• Procesor MC68030

30.09.2017 00:48, autor artykułu: Tomasz Magosa
odsłon: 7348, powiększ obrazki, wersja do wydruku,

Procesor MC68030 to rozwojowa wersja pierwszego, w pełni 32 bitowego procesora Motoroli MC68020 wprowadzona w 1987 roku. MC68030 powstał pół roku po premierze Intela i386 i był wynikiem polityki prowadzonej przez Motorolę, polegającej na budowie nowego procesora, a następnie tworzenie jego usprawnionych wersji. Przypomina to obecną strategię Intela Tic-Toc, stosowaną w architekturze x86 Core.

Początkowo MC68030 produkowany był przez Motorolę, później po podziale firmy, przez Freescale, a obecnie sprzedawany jest już przez NXP. Ciekawostką jest fakt, że dystrybucja MC68030 została przerwana na krótko ze względu na pozew od firmy Hitachi w marcu 1990 roku. Obie firmy doszły jednak do porozumienia i sprzedaż procesorów została wznowiona.

Procesor został doceniony przez producentów komputerów i znalazł zastosowanie w wielu maszynach produkowanych pod koniec lat 80 oraz na początku 90. Spotkać go możemy w takich komputerach jak Apple Macintosh II, Macintosh LC, Amiga 3000, czy później Amiga 4000/030, Atari TT, Atari Falcon oraz NeXT. Ponadto procesor stosowano w oscyloskopach, drukarkach laserowych oraz centralach telefonicznych.

Budowa procesora

Procesor w swojej budowie jest bardzo podobny do poprzednika - MC68020 i w zasadzie jest jego zmodyfikowaną i usprawnioną wersją. Podobnie jak „dwudziestka” procesor został wykonany w technologii HCMOS (High Speed CMOS), jednak proces wykonania z czasem ulegał zmniejszeniu w celu ograniczenia powierzchni wafli krzemowych, co zredukowało koszt wytwarzania oraz ograniczyło pobór mocy.

Procesor składa się z 273 tysięcy tranzystorów w porównaniu do 190 tysięcy poprzednika, pobiera maksymalnie około 2,5W mocy i zasilany jest napięciem 5V. Temperaturę pracy określono w przedziale 0 - 70°C. Kolejne podobieństwa do MC68020 to 32 bitowa szyna adresowa i 32 bitowa szyna danych, która może pracować przy 16 i 8 bitowej szerokości kosztem znacznie ograniczonej wydajności. W porównaniu do 020 podwojono ilość pamięci podręcznej dodając 256 bajtów dla danych oraz skrócono czas dostępu z dwóch do jednego taktu zegara. Warto dodać, że pamięć podręczna może zostać w każdej chwili wyłączona, aby zachować kompatybilność ze starszym oprogramowaniem. Kolejną nowością jest zintegrowany układ MMU kompatybilny z MC68851, dzięki czemu procesor wzbogacił się o dodatkowe 4 rozkazy, a sama jednostka MMU może pracować równolegle do pozostałych elementów procesora. Nowy jest także tryb burst dla danych i instrukcji, pozwalający odczytać w krótkim czasie więcej danych z pamięci i wypełnić nimi pamięć podręczną. Ponadto w procesorze usprawniono magistralę danych poprzez dodanie możliwości pracy w trybie asynchronicznym oraz skrócono czas dostępu do pamięci, dzięki czemu procesor w trybie synchronicznym może mieć dostęp do pamięci operacyjnej w 2 taktach, natomiast w trybie asynchronicznym w 3 taktach.


Rysunek 1. Porównanie architektury MC68020 i MC68030. Żródło: MOTOROLA, 1995 High-Performance Internal Product Portfolio Overview

