موتورولا 68020

عند تصميم معالج موتورولا 68000 ، كانت خدمات التصميم والتصنيع لدى موتورولا قديمة. فرغم أن شركات صغيرة مثل MOS Technology و Zilog قد انتقلت إلى استخدام منطق NMOS ذي وضع استنزاف بوابة السيليكون على رقاقات أكبر حجماً ، إلا أن موتورولا كانت لا تزال تستخدم بوابات معدنية ووضع التحسين، وكان أكبر مصانعها يعمل على رقاقات بحجم 4 بوصات لفترة طويلة بعد أن انتقلت معظم خطوط الإنتاج إلى رقاقات بحجم 5 بوصات. ورغم أن معالج 68000 حقق هدفه في أن يكون أسرع وحدة معالجة مركزية متاحة عند طرحه، إلا أنه لم يكن بقوة ما يمكن أن يكون عليه لو صُمم بتقنيات أحدث. ^{[ 3 ]}

خلال فترة تصميم معالج 68000، تعاونت الشركة مع هيتاشي في تطوير تقنية التصنيع، وفي إطار هذا التعاون، افتتحت مصنعًا جديدًا، MOS-8، يستخدم رقائق سيليكون بقياس 5 بوصات وأحدث تقنيات تصنيع HMOS المرخصة من إنتل . كان هذا الخط قادرًا على إنتاج جميع التقنيات الجديدة، لكن معالج 68000 استمر بالتصميم القديم لثقتهم في نجاحه. كان الانتقال إلى تقنيات التصميم الجديدة مؤجلًا حتى طرح التصميم في السوق. ^{[ 4 ]} تم التحول إلى تقنيات التصميم الجديدة خلال مشروع موتورولا 68010 ، وهو تحديث بسيط نسبيًا للتصميم الأصلي أضاف دعمًا أساسيًا للذاكرة الافتراضية لسوق محطات عمل يونكس الناشئة . ^{[ 5 ]}

في خضم هذه الجهود، كانت موتورولا تستطلع آراء عملائها حول رغباتهم فيما يتعلق بالتطورات المستقبلية لهذا المنتج. وقد أشارت جميع هذه الرغبات إلى تطبيق كامل بتقنية 32 بت. كما ذكر مستخدمو معالج 68k في أنظمة يونكس أنهم سيشترون وحدة حسابية للفاصلة العائمة لكل جهاز إذا توفرت. ^{[ 6 ]}

صُمم معالج 68000 الأصلي كنظام هجين 16/32 بت، ويعود ذلك أساسًا إلى أن الحد الأقصى لعدد الأطراف المتاحة في حزم DIP كان 64 طرفًا، وحتى مع هذا الحجم، كانت عملية التغليف بهذا الحجم تُشكل تحديًا كبيرًا. ^{[ 7 ]} بتقليل عدد أطراف العناوين إلى 24 طرفًا، وأطراف البيانات إلى 16 طرفًا فقط، توفرت أطراف كافية لتنفيذ جميع الخطوط الأخرى اللازمة، مثل خطوط المقاطعات وإمدادات الطاقة. كان ناقل العناوين ذو الـ 24 طرفًا يعني أن سعة الذاكرة لا يمكن أن تتجاوز 16  ميجابايت، وهو ما أصبح قيدًا في ذلك الوقت. كان ناقل البيانات ذو الـ 16 بت يعني أن قراءة كلمة 32 بت من تلك الذاكرة تتطلب دورتين من دورات الناقل.

تصميمٌ يحتوي على 32 طرفًا لكلٍّ من ناقلَي العناوين والبيانات يُتيح الوصول إلى البيانات بسرعة مضاعفة، ما يجعل الجهاز أسرع بكثير حتى بدون أي تغييرات أخرى. كما أن الانتقال إلى عنونة 32 بت يُسهّل تنفيذ الذاكرة الافتراضية، ويُتيح استخدام أكثر من 16  ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي . لكن ذلك يتطلب أيضًا عددًا أكبر بكثير من الأطراف. وبحلول أوائل الثمانينيات، أدّت قيودٌ مماثلة على جميع تصميمات وحدات المعالجة المركزية الحديثة إلى تقديم مصفوفة شبكة الأطراف التي حلّت محلّ حزمة DIP. وللمشروع الجديد، اختارت موتورولا تصميمًا بـ 169 طرفًا، ما منحها مساحةً واسعةً للعمل. وفي النهاية، لم يستخدم التصميم سوى 114 طرفًا منها.

