miniaturadaimagem|Pacote de Motorola MC68000 (CLCC (Leadless chip carrier de cerâmica)) O Motorola 68000, é um microprocessador CISC (complex instruction set computer) de 16/32 bits, lançado em 1979 pelo Motorola Semiconductor Products Sector.
O projeto implementa um conjunto de instruções de 32 bits, com registradores de 32 bits e um barramento de dados interno de 16 bits.O barramento de endereços é de 24 bits e não usa segmentação de memória, o que facilitou a programação. Internamente, ele usa uma unidade lógica aritmética de dados (ALU) de 16 bits e mais duas ALUs de 16 bits usadas principalmente para endereços, e tem um barramento de dados externo de 16 bits. Por esse motivo, a Motorola o chamou de processador de 16/32 bits.
Como um dos primeiros processadores amplamente disponíveis com um conjunto de instruções de 32 bits, grande espaço de endereço não segmentado e velocidade relativamente alta para a época, o 68000 foi um projeto popular durante a década de 1980. Foi amplamente utilizado em uma nova geração de computadores pessoais com interfaces gráficas de usuário, incluindo o Macintosh 128K, Commodore Amiga, Atari ST e Sharp X68000. O console Sega Genesis/Mega Drive de 1988 é alimentado por um 68000.
Os processadores posteriores da série Motorola 68000, começando com o Motorola 68020, usam ULAs de 32 bits e têm barramentos de dados e endereços de 32 bits, acelerando as operações de 32 bits e permitindo o endereçamento completo de 32 bits em vez do endereçamento de 24 bits do 68000 e do Motorola 68010 ou do endereçamento de 31 bits do Motorola 68012. O 68000 original é geralmente compatível com o restante da linha, apesar de estar limitado a um barramento externo de 16 bits de largura.
Mesmo após 45 anos de produção, a arquitetura 68000 ainda está em uso.
Desenvolvimento
6800
miniaturadaimagem|Chip XC68000 de pré-lançamento fabricado em 1979 miniaturadaimagem|Interior do Motorola 68000 O primeiro microprocessador da Motorola produzido em larga escala foi o 6800, lançado no início de 1974 e disponível em quantidade no final daquele ano."Motorola joins microprocessor race with 8-bit entry". Electronics. New York: McGraw-Hill. 47 (5): 29–30. 7 de março, 1974. A empresa estabeleceu a meta de vender 25.000 unidades até setembro de 1976, meta que foi atingida. Embora fosse um projeto capaz, foi eclipsado por projetos mais potentes, como o Zilog Z80, e por projetos mais baratos, como o MOS Technology 6502. No final de 1976, a carteira de vendas estava estagnada e a divisão só foi salva por um projeto para a General Motors que se transformou em uma enorme linha de produtos para controle de motores e outras tarefas.
Mudança para 16 bits Na época em que o 6800 foi lançado, um pequeno número de projetos de 16 bits havia chegado ao mercado. Em geral, eles eram modelados em plataformas de minicomputadores, como o Data General Nova ou o PDP-8. Com base nos processos de fabricação de semicondutores da época, muitas vezes eram soluções com vários chips, como o National Semiconductor IMP-16, ou o PACE de chip único, que tinha problemas com a velocidade.
Com as perspectivas de vendas do 6800 diminuindo, mas ainda com o caixa cheio com as vendas de controle de motores, no final de 1976, Colin Crook, gerente de operações, começou a pensar em como obter sucesso em vendas futuras. Eles sabiam que a Intel estava trabalhando em uma extensão de 16 bits da série 8080, que surgiria como Intel 8086, e tinham ouvido rumores de um Zilog Z80 de 16 bits, que se tornou o Z8000. Eles usariam novas técnicas de design que eliminariam os problemas observados nos sistemas de 16 bits anteriores. miniaturadaimagem|Motorola MC68000 (pacote de plastic leaded chip carrier (PLCC)) A Motorola sabia que, se lançasse um produto semelhante ao 8086, com 10% de suas capacidades, a Intel a mataria no mercado. Para competir, eles estabeleceram a meta de serem duas vezes mais potentes pelo mesmo custo, ou metade do custo com o mesmo desempenho. Crook decidiu que atacaria o mercado de ponta com o processador mais potente do mercado. Outro 16 bits não seria suficiente, seu projeto teria que ser maior, e isso significava ter alguns recursos de 32 bits. Crook havia decidido essa abordagem no final de 1976.