Lista zmian wygląda obiecująco, jednak skupia się głownie na optymalizacji obsługi pamięci i w praktyce przyrost wydajności to zaledwie około 15%. Procesor nadal nie ma zintegrowanego koprocesora arytmetycznego, gdyż w latach 80 nie widziano potrzeby integracji tak specjalizowanego urządzenia wykorzystywanego wówczas tylko w profesjonalnym oprogramowaniu. Koprocesor przynosił dramatyczny wzrost wydajności, stąd przewidziano możliwość współpracy nawet z ośmioma zewnętrznymi koprocesorami MC68881 lub MC68882, jednak w praktyce amigowe rozszerzenia pozwalają na montaż tylko jednego koprocesora. Należy także pamiętać, że koprocesory również korzystają z tej samej szyny danych, co powoduje wolniejszy dostęp do pamięci samego procesora. MC68030, jak przystało na 32 bitowy procesor posiada przestrzeń adresową 4 GB, lecz karty turbo w Amidze umożliwiają rozbudowanie pamięci maksymalnie do i tak imponujących, jak na ówczesne czasy 256 MB. 030 posiada 3 stopniowy potok pozwalający na przetwarzanie 3 kolejnych instrukcji jednocześnie. Z racji synchronicznego taktowania szyny danych „trzydziestka” posiada bardzo dobrą wydajność pamięci oraz I/O zależną od taktowania procesora.


Rysunek 2. Rdzeń procesora MC68030RC rev.B. Zródło: Wikipedia.

Kariera MC68030 zakończyła się 24 lipca 2009 roku, kiedy zamknięto fabrykę Sendai Fab w Japonii, produkującą krzemowe wafle 150 mm i tym samym zakończono produkcję wykonywanych na tym waflu procesorów, do których należał MC68030. Ostatnie zamówienia mogły być składane do 24 lipca 2010 roku.

Wersje MC68030

Procesor występuje w pełnej wersji z MMU oraz wersji ekonomicznej EC różniącej się tylko brakiem wspomnianej jednostki MMU. Wersje można rozpoznać łatwo po oznaczeniu i dla pełnej jest to MC68030, a dla ekonomicznej - MC68EC030. Ponadto identyfikacja możliwa jest poprzez oprogramowanie diagnostyczne. Z racji braku MMU wersja ekonomiczna posiadała tylko 251 000 tranzystorów. Pełna wersja procesora występowała w częstotliwościach taktowania 16, 20, 25, 33, 40, 50 MHz, natomiast wersja ekonomiczna tylko w 25 i 40 MHz.

Produkcja

MC68030 był produkowany w 3 fabrykach:

  • Od początku, czyli od 1987 roku procesor produkowany był w fabryce MOS8 w Austin w Texasie, USA. Pierwsze procesory mają często oznaczenie „USA” na ceramicznej obudowie, natomiast od 1989 roku były pakowane w Malezji, stad późniejszy napis „Malaysia”.
  • Kolejna fabryka produkująca MC68030 to APRDL, niestety nie znalazłem żadnej informacji na temat tej fabryki, prawdopodobnie produkowała tylko jedną maskę procesora C48C przez krótki czas. Nadruki na obudowie sugerują, że procesory pakowane były w Malezji.
  • Nieco później, prawdopodobnie w 1991 roku uruchomiono produkcję w fabryce Tohoku w Sendai w Japonii i była to ostatnia fabryka produkująca MC68030. Pomimo produkcji tej samej maski z moich doświadczeń wynika, że rewizja „C” z fabryki Tohoku wydaje się mieć większy potencjał do przetaktowania. Produkcje ostatnich MC68030 zakończono 24 lipca 2009 roku.

Obudowy MC68030

MC68030 i MC68EC030 występują w 2 typach obudów PGA i QFP: 1. PGA128
  • obudowa ceramiczna (MC68030RC) z pozłacaną blaszką, taktowane od 16 do 50 MHz i produkowane do 24 lipca 2009 roku.


Rysunek 3. MC68030RC produkcji Freescale.

• obudowa z tworzywa sztucznego (MC68030RP) wprowadzona w 1989 lub 1990 roku. Wersja wycofana z produkcji 22 grudnia 1999 roku, taktowane do 40 MHz, tańsza w produkcji, jednak gorzej odprowadzające ciepło.


Rysunek 4. Motorola MC68030RP w obudowie plastikowej. Warto zwrócić uwagę na spód procesora.

2. QFP132

  • obudowa z tworzywa sztucznego (MC68030FE), taktowanie do 40 MHz.


Rysunek 5. MC68030FE późna produkcja Freescale. Uwagę zwracają cieńsze nóżki.

