Prozessoren der Motorola 68000-Serie

In den Würfelmacs wurden Motorolas 68000- und 68030-Prozessoren verbaut, in anderen Mac-Bau­reihen auch die 68020 und 68040. Welche Unter­schiede findet man zwischen diesen Prozessoren?

Übersicht

MC68000 · MC68010 · MC68020 · MC68030 · MC68040 · MC68060 · FPU · Kurzformeln · Verweise

Motorola 68k-Familie

1979: MC68000

CPU MHz MIPS
68000 8 ~ 1
68030 16 ~ 5
68040 33 ~ 36
68060 75 ~ 110
MIPS: Millionen Instruktionen pro Sekunde.

Motorola brachte 1979 den MC68000 heraus - ein wegweisender 16/32-Bit-Prozessor. Der Kern bietet bereits komplett 32-bittige Register (acht Daten­register, acht Adress­register), nur nach außen bietet der 68000 »nur« einen 24-Bit-Adress­raum. Immer­hin reicht das für 16 MB adressierbaren Speicher. Apple setzte den Prozessor 1983 erst­mals in der Lisa ein - mit 5 MHz getaktet. Nur ein Jahr später kam der Macintosh auf den Markt, mit einem 68000 mit 8 MHz und schnellerem Arbeits­speicher-Zugriff.

Der 68000 bietet nicht nur ein gutes Design und ist elegant zu programmieren, er ist für seine Zeit auch schnell. Die Leistung ist zwischen dem Intel 8086 und 80286 einzu­ordnen; bei 8 MHz bringt der 68000 etwa 1 MIPS. Lange sollte das beim Mac das Maß der Dinge sein, erst drei Jahre darauf, 1987, gab es Macs mit dem Nach­folger­prozessor 68020.

Von Motorola ausgeliefert wurden Modelle von 8 MHz bis 20 MHz.

Apple hat den 68000er zwar in vielen Modellen, dafür aber nur in zwei Varianten verbaut: Der Mac 128k, 512k, 512ke, Plus, SE, Classic beherbergen ihn mit 8 MHz, der Portable und das PowerBook 100 mit 16 MHz.

Vergleich 68000 (Mac) und 8088 (IBM PC)
Motorola 68000, 8 MHz Intel 8088, 4,77 MHz
MIPS 1,0 0,4
Adressierbarer Speicher 16 MB 1 MB
Linear adressierbar 16 MB 0,0625 MB
Datenregister 8 Stk. à 32 Bit 8 Stk. à 16 Bit
Datenbusbreite (Bit) 16 8
Leistungsaufnahme 0,13 W .
Veröffentlichung 1979 1979
Typ. Einsatz bis 1991 1988

1982: MC68010

Der 68010 ist die Weiterentwicklung des Motorola-68000-Mikroprozessors. Der zum MC68000 pin­kompatible MC68010 behebt einige Fehler des MC68000 und ist durch interne Opti­mierungen 5 bis 10% schneller. Er ver­fügt zudem noch über zwei neue Register und kann durch ge­trennte User- und Super­visor­modi auch virtuellen Speicher ver­walten. Die verfüg­baren Takt­raten betragen 8 bis 20 MHz.

Apple hat den 68010 nie in Macs verbaut, wohl weil die Vorteile den höheren Preis nicht aufgewogen haben.

1984: MC68020

Motorola stellte 1984 den 68020 vor, ein weiterer Meilen­stein. Neben einer vollen 32-Bit-Außen­anbindung für 4 GB Adreßraum und einem stark erweiterten Befehls­satz wurden auch 256 Bytes Befehls­cache hinzugefügt. Außer­dem kann dem MC68020 ein externer Co­prozessor (MC68851) als PMMU (programmable memory management unit) dienen - so ist eine virtuelle Speicher­verwaltung für Betriebs­systeme leicht umsetzbar. Der 68020 (auch 020, Null-Zwanzig, genannt) bietet bei gleicher Takt­frequenz etwa doppelt so viel Leistung wie der 68000, war jedoch in deut­lich höheren Frequenzen lieferbar. Der 68020 ist mit niedriger getakteten Intel 80386 zu vergleichen und wurde mit 16, 20, 25 und 33 MHz ausgeliefert. Bei 33 MHz bringt der 68020 etwa 10 MIPS.