اندلع جدل واسع حول كيفية الإشارة إلى التصميم الأساسي للشريحة الجديدة في المواد التسويقية. من الناحية التقنية، كانت شريحة 020 تنتقل من تصميم منطق NMOS الراسخ إلى تصميم CMOS ، الذي يتطلب ترانزستورين لكل بوابة. كانت الفكرة السائدة آنذاك أن تكلفة CMOS تزيد أربعة أضعاف عن NMOS، وكان هناك قطاع كبير في السوق يعتقد أن "CMOS مرادف للجودة الرديئة". ^{[ 8 ]}

اكتمل تصميم الشريحة في صيف عام ١٩٨٣، وأُعلن عنها في يونيو ١٩٨٤. ^{[ ٩ ]} شكّلت هذه "الشريحة الخارقة" حدثًا بارزًا آنذاك، حيث نشرت صحيفة نيويورك تايمز خبرًا رئيسيًا عنها في قسم الأعمال. بلغ سعر إطلاقها ٤٨٧ دولارًا أمريكيًا، وهو سعرٌ يُقارب سعر شريحة ٦٨٠٠٠ عند إطلاقها عام ١٩٨٠، إلا أن سعر شريحة ٦٨٠٠٠ أصبح الآن حوالي ١٥ دولارًا. ومع ذلك، كان من المُتوقع أن يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن تُصبح أجهزة الكمبيوتر التي تستخدم الشريحة الجديدة مُتاحة، إذ سيتعين تعديل التصاميم الحالية بشكلٍ كبير للاستفادة من أدائها. ^{[ ١٠ ]}

أدى الإعلان إلى تهافت عملاء موتورولا على التوريد. وعند هذه النقطة، برزت مشاكل خطيرة في التوريد. كان التصميم مُعدًا ليتم تصنيعه في مصنع MOS-8 نفسه الذي يُصنع فيه معالج 68000، على الرغم من إدخال العديد من المعدات الجديدة لدعمه. وبحلول وقت الإعلان الرسمي، كانت نسبة إنتاج الشريحة الجديدة صفرًا. أي أنه مقابل كل رقاقة يتم إرسالها عبر عملية التصنيع متعددة المراحل، لن يتم إنتاج أي شريحة عاملة. ^{[ 11 ]}

استنتج غاري جونسون أن المشكلة تكمن في مدير قسم MOS-8، توم فيليسي، وقرر استبداله بيل ووكر، الذي كان يدير آنذاك مصنع MOS-2 الأقدم. وصل ووكر إلى المصنع في 5 يوليو 1985 ليجد أن جونسون لم يكلف نفسه عناء إبلاغ فيليسي بالتغيير، فنشبت مشادات كلامية. في النهاية، أخبر جونسون فيليسي أن هذا التغيير قد حدث بالفعل. ثم قام ووكر بجولة في المصنع ليجد أنه قد تحول إلى ما يشبه مختبرًا للبحث والتطوير ، وليس خط إنتاج، مع وجود العديد من الآلات المستخدمة في أماكن أخرى. ^{[ 11 ]}

كانت إحدى المشكلات الرئيسية جهازًا جديدًا من شركة جديدة، جينوس، لإنتاج سيليسيد التنجستن . لم يكن الجهاز يعمل ببساطة. سافر ووكر إلى كاليفورنيا للقاء الرئيس التنفيذي لشركة جينوس، الذي لم يقدم سوى الأعذار. في النهاية، ضرب ووكر بيده على المكتب، مما أدى إلى كسر سوار ساعته، وقال: "كفى أعذارًا! أريد إصلاح هذا الجهاز الآن، اليوم!" أخذت شركة جينوس الطلب على محمل الجد وأصلحت الجهاز. أرسل الرئيس التنفيذي لاحقًا إلى ووكر سوار ساعة جديدًا تخليدًا لهذه المناسبة. ^{[ 11 ]}