MACSS Crook formou o projeto Motorola Advanced Computer System on Silicon (MACSS) para criar o design e contratou Tom Gunter para ser seu arquiteto principal. Gunter começou a formar sua equipe em janeiro de 1977. A meta de desempenho foi definida em 1 milhão de instruções por segundo (MIPS). Eles queriam que o projeto não apenas reconquistasse os fornecedores de microcomputadores, como a Apple Computer e a Tandy, mas também as empresas de minicomputadores, como a NCR e a AT&T.
A equipe decidiu abandonar a tentativa de retrocompatibilidade com o 6800, pois achava que os designs de 8 bits eram muito limitados para servir de base para novos designs. O novo sistema foi influenciado pelo PDP-11, o projeto de minicomputador mais popular da época. Naquela época, um conceito importante nos minis era o conceito de um conjunto de instruções ortogonais, no qual cada operação podia trabalhar com qualquer tipo de dados. Para alimentar as unidades internas com os dados corretos, o MACSS fez uso extensivo de microcódigo, essencialmente pequenos programas em uma memória somente de leitura que reunia os dados necessários, executava as operações e escrevia os resultados. O MACSS foi um dos primeiros a usar essa técnica em um microprocessador.
Havia uma grande quantidade de hardware de suporte para o 6800 que continuaria sendo útil, como UARTs e sistemas de interface semelhantes. Por esse motivo, o novo design manteve um modo de compatibilidade de protocolo de barramento para os dispositivos periféricos 6800 existentes.
Um chip com 32 pinos de dados e 32 pinos de endereçamento precisaria de 64 pinos, além de mais pinos para alimentação e outros recursos. Na época, os DIPs (dual inline package) de 64 pinos eram sistemas "grandes, de custo elevado" e "simplesmente terríveis", o que fez com que esse fosse o maior sistema que eles poderiam considerar. Para que ele coubesse, Crook escolheu um projeto híbrido, com uma arquitetura de conjunto de instruções (ISA) de 32 bits, mas com componentes de 16 bits que a implementavam, como a unidade lógica aritmética (ALU). A interface externa foi reduzida para 16 pinos de dados e 24 para endereços, permitindo que tudo coubesse em um pacote de 64 pinos. Isso ficou conhecido como "Texas Cockroach" (barata do Texas).
Em meados da década de 1970, as técnicas de projeto de MOS da Motorola haviam se tornado menos avançadas do que as da concorrência, e suas linhas de fabricação às vezes enfrentavam dificuldades com baixos rendimentos. No final da década de 1970, a empresa havia entrado em um programa de intercâmbio de tecnologia com a Hitachi, melhorando drasticamente suas capacidades de produção. Como parte disso, uma nova fábrica, a MOS-8, foi construída usando os mais recentes tamanhos de wafer de 5 polegadas e o processo HMOS da Intel com um tamanho de recurso de 3,5 µm. Esse foi um investimento que visava a vencer a concorrência: até mesmo empresas de semicondutores iniciantes, como a Zilog e a MOS Technology, introduziram CPUs fabricadas com lógica NMOS em modo de depleção antes da Motorola. Na verdade, a Motorola pode ter se atrasado substancialmente em relação aos seus contemporâneos na eliminação do modo de aprimoramento e da porta metálica, com o diretor de produtos da série 68k, Tom Gunter, lembrando que o próprio 68000 teve que ser bem-sucedido, apesar de ter adotado inicialmente um design de porta metálica. Embora o ponto sobre o atraso seja claro, esse pode não ter sido um resumo totalmente preciso, porque as folhas de dados da Motorola de 1976, anteriores ao início do projeto MACCS, indicam a maioria de sua família 6800 em porta de silício. De fato, o próprio artigo de Gunter de 1979 que apresentava o 68000 o destacava como um projeto HMOS de modo de depleção de porta de silício. Independentemente do grau de déficit de processo e fabricação da Motorola nos primeiros dias, a equipe não se intimidou e não fez concessões em sua busca por um microprocessador com desempenho líder do setor.