Procesor jest kompatybilny elektrycznie z MC68020, jednak posiada inny rozkład nóżek, wiec jego bezpośrednia podmiana z MC68020 jest niemożliwa.

Maski

Tabela 1. Lista procesorów MC68030 rev. A.

Maska

Proces technologiczny (μm)

Fabryka

Lata produkcji jeśli znane

B56P

1,35

MOS8(?)

<89

B47

1,35

MOS8(?)

<89


Tabela 2. Lista procesorów MC68030 rev.B.

Maska

Proces technologiczny (μm)

Fabryka

Lata produkcji jeśli znane

B67R

1,2

MOS8

89

C43C

1,2

MOS8

89

C48C

1,2

APRDL


D62C

1,2

Tohoku

91,92

D66C

1

Tohoku

92,93

C74C

1

MOS8

1990-1996


Tabela 3. Lista procesorów MC68030 rev.C.

Maska

Proces technologiczny (μm)

Fabryka

Lata produkcji jeśli znane

G40W

0,8

MOS8

Od 13-Lis-1996

F91C

0,8

Tohoku

Od 24-Maj-1995 do 24-Lip-2009



Rysunek 6. Po lewej rev.A, po prawej Rev.B. Widoczna różnica w rozmiarze blaszki odprowadzającej ciepło. Rev.A jeszcze pakowana w USA, ale już z nowym, czytelniejszym systemem oznaczeń.


Tabela 4. Lista procesorów MC68EC030

Maska

Proces technologiczny (μm)

Fabryka

Lata produkcji jeśli znane

C74N

1

MOS8

1993

D66C

1

Tohoku

1993

D62C

1,2

Tohoku


F91C

0,8

Tohoku

95,96

Rewizja A i wczesne wersje rewizji B (B67R, C43C) występowały tylko w wersji RC i charakteryzowały się mniejszą powierzchnią złoconej blaszki. W późniejszych wersjach wraz z przejściem oznaczeń z XC na MC i zmianą procesu na 1 μm blaszka ta uległa powiększeniu oraz zmieniono standard oznaczeń na bardziej czytelny. Od 23 sierpnia 2000 roku MC68020RC i MC68030RC produkowane przez Motorolę posiadały nadruki już nie na blaszce, a na ceramicznej obudowie. Prawdopodobnie Freescale wrócił do nadruków na blaszce, jadnak brakuje tutaj oficjalnych informacji, a jako potwierdzenie tej tezy służą wersje procesora z takim nadrukiem. Inna wersja to MC68030FE, gdzie nowsze odmiany procesora posiadają cieńsze nóżki.


Rysunek 7. Jeden z późniejszych MC68030RC wyprodukowanych przez Freescale w 2005 roku. Proszę zwrócić uwagę, że oznaczenia procesora wydrukowane są już na ceramicznej obudowie.

Spotkałem się również z maskami G70W i G80W najprawdopodobniej będącymi procesorami rev. B z przedrukowanymi oznaczeniami. W dokumentacji Motoroli nie istnieje taka maska, a okres z którego pochodzą te procesory powinien mieć wydrukowane oznaczenia na ceramicznej części, a nie na pozłacanej blaszce.

Podsumowując, jeśli szukamy MC68030 najkorzystniej będzie wybrać rewizję C, wykonaną w technologii 0,8 μm ze względu na niższy pobór mocy i ilość wydzielanego ciepła. Te cechy mają szczególne znaczenie w przypadku wersji taktowanej 50 MHz pracującej często bez radiatora i odpowiedniego przepływu powietrza. Ponadto, jeśli planujemy przetaktowanie - przy ostatniej masce uzyskamy najwyższe częstotliwości. Rewizja A to dosyć rzadko spotykana wersja i nie widziałem jej nigdy na kartach do Amigi A1200. Jedyne zdjęcia z Internetu pochodzą ze starych Maków oraz Amigi 3000, niemniej dla kolekcjonera może to być ciekawa pozycja.