في غضون ذلك، وضع ووكر سياسة جديدة في مصنع MOS-8 لتحسين أدائه. كان يعقد اجتماعاته عادةً في الساعة 6:30 صباحًا، وإذا لم تكن الأمور تسير على ما يرام، كان يُقدم موعد الاجتماع إلى الساعة 5:30، بل وحتى إلى الساعة 4:30. وقد شكّل هذا حافزًا قويًا لتشغيل المصنع. وسرعان ما تم حل مشاكل الإنتاج، وبدأت عمليات التسليم بكميات كبيرة في أواخر ذلك العام. وبحلول ذلك الوقت، كان عملاء محطات العمل قد طوروا بالفعل أنظمة متكاملة جاهزة لاستخدام جهاز 020 ووحدة الفاصلة العائمة الجديدة، موتورولا 68881. وطُرحت الأنظمة في السوق بعد خمسة أو ستة أشهر فقط من الإعلان عن جهاز 020. ^{[ 12 ]}

بدأ تصميم الجيل التالي من معالج 020 فورًا تقريبًا. وكجزء من تعاونهم المستمر مع هيتاشي، بدأ نظام التصنيع لدى موتورولا يواكب المنافسة، وكذلك سير عمل التصميم الداخلي لديهم. وقد أتاح لهم ذلك مجالًا أوسع بكثير للعمل، مما سمح بإضافة ذاكرة تخزين مؤقت أكبر للمعالج ، ووحدة إدارة ذاكرة مدمجة (MMU)، وميزات أخرى. أُعلن عن معالج موتورولا 68030 في سبتمبر 1986، ^{[ 13 ]} على أن تبدأ عمليات التسليم في صيف العام التالي. ونظرًا للتغييرات التي طرأت على خطوط الإنتاج، كان سعر إطلاق معالج 030 الجديد أقل من سعر إطلاق معالج 020.

كانت هناك اختلافات جوهرية بين معالجي 68000 و020، لا سيما في واجهة الذاكرة ذات 32 بت. وقد استلزم ذلك تصميمات حاسوبية مختلفة تمامًا عن الطرازات السابقة. في المقابل، لم تشهد معالجات 020 و030 تغييرات تُذكر، حيث كان بالإمكان استخدام الأخير كبديل مباشر في العديد من الوظائف. لهذا السبب، ظهرت التصميمات التي تستخدم معالج 030 بسرعة أكبر بكثير بعد إصداره مقارنةً بمعالج 020. كان أول جهاز ماكنتوش مزودًا بمعالج 020 هو ماكنتوش II الذي صدر في مارس 1987، بعد عامين من انتشار معالج 020 على نطاق واسع، ^{[ 14 ]} وبدأت الشحنات الأولية بكميات محدودة بعد شهرين. ^{[ 15 ]} وبعد ثمانية عشر شهرًا فقط، حلّ ماكنتوش IIx محله، مستخدمًا معالج 030. وعلى الرغم من أنه كان يعمل بنفس  سرعة الساعة البالغة 16 ميجاهرتز، إلا أن IIx قدم أداءً بلغ 3.9 مليون  تعليمات في الثانية (MIPS) مقارنةً بـ 2.6 مليون تعليمات في الثانية لجهاز II. ^{[ 16 ]}

يحتوي المعالج 68020 على وحدة حسابية منطقية (ALU) بسعة 32 بت ، وناقلات بيانات وعناوين خارجية بسعة 32 بت. ^{[ 17 ]} ويضيف تعليمات إضافية وأنماط عنونة إضافية. يتميز المعالج 68020 (وكذلك 68030) بخط أنابيب ثلاثي المراحل. على الرغم من أن المعالج 68010 كان يحتوي على "وضع التكرار"، الذي يُسرّع التكرارات عبر ما كان في الواقع ذاكرة تخزين مؤقتة صغيرة للتعليمات، إلا أنها كانت تتسع لتعليماتين قصيرتين فقط، وبالتالي لم تكن تُستخدم كثيرًا. استبدل المعالج 68020 ذلك بذاكرة تخزين مؤقتة حقيقية للتعليمات بسعة 256 بايت، وهو أول معالج من سلسلة 68k يتميز بذاكرة تخزين مؤقتة حقيقية مدمجة في الشريحة.