Amostragem e produção Apresentado formalmente em setembro de 1979, as amostras iniciais foram lançadas em fevereiro de 1980, com os chips de produção disponíveis no balcão em novembro. Os graus de velocidade iniciais são 4, 6 e 8 MHz. Os chips de 10 MHz ficaram disponíveis em 1981, e os de 12,5 MHz em junho de 1982. A versão "12F" de 16,67 MHz do MC68000, a versão mais rápida do chip HMOS original, não foi produzida até o final da década de 1980.
No início de 1981, o 68k estava ganhando vários designs de ponta, e Gunter começou a se aproximar da Apple para conquistar seus negócios. Naquela época, o 68000 era vendido por cerca de US$ 125 em quantidade. Em reuniões com Steve Jobs, Jobs falou sobre o uso do 68000 no Apple Lisa, mas afirmou que "o verdadeiro futuro está neste produto que estou desenvolvendo pessoalmente. Se você quer esse negócio, precisa se comprometer a vendê-lo por US$ 15." A Motorola contra-atacou oferecendo-se para vendê-lo inicialmente a US$ 55, depois a US$ 35 e assim por diante. Jobs concordou, e o Macintosh passou do 6809 para o 68000. O preço médio acabou chegando a US$ 14,76.
Variações Em 1982, o 68000 recebeu uma pequena atualização em sua arquitetura de conjunto de instruções (ISA) para dar suporte à memória virtual e estar em conformidade com os requisitos de virtualização de Popek e Goldberg. O chip atualizado é chamado de 68010. Ele também adiciona um novo "modo de loop" que acelera pequenos loops e aumenta o desempenho geral em cerca de 10% com as mesmas velocidades de clock. Uma versão estendida adicional, que expõe 31 bits do barramento de endereços, também foi produzida em pequenas quantidades como o 68012.
Para suportar sistemas de baixo custo e aplicativos de controle com tamanhos de memória menores, a Motorola lançou o MC68008 compatível com 8 bits, também em 1982. Esse é um 68000 com um barramento de dados de 8 bits e um barramento de endereços menor (20 bits). Depois de 1982, a Motorola dedicou mais atenção aos projetos 68020 e 88000.
Segunda fonte miniaturadaimagem|Hitachi HD68000 Várias outras empresas foram fabricantes de segunda fonte do HMOS 68000. Entre elas, a Hitachi (HD68000), que reduziu o tamanho do recurso para 2,7 µm em sua versão de 12,5 MHz, a Mostek (MK68000), a Rockwell (R68000), a Signetics (SCN68000), a Thomson/SGS-Thomson (originalmente EF68000 e posteriormente TS68000) e a Toshiba (TMP68000). A Toshiba também foi um fabricante de segunda fonte do CMOS 68HC000 (TMP68HC000). miniaturadaimagem|Thomson TS68000 As variantes criptografadas do 68000, como o Hitachi FD1089 e o FD1094, armazenam chaves de descriptografia para opcodes e dados de opcode na memória com bateria e foram usadas em determinados sistemas de fliperama da Sega, incluindo o System 16, para evitar a pirataria e os jogos ilegais de contrabando.
Versões CMOS miniaturadaimagem|Motorola MC68HC000LC8 O 68HC000, a primeira versão CMOS do 68000, foi projetado pela Hitachi e apresentado em conjunto em 1985. A versão da Motorola é chamada de MC68HC000, enquanto a da Hitachi é a HD68HC000. O 68HC000 oferece velocidades de 8 a 20 MHz. Exceto pelo fato de usar circuitos CMOS, ele se comportava de forma idêntica ao MC68000 HMOS, mas a mudança para CMOS reduziu muito seu consumo de energia. O MC68000 HMOS original consumia cerca de 1,35 watts a uma temperatura ambiente de 25 °C, independentemente da velocidade do clock, enquanto o MC68HC000 consumia apenas 0,13 watts a 8 MHz e 0,38 watts a 20 MHz. (Ao contrário dos circuitos CMOS, o HMOS ainda consome energia quando ocioso, portanto o consumo de energia varia pouco com a clock rate). A Apple escolheu o 68HC000 para uso no Macintosh Portable.