Wydajność MC68030

W stosunku do procesora 020 łatwo zauważyć, że w 030 producent postawił na optymalizację pamięci, stąd dodatkowa pamięć podręczna o dwukrotnie krótszym czasie dostępu oraz tryb ‘Burst’. Rozkazy zostały takie same, natomiast zgodnie z ówczesnym trendem zintegrowano jednostkę MMU. Procesor jest od poprzednika wydajniejszy około 15% (w praktyce przy nowoczesnych kartach i przy szybkiej pamięci 020 wydajnościowo niemal zrównuje się ze starymi kartami z 030). Należy jednak zaznaczyć, że w nowoczesnych konstrukcjach przy szybkich pamięciach 030 dostaje kolejne imponujące 20% przyspieszenia. Widać to szczególnie porównując starego, wciąż całkiem szybkiego Blizzarda 1230 IV 50MHz z ACA1233/40MHz osiągającą 10 MIPSów. W Sysinfo „trzydziestka” przy tej samej częstotliwości jest ponad dwukrotnie szybsza od MC68000. MC68030 jest oczywiście znacznie bardziej skomplikowanym procesorem niż pierwsza Motorola 68k, a różnice wydajności zależą od zastosowania i konkretnych przypadków. Musimy pamiętać, że procesory linii 68k posiadały małą ilość pamięci podręcznej, przez co były wrażliwe na szybkość i opóźnienia pamięci.

Konkurencja

Konkurencja czyli i386(1985).
Konkurentem MC68030 był (często uznawany za najbardziej udany procesor z rodziny x86) 80386, który pojawił się 2 lata po premierze MC68020 i niecały rok przed premierą MC68030. i386 był pierwszym reprezentantem 32 bitowej architektury w świecie IBM-PC, zwanej IA-386, która towarzyszyła blaszakom przez wiele kolejnych lat. Procesory są dość podobne (pomijając 386SX, który posiada szynę danych 16 bitową, mocno ograniczającą wydajność tego procesora) i są w pełni 32 bitowe. Posiadają tryb burst oraz wbudowane MMU, koprocesor jest zewnętrzny i opcjonalny, również liczba tranzystorów jest podobna i wynosi odpowiednio 275 000 vs 273 000. Oba procesory są zasilane napięciem 5V. Zasadnicza różnica dotyczy pamięci podręcznej. 386 posiada 16B kolejkę wstępnego pobierania instrukcji, a 030 (zgodnie ze zmodyfikowaną architekturą harwardzką) wspomniane już 512B pamięci podręcznej. W swoim portfolio Motorola chwali się też lepszą obsługą pamięci.

Pomimo gorszej wydajności na papierze 386 spokojnie daje sobie radę z 020 z wyłączoną pamięcią podręczną, a jeśli pamięć jest włączona, to wydajność się praktycznie zrównuje. Wciąż dużo zależy tu od konfiguracji, pamięć podręczna drugiego poziomu na płycie głównej 386 daje znaczny wzrost wydajności, a jej pojemność może wielokrotnie przerastać skromne 0,5kB w procesorze Motoroli. Dla MC68030 istnieje specjalny układ rozszerzający pamięć podręczną, niestety ze znanych mi konstrukcji tylko Mac IIfx korzysta z pamięci podręcznej drugiego poziomu. Dodatkowo zastosowanie pamięci Static RAM lub nowoczesnej szybkiej pamięci DRAM o niskich opóźnieniach powoduje znaczący wzrost wydajności procesora mogący sięgać do 20%.

Niemniej i386 od początku miał problemy z taktowaniem już przy 16 MHz i w trakcie rozwoju taktowanie zwiększono tylko do 33 MHz, co w konsekwencji wskazuje potencjalnego zwycięzcę naszego pojedynku. MC68030 nokautuje Intela samą częstotliwością taktowania wynoszącą nawet 50 MHz. Dyskusyjna jest tutaj jedynie wydajność samej mikroarchitektury, która wydaje się jednak przeważać na korzyść 030 ze względu na nowocześniejsze rozwiązania, jak i zastosowanie pamięci podręcznej oraz lepsze zarządzanie pamięcią. Na niekorzyść i386 wypada również pobór mocy określony na 3,5 W przy 2,5 W dla MC68030, a także proces technologiczny 1,5 μm – 1 μm przy 1,35 μm – 0,8 μm dla Motoroli.

AMD wkracza do gry, czyli Am386
Am386 był pierwszym samodzielnