Motorola 68000

Em meados dos anos 70, o Motorola 6800 estava a perder terreno: o Zilog Z80 era mais potente e o MOS 6502 muito mais barato. No fim de 1976, Colin Crook, responsável de operações da divisão de semicondutores, lançou um projeto novo com um nome ambicioso: MACSS, Motorola Advanced Computer System on Silicon. Para arquiteto principal foi escolhido Tom Gunter, que começou a juntar a equipa em janeiro de 1977.

A equipa tomou uma decisão corajosa: abandonar a compatibilidade com o 6800 e desenhar uma arquitetura nova, inspirada no minicomputador PDP-11 da DEC, onde quase todas as instruções funcionam com quase todos os registos e modos de endereçamento. A meta era um milhão de instruções por segundo, o valor que na altura separava os processadores a sério dos outros. Nick Tredennick escreveu quase todo o microcódigo, os pequenos programas internos que dizem ao chip como executar cada instrução.

O 68000 foi apresentado em setembro de 1979. As primeiras amostras chegaram aos clientes em fevereiro de 1980 e os chips de produção começaram a vender-se em novembro desse ano, a 4, 6 e 8 MHz. Seguiram-se versões de 10 MHz em 1981, de 12,5 MHz em 1982 e, mais tarde, de 16,67 MHz.

O programador vê 16 registos de 32 bits: oito de dados (D0 a D7) e oito de endereços (A0 a A7). O A7 é o ponteiro da pilha e existe a dobrar, um para os programas e outro para o sistema, por isso a Motorola fala em 17 registos. Para comparar: o Z80 do Spectrum tem registos de 8 bits que, juntos aos pares, chegam aos 16.

Por fora, o 68000 é mais modesto. O barramento de dados tem 16 bits e a unidade aritmética interna também, por isso uma soma de 32 bits é feita em duas metades. A Motorola chamava-lhe um processador de 16/32 bits. O barramento de endereços tem 24 linhas, o que dá 16 MB de memória direta. Um Z80 chega a 64 KB: o 68000 vê 256 vezes mais.

Tem 56 tipos de instrução e 14 modos de endereçamento, e dois níveis de privilégio: modo de utilizador e modo supervisor. Com a pilha do sistema separada, cada tarefa pode ter uma pilha pequena, o que ajuda muito a multitarefa. A tabela de exceções ocupa os primeiros 1024 bytes da memória, com 256 vetores de 32 bits.

Cada acesso à memória demora pelo menos quatro ciclos de relógio. A instrução mais simples, copiar um registo para outro, leva exatamente esses quatro ciclos. A 7,09 MHz, isso dá no máximo cerca de 1,8 milhões destas instruções por segundo; as instruções mais complexas demoram bastante mais.

O 68000 original é feito em HMOS. Em 1985 apareceu o 68HC000, a primeira versão CMOS, desenhada pela Hitachi e lançada em conjunto com a Motorola: gasta muito menos energia e chegou aos 20 MHz. Depois vieram o 68HC001, que escolhe no arranque entre barramento de 8 ou de 16 bits, o 68EC000, versão económica para sistemas embebidos, e o 68SEC000, de 1996, totalmente estático e pensado para funcionar a 3,3 V.

O 68008 (com barramento de 8 bits) e o 68010 (com correções para memória virtual) são irmãos diretos e têm páginas próprias. Mais tarde a família deu origem a microcontroladores com núcleo 68000, como os DragonBall usados nos Palm.

Como era costume na época, grandes clientes exigiam um segundo fabricante. O 68000 foi feito também pela Hitachi, Mostek, Rockwell, Signetics, Thomson e Toshiba. A Motorola deixou de produzir o 68000 HMOS a 1 de junho de 1996; as versões CMOS continuaram muitos anos.

Nos computadores pessoais, o 68000 esteve no Apple Lisa (1983) e no Macintosh original, lançado a 24 de janeiro de 1984 com o processador a 7,8336 MHz. Esteve no Atari ST de 1985, a 8 MHz, e no Sharp X68000, lançado em 1987 só no Japão, a 10 MHz. O Sinclair QL usou o irmão 68008.

Nas estações de trabalho, abriu caminho à Sun (Sun-1), à Apollo e à série 200 dos HP 9000. Nos jogos, é o processador principal da Sega Mega Drive (outubro de 1988 no Japão), a cerca de 7,6 MHz, e do Neo Geo (1990), a 12 MHz, e está também na Atari Jaguar e em muitas placas de arcada.

Há 68000 onde menos se espera. A HP LaserJet de 1984 tinha um a 8 MHz, e a Apple LaserWriter de 1985, a primeira impressora laser com PostScript, também usava um 68000. As calculadoras gráficas TI-89 e TI-92 da Texas Instruments correm num 68000, a TI-89 original a 10 MHz e as revisões seguintes a 12 MHz.

O A1000, o A500, o A2000, o CDTV, o A500 Plus e o A600 usam todos um 68000 a 7,16 MHz (NTSC) ou 7,09 MHz (PAL). O relógio vem do mesmo cristal que gera a imagem, para o processador e os chips do Amiga trabalharem ao mesmo compasso.

O Amiga tira partido de um pormenor do 68000: como cada acesso à memória leva quatro ciclos, o processador usa normalmente só um em cada dois ciclos de memória. Os chips próprios (som, disquete, sprites, imagem e o Copper) encaixam os seus acessos nos intervalos. Quando o Blitter ou os modos gráficos mais pesados precisam de mais ciclos, é o processador que espera.

No A500, no A500 Plus, no A1000, no A2000 e no CDTV o 68000 é um DIP de 64 pinos, normalmente em socket, o que permite trocá-lo ou montar aceleradoras que encaixam no lugar dele. O A2000 tem ainda um slot próprio para placas de processador. No A600 o 68000 vem em PLCC de 68 pinos, soldado à placa: as aceleradoras para o A600 prendem-se por cima do chip com um clip.