كانت معالجات 68000 و68010 السابقة قادرة على الوصول إلى بيانات الكلمات (16 بت) والكلمات الطويلة (32 بت) في الذاكرة فقط إذا كانت محاذية للكلمات (موجودة في عنوان زوجي). أما معالج 68020 فلا يفرض أي قيود على محاذاة البيانات. وبطبيعة الحال، تكون عمليات الوصول غير المحاذية أبطأ من عمليات الوصول المحاذية لأنها تتطلب عملية وصول إضافية إلى الذاكرة.

يحتوي المعالج 68020 على ذاكرة تخزين مؤقت صغيرة للتعليمات ذات تعيين مباشر، سعتها 256 بايت، مُرتبة على شكل 64 مدخلاً، كل منها أربعة بايتات. ورغم صغر حجمها، إلا أنها أحدثت فرقًا ملحوظًا في أداء العديد من التطبيقات. وكان الانخفاض الناتج في حركة مرور البيانات على ناقل النظام بالغ الأهمية، لا سيما في الأنظمة التي تعتمد بشكل كبير على الوصول المباشر إلى الذاكرة (DMA) .

يحتوي المعالج 68020 على واجهة معالج مساعد تدعم ما يصل إلى ثمانية معالجات مساعدة. يتعرف المعالج الرئيسي على تعليمات "F-line" (حيث تكون بتات رمز العملية الأربعة الأكثر أهمية جميعها تساوي واحدًا)، ويستخدم دورات ناقل خاصة للتفاعل مع المعالج المساعد لتنفيذ هذه التعليمات. تم تعريف نوعين من المعالجات المساعدة: وحدات الفاصلة العائمة ( MC68881 أو MC68882 FPUs ) ووحدة إدارة الذاكرة المصفحة ( MC68851 PMMU). لا يمكن استخدام سوى وحدة PMMU واحدة مع المعالج الرئيسي. من حيث المبدأ، يمكن استخدام وحدات FPU متعددة مع المعالج الرئيسي، ولكن لم يكن ذلك شائعًا. واجهة المعالج المساعد غير متزامنة، لذا من الممكن تشغيل المعالجات المساعدة بتردد ساعة مختلف عن تردد ساعة المعالج الرئيسي.

يتم تنفيذ دعم المعالجة المتعددة خارجيًا باستخدام دبوس RMC ^{[ 18 ]} للإشارة إلى دورة قراءة-تعديل-كتابة غير قابلة للتجزئة جارية. يجب على جميع المعالجات الأخرى تأجيل الوصول إلى الذاكرة حتى اكتمال الدورة. ^{[ 19 ]} يتضمن دعم البرمجيات للمعالجة المتعددة تعليمات TAS و CAS و CAS2 .

في نظام المعالجات المتعددة، لا يمكن مشاركة المعالجات المساعدة بين وحدات المعالجة المركزية. ولتجنب مشاكل الإرجاع من المعالج المساعد، وأخطاء ناقل البيانات، واستثناءات أخطاء العناوين، كان من الضروري عمومًا في نظام المعالجات المتعددة أن تكون جميع وحدات المعالجة المركزية من نفس الطراز، وكذلك جميع وحدات معالجة الفاصلة العائمة.

تتضمن التعليمات الجديدة بعض التحسينات والتوسعات الطفيفة لحالة المشرف، والعديد من التعليمات لإدارة البرمجيات لنظام المعالجة المتعددة (والتي أُزيلت في معالج 68060)، وبعض الدعم للغات عالية المستوى التي لم تُستخدم كثيرًا (وأُزيلت من معالجات 680x0 اللاحقة)، وتعليمات ضرب أكبر (32×32 ← 64 بت) وتعليمات قسمة (64 ÷ 32 ← 32 بت ناتج القسمة و32 بت الباقي)، ومعالجة حقول البت. ^{[ 20 ]}

تضيف أنماط العنونة الجديدة فهرسة متدرجة ومستوى آخر من التوجيه غير المباشر إلى العديد من الأنماط الموجودة مسبقًا.

• "جلسة التاريخ الشفوي حول تطوير وترويج جهاز موتورولا 68000" (ملف PDF) (مقابلة). أجراها ديف هاوس. 23 يوليو 2007.