Bei Apple kam der 68020 nur im Mac II (ab 1987) und im Mac LC mit je 16 MHz zum Einsatz. Beim Mac II kann man die PMMU MC68851 nachrüsten, um A/UX oder ein anderes Unix starten zu können oder in den Genuß der vir­tuellen Speicher­verwaltung von System 7 zu kommen.

Der 68020 wurde auch gerne in Unix-Workstations, etwa von Sun oder Apollo, eingesetzt.

1986: MC68030

Der nachfolgende 68030 stellt im Grunde nur eine Produkt­pflege des 68020 dar - allerdings eine sehr erfolgreiche. Zusätzlich zum bekannten 256 Bytes Befehls­cache kamen weitere 256 Bytes als Daten­cache hinzu. Der 030 lernte den Burst­modus für schnellere Speicher­zugriffe; die vorher als MC68851 nachzurüstende PMMU wurde beim 68030 auf den CPU-Chip integriert. Der Intel 80386 in seinen hoch­gezüchteten Varianten ist etwa genauso leistungs­fähig. Der 68030 wurde mit 16 bis 50 MHz ausgeliefert, bei der Maximal­takt­frequenz schafft er 18 MIPS.

Der 68030 kam im Mac in so vielen Modellen zum Einsatz, dass hier nur die wichtigsten aufgezählt werden: Erstmals im Mac IIx (68030/16 MHz, anno 1989) und im SE/30 (68030/16 MHz), Mac IIci (68030/25 MHz), Mac IIfx (68030/40 MHz - der schnellste 68030-Mac aller Zeiten), im Classic II und in den Color Classic, Mac LC II, III, III+.

Darüber hinaus trifft man den 68030 in einigen Sun-Workstations, in den Apollo/HP Apollo-Workstations und -Servern, in den ersten NeXT Cube und in Bull-Servern an.

1990: MC68040

Der erstmals 1990 vorgestellte Motorola 68040 bot dann wieder ein neues Spektrum: über­arbeiteter Kern, integrierte FPU, 4 KB Befehls­cache und 4 KB Datencache. Der 040 bringt bei gleicher Takt­frequenz etwa doppelt so viel Integer-Rechen­leistung wie ein 030, bei Gleit­komma-Berechnungen noch mehr. Bei 40 MHz schafft er 44 MIPS.

Der 68040 ist der erste Prozessor der Baureihe, den man bei höheren Takt­frequenzen besser mit einem Kühl­körper versah. Vergleich­bar mit etwa gleich­schnell getakteten Intel 80486-CPUs, wurde er mit 20 bis 40 MHz ausgeliefert. Entgegen hart­näckigen Gerüchten unter­stützt der 68040 keine echte Takt­verdopplung, wie man sie beim Intel 80486DX2 findet - zwar liegt an einem CPU-Pin der doppelte Bus­takt an, aber interne Rechen­einheiten verwenden diesen Takt nicht.

Auch der 040 kam in vielen Macs zum Einsatz: Erstmals 1991 in der Quadra 700 und 900 (25 MHz), 650 (25, 33 MHz), Quadra 660av/25 und 840av (40 MHz - der schnellste 68040 aller Zeiten). In leicht abgespeckter Version, nämlich ohne integriertem mathe­matischem Koprozessor, fand der 68LC040 Einzug in so populären Macs wie dem LC 475/Performa 475 (25 MHz), dem Performa 630 (33 MHz) oder der Quadra 605.

Auch der 68040 findet sich in einigen Workstations: HP Apollo 433, NeXT Cube Turbo, NeXTStation.

Siehe auch die Postings zur Architektur des 68040:

MC68881, MC68882

Die Motorola 68881 und 68882 sind FPU-Coprozessoren, die Gleit­komma­arithmetik besonders schnell beherrschen. Der 68881 ist als Zusatz ab dem 68000 gedacht, kam in der Form beim Mac jedoch nie von Apple zum Einsatz. Der 68882 ist pin­kompatibel und rechnet schneller. Wenn man die Wahl hat, sollte man den 68882 vorziehen.

