorola 68060 představuje milník i konec jedné éry. Byl to vrcholný výkonný procesor z rodiny 68k, která od počátku 80. let poháněla nesčetně počítačů (od Macintoshů přes Amigy a Atari až po minipočítače a Unixové stanice). Zároveň se však objevil v době, kdy se průmysl začal odklánět od komplexních CISC architektur k perspektivnějším RISC řešením. Motorola již krátce po uvedení 68060 ukončila další vývoj řady 680x0 a ve spolupráci s IBM a Apple přešla na procesory PowerPC.
Apple Inc. sám již před příchodem 68060 oznámil záměr přejít na PowerPC a žádný Macintosh s 68060 se nikdy nedostal na trh (firma DayStar připravovala akcelerátor Turbo 060 pro Macy, ten však nakonec nebyl vydán a Apple místo toho vsadil na PowerPC karty).
Podobně i výrobci pracovních stanic a high-end serverů přešli na RISC platformy (SPARC, MIPS, PA-RISC aj.), takže 68060 zůstal doménou spíše upgrade kitů a specializovaných strojů.
Z technického hlediska měl 68060 velký význam jakožto důstojný konkurent tehdejších špičkových procesorů. Svým superskalárním in-order designem se podobal Pentiu od Intelu a dokázal s ním v integrovaných systémech držet krok. V určitých směrech (celočíselné operace) jej dokonce překonával, zatímco v plovoucí čárce kvůli nepipelínované FPU zaostával.
Ukázal však, že i čistě CISC architektura může dosáhnout vysokého stupně paralelismu - interní převod CISC instrukcí na RISC mikroinstrukce u 68060 předznamenal trend slučování výhod CISC front-endu s RISC jádrem, což je přístup používaný dodnes (např. v x86 procesorech).
Na druhou stranu 68k architektura již narážela na své limity z hlediska složitosti - implementovat out-of-order zpracování či vyšší stupně superskalárnosti by bylo kvůli velmi komplexním instrukcím a adresovacím módům nesmírně obtížné. To byl důvod, proč další zvyšování výkonu touto cestou nebylo efektivní a proč se průmysl orientoval na jednodušší RISC návrhy v kombinaci s vyššími taktovacími frekvencemi.
Motorola 68060 tak můžeme vnímat jako labutí píseň rodiny 68000. Modelové označení „68060“ symbolicky uzavírá celou řadu - mimochodem, Motorola nikdy neuvedla žádný 68050, protože podle interní konvence sudé číslo uprostřed (68060) označovalo velkou generační změnu, zatímco liché (68040 → 68060) by značilo pouze minoritní upgrade předchozího modelu. V případě 68060 šlo právě o velký skok vpřed, takže přeskočení čísla 68050 dávalo smysl.
Přestože se 68060 nestal masově rozšířeným procesorem v osobních počítačích (kvůli zmíněnému přechodu k PowerPC a dalším RISCům), zanechal výrazný odkaz.
Architektura 68k poté žila dál v odvozených embedded čipech - společnost Freescale (bývalá divize Motoroly) vyvinula řadu procesorů ColdFire a DragonBall, vycházejících z architektury 68060 pro použití v zabudovaných systémech. Tyto procesory zjednodušily instrukční sadu a odstranily některé legacy funkce, ale zachovaly příbuznost s 68k platformou a našly uplatnění například v řídicí elektronice, multimediálních zařízeních či kapesních počítačích.
Z historického pohledu tedy Motorola 68060 uzavřela vývoj jednoho z nejúspěšnějších rodů procesorů v dějinách osobní výpočetní techniky. Svými parametry důstojně soupeřila s nejlepšími procesory svého času a její návrh ovlivnil další směřování mikroprocesorových architektur. Dnes je 68060 připomínána nejen ve sbírkách a muzeích výpočetní techniky, ale stále zůstává „živá“ v komunitách retro nadšenců - jako ultimátní upgrade pro klasické Amigy či Atari, nebo srdce různých replik a projektů oživujících ducha počítačů 90. let. Její význam tkví jak v technických inovacích, tak v symbolice konce jedné éry a přechodu ke nové generaci procesorů. Motorola 68060 zůstává ikonou, která uzavřela kapitolu 68k a předala štafetu novým architekturám.
Specifikace
| Plná verze | EC verze | LC verze | |
| Rok výroby: | 1994 | 1994 | 1994 |
| Napájení: | 3.3V | 3.3V | 3.3V |
| Datová sběrnice: | 32-bitů | 32-bitů | 32-bitů |
| Adresová sběrnice: | 32-bitů | 32-bitů | 32-bitů |
| Instrukční cache: | 8KB | 8KB | 8KB |
| Datová cache: | 8KB | 8KB | 8KB |
| MMU: | Ano | Ne | Ano |
| FPU: | Ano | Ne | Ne |
| Maximální paměť: | 4GB | 4GB | 4GB |
| Počet tranzistorů: | 2.400,000 | 4GB | 4GB |
| Vyráběno v rychlostech (MHz): | 33, 40, 50 | ||