Motorola 68000

Mitte der 70er verlor der Motorola 6800 an Boden: Der Zilog Z80 war leistungsfähiger, der MOS 6502 viel billiger. Ende 1976 startete Colin Crook, Betriebsleiter der Halbleitersparte, ein neues Projekt mit ehrgeizigem Namen: MACSS, Motorola Advanced Computer System on Silicon. Chefarchitekt wurde Tom Gunter, der ab Januar 1977 das Team zusammenstellte.

Das Team traf eine mutige Entscheidung: Es gab die Kompatibilität zum 6800 auf und entwarf eine neue Architektur nach dem Vorbild des Minicomputers PDP-11 von DEC, bei dem fast jeder Befehl mit fast jedem Register und jeder Adressierungsart funktioniert. Ziel war eine Million Befehle pro Sekunde, der Wert, der damals ernsthafte Prozessoren vom Rest trennte. Nick Tredennick schrieb fast den gesamten Mikrocode, die kleinen internen Programme, die dem Chip sagen, wie er jeden Befehl ausführt.

Der 68000 wurde im September 1979 vorgestellt. Die ersten Muster erreichten die Kunden im Februar 1980, und die Serienchips kamen im November desselben Jahres in den Handel, mit 4, 6 und 8 MHz. Es folgten Versionen mit 10 MHz 1981, mit 12,5 MHz 1982 und später mit 16,67 MHz.

Der Programmierer sieht 16 Register mit 32 Bit: acht Datenregister (D0 bis D7) und acht Adressregister (A0 bis A7). A7 ist der Stapelzeiger und existiert doppelt, einmal für die Programme und einmal für das System, deshalb spricht Motorola von 17 Registern. Zum Vergleich: Der Z80 des Spectrum hat 8-Bit-Register, die paarweise zusammengefasst auf 16 Bit kommen.

Nach außen ist der 68000 bescheidener. Der Datenbus hat 16 Bit, die interne Recheneinheit ebenfalls, deshalb wird eine 32-Bit-Addition in zwei Hälften erledigt. Motorola nannte ihn einen 16/32-Bit-Prozessor. Der Adressbus hat 24 Leitungen, das ergibt 16 MB direkt adressierbaren Speicher. Ein Z80 kommt auf 64 KB: Der 68000 sieht 256-mal so viel.

Er hat 56 Befehlstypen und 14 Adressierungsarten sowie zwei Privilegstufen: Benutzermodus und Supervisormodus. Weil der Systemstapel getrennt ist, kann jede Task mit einem kleinen Stapel auskommen, was dem Multitasking sehr hilft. Die Ausnahmetabelle belegt die ersten 1024 Bytes des Speichers, mit 256 Vektoren zu je 32 Bit.

Jeder Speicherzugriff dauert mindestens vier Taktzyklen. Der einfachste Befehl, ein Register in ein anderes kopieren, braucht genau diese vier Zyklen. Bei 7,09 MHz sind das höchstens etwa 1,8 Millionen solcher Befehle pro Sekunde; komplexere Befehle dauern deutlich länger.

Der ursprüngliche 68000 ist in HMOS gefertigt. 1985 erschien der 68HC000, die erste CMOS-Version, von Hitachi entworfen und gemeinsam mit Motorola herausgebracht: Er verbraucht viel weniger Strom und erreichte 20 MHz. Danach kamen der 68HC001, der beim Start zwischen 8- und 16-Bit-Bus wählt, der 68EC000, eine günstige Version für eingebettete Systeme, und der 68SEC000 von 1996, vollständig statisch und für 3,3 V ausgelegt.

Der 68008 (mit 8-Bit-Bus) und der 68010 (mit Korrekturen für virtuellen Speicher) sind direkte Geschwister und haben eigene Seiten. Später gingen aus der Familie Mikrocontroller mit 68000-Kern hervor, etwa die DragonBall in den Palm-Geräten.

Wie damals üblich, verlangten große Kunden einen zweiten Hersteller. Den 68000 fertigten auch Hitachi, Mostek, Rockwell, Signetics, Thomson und Toshiba. Motorola stellte die Produktion des HMOS-68000 am 1. Juni 1996 ein; die CMOS-Versionen liefen noch viele Jahre weiter.

Bei den Personal Computern steckte der 68000 in der Apple Lisa (1983) und im ursprünglichen Macintosh, der am 24. Januar 1984 mit einem Prozessor bei 7,8336 MHz erschien. Er war im Atari ST von 1985 mit 8 MHz und im Sharp X68000, der 1987 nur in Japan erschien, mit 10 MHz. Der Sinclair QL nutzte den Bruder 68008.

Bei den Workstations ebnete er den Weg für Sun (Sun-1), Apollo und die Serie 200 der HP 9000. Bei den Spielen ist er der Hauptprozessor des Sega Mega Drive (Oktober 1988 in Japan) mit etwa 7,6 MHz und des Neo Geo (1990) mit 12 MHz, und er steckt auch im Atari Jaguar und in vielen Arcade-Platinen.

Es gibt 68000 dort, wo man sie am wenigsten erwartet. Der HP LaserJet von 1984 hatte einen mit 8 MHz, und auch der Apple LaserWriter von 1985, der erste Laserdrucker mit PostScript, nutzte einen 68000. Die Grafikrechner TI-89 und TI-92 von Texas Instruments laufen auf einem 68000, der ursprüngliche TI-89 mit 10 MHz und die späteren Revisionen mit 12 MHz.

A1000, A500, A2000, CDTV, A500 Plus und A600 nutzen alle einen 68000 mit 7,16 MHz (NTSC) oder 7,09 MHz (PAL). Der Takt kommt vom selben Quarz, der das Bild erzeugt, damit Prozessor und Amiga-Chips im selben Rhythmus arbeiten.

Der Amiga nutzt eine Eigenheit des 68000 aus: Weil jeder Speicherzugriff vier Zyklen dauert, belegt der Prozessor normalerweise nur jeden zweiten Speicherzyklus. Die Custom-Chips (Sound, Diskette, Sprites, Bild und der Copper) schieben ihre Zugriffe in die Lücken. Wenn der Blitter oder die aufwendigeren Grafikmodi mehr Zyklen brauchen, muss der Prozessor warten.

Im A500, A500 Plus, A1000, A2000 und CDTV ist der 68000 ein DIP mit 64 Pins, meist gesockelt. So lässt er sich tauschen, oder man setzt Beschleuniger ein, die an seine Stelle gesteckt werden. Der A2000 hat zusätzlich einen eigenen Slot für Prozessorkarten. Im A600 kommt der 68000 als PLCC mit 68 Pins, auf die Platine gelötet: Beschleuniger für den A600 werden mit einem Clip über den Chip geklemmt.