Zum Einsatz kam der 68882 erstmals im Mac II und SE/30, später auch im Mac IIx, IIcx, IIci, IIfx und vielen anderen 68030-Macs. Bei manchen günstigen Modellen mit 68030-Prozessor konnte man die FPU in einen leeren Sockel nachrüsten.

Ein 68040 bietet in der Vollversion (»RC« in der Typbezeichnung) bereits eine FPU, die FPU-lose Variante 68LC040 ist nicht mit einem 68881 oder 68882 nachrüstbar, sondern nur durch Austausch des LC-Typs durch einen RC.

Der Geschwindigkeitszuwachs durch eine FPU wird meist überschätzt. Für Alltags­aufgaben wie Text­verarbeitung, E-Mail, Web-Browsing bringt eine FPU gar nichts. Bei Tabellen­kalkulationen liegt der Geschwindig­keits­gewinn durch eine FPU meist unter 5%. Nur bei speziellen Anforderungen, etwa mathe­matischen Modellen, speziellen wissen­schaftlichen oder ingenieur­technischen Berechnungen, kann die FPU zulegen, dann aber bis zum Faktor 10.

Die 68881 (FPU) hat nichts mit dem 68851 (PMMU) zu tun, außer dass beide mit dem 68020 zum Einsatz kommen können.

1994: 68060

Einen 68060 gab es als letzten Vertreter der Reihe noch - nur wurde er nie in Macs verbaut, Apple setzte lieber auf die PowerPC-Prozessoren. Produkt­politisch verständlich, für 68k-Freunde jedoch schade, bekäme man bei gleichem Takt gegenüber dem 68040 doch mehr als Faktor zwei an Leistung. Bei Atari, Amiga und QL kam der '060 in der Spätphase von Drittherstellern noch zum Einsatz.


Kurzformeln

Modell 68000 68010 68020 68030 68040 68060
Erscheinungs­jahr 1982 1984 1985 1990 1994
Neu hinzu + virtual memory
+ winziger Befehlscache
+ 32-Bit-Register
+ Befehlscache
+ 4 GB Adreßraum
+ Datencache
+ Burst-Mode
+ PMMU on chip
+ größere Caches
+ FPU on chip
+ Superskalarität
+ größere Caches
+ schnellere Befehle
+ höhere Taktraten
Eingesetzt bspw. im Mac Plus
Mac SE
Mac Classic
- Mac II
Mac LC
Mac SE/30
Mac Classic II
Color Classic
Mac IIci
Mac IIfx
Mac LC III
Performa 460
Performa 475
Performa 630
Performa 575
Quadras
-


Vergleich der benötigten Taktzyklen pro Befehl

Prozessor Cache RAdd MAdd Mul Index Bra UAcc HW-FP
Befehle/Daten
(Bytes)
68000 0/0 6 18 40 18 10/6 nein über Line-F
68020 256/0 2 6 28 9 6/4 ja 68881 & 68882
68030 256/256 2 5 28 8 6/4 ja 68881 & 68882
68040 4096/4096 1 1 16 3 2/3 ja integriert
68060 8192/8192 1 1 2 1 0/1 ja integriert
RAdd
Register to register 32 bit add (add.l d0,d1)
MAdd
Absolute long address to register add (add.l _mem,d1)
Mul
16x16 multiplication (max. time) (mulu.w d0,d1)
Index
Indexed addressing mode (move.l 2(a0,d0),d1)
Bra
Byte conditional branch taken/not taken (bne.b label)
UAcc
Word-/Long-Zugriffe auf ungerade Adressen erlaubt (move.l 0xffff0001,d1)
HW-FP
Hardware floating point support

Quelle: Optimizing 680x0 Applications, by Tomas Evensen, Diab Data, Inc.



Links zu Motorola 68k-Dokumentationen

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Letzte Änderung: 2016-11-02, 21:38:47 (CET)
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