Motorola 68000

A metà degli anni 70 il Motorola 6800 stava perdendo terreno: lo Zilog Z80 era più potente e il MOS 6502 molto più economico. Alla fine del 1976 Colin Crook, responsabile delle operazioni della divisione semiconduttori, avviò un progetto nuovo dal nome ambizioso: MACSS, Motorola Advanced Computer System on Silicon. Come architetto principale fu scelto Tom Gunter, che cominciò a mettere insieme la squadra nel gennaio 1977.

La squadra prese una decisione coraggiosa: abbandonare la compatibilità con il 6800 e disegnare un'architettura nuova, ispirata al minicomputer PDP-11 della DEC, dove quasi tutte le istruzioni funzionano con quasi tutti i registri e le modalità di indirizzamento. L'obiettivo era un milione di istruzioni al secondo, il valore che allora separava i processori veri dagli altri. Nick Tredennick scrisse quasi tutto il microcodice, i piccoli programmi interni che dicono al chip come eseguire ogni istruzione.

Il 68000 fu presentato nel settembre 1979. I primi campioni arrivarono ai clienti nel febbraio 1980 e i chip di produzione cominciarono a vendersi nel novembre di quell'anno, a 4, 6 e 8 MHz. Seguirono versioni a 10 MHz nel 1981, a 12,5 MHz nel 1982 e, più tardi, a 16,67 MHz.

Il programmatore vede 16 registri a 32 bit: otto di dati (da D0 a D7) e otto di indirizzi (da A0 a A7). L'A7 è il puntatore dello stack ed esiste in doppia copia, uno per i programmi e uno per il sistema, perciò Motorola parla di 17 registri. Per fare un confronto: lo Z80 dello Spectrum ha registri a 8 bit che, uniti a coppie, arrivano a 16.

Fuori, il 68000 è più modesto. Il bus dati è a 16 bit e anche l'unità aritmetica interna, perciò una somma a 32 bit si fa in due metà. Motorola lo chiamava un processore a 16/32 bit. Il bus indirizzi ha 24 linee, che danno 16 MB di memoria diretta. Uno Z80 arriva a 64 KB: il 68000 ne vede 256 volte di più.

Ha 56 tipi di istruzione e 14 modalità di indirizzamento, e due livelli di privilegio: modo utente e modo supervisore. Con lo stack di sistema separato, ogni processo può avere uno stack piccolo, il che aiuta molto il multitasking. La tabella delle eccezioni occupa i primi 1024 byte della memoria, con 256 vettori a 32 bit.

Ogni accesso alla memoria richiede almeno quattro cicli di clock. L'istruzione più semplice, copiare un registro in un altro, richiede esattamente quei quattro cicli. A 7,09 MHz questo dà al massimo circa 1,8 milioni di queste istruzioni al secondo; le istruzioni più complesse richiedono parecchio di più.

Il 68000 originale è fatto in HMOS. Nel 1985 apparve il 68HC000, la prima versione CMOS, disegnata da Hitachi e lanciata insieme a Motorola: consuma molta meno energia e arrivò a 20 MHz. Poi vennero il 68HC001, che sceglie all'avvio tra bus a 8 o a 16 bit, il 68EC000, versione economica per sistemi embedded, e il 68SEC000, del 1996, completamente statico e pensato per funzionare a 3,3 V.

Il 68008 (con bus a 8 bit) e il 68010 (con correzioni per la memoria virtuale) sono fratelli diretti e hanno pagine proprie. Più tardi la famiglia diede origine a microcontrollori con nucleo 68000, come i DragonBall usati nei Palm.

Come si usava all'epoca, i grandi clienti esigevano un secondo produttore. Il 68000 fu fabbricato anche da Hitachi, Mostek, Rockwell, Signetics, Thomson e Toshiba. Motorola smise di produrre il 68000 HMOS il 1° giugno 1996; le versioni CMOS continuarono per molti anni.

Tra i personal computer, il 68000 fu nell'Apple Lisa (1983) e nel Macintosh originale, lanciato il 24 gennaio 1984 con il processore a 7,8336 MHz. Fu nell'Atari ST del 1985, a 8 MHz, e nello Sharp X68000, lanciato nel 1987 solo in Giappone, a 10 MHz. Il Sinclair QL usò il fratello 68008.

Nelle workstation aprì la strada a Sun (Sun-1), ad Apollo e alla serie 200 degli HP 9000. Nei videogiochi è il processore principale del Sega Mega Drive (ottobre 1988 in Giappone), a circa 7,6 MHz, e del Neo Geo (1990), a 12 MHz, ed è anche nell'Atari Jaguar e in molte schede arcade.

Ci sono 68000 dove meno te lo aspetti. La HP LaserJet del 1984 ne aveva uno a 8 MHz, e anche la Apple LaserWriter del 1985, la prima stampante laser con PostScript, usava un 68000. Le calcolatrici grafiche TI-89 e TI-92 della Texas Instruments girano su un 68000, la TI-89 originale a 10 MHz e le revisioni successive a 12 MHz.

L'A1000, l'A500, l'A2000, il CDTV, l'A500 Plus e l'A600 usano tutti un 68000 a 7,16 MHz (NTSC) o 7,09 MHz (PAL). Il clock viene dallo stesso quarzo che genera l'immagine, così il processore e i chip dell'Amiga lavorano allo stesso ritmo.

L'Amiga sfrutta un dettaglio del 68000: siccome ogni accesso alla memoria richiede quattro cicli, il processore di solito usa solo un ciclo di memoria su due. I chip custom (audio, floppy, sprite, immagine e il Copper) incastrano i loro accessi negli intervalli. Quando il Blitter o le modalità grafiche più pesanti hanno bisogno di più cicli, è il processore ad aspettare.

Nell'A500, nell'A500 Plus, nell'A1000, nell'A2000 e nel CDTV il 68000 è un DIP a 64 pin, di solito su zoccolo, il che permette di sostituirlo o di montare acceleratrici che si inseriscono al suo posto. L'A2000 ha anche uno slot apposito per schede processore. Nell'A600 il 68000 è in PLCC a 68 pin, saldato alla scheda: le acceleratrici per l'A600 si agganciano sopra il chip con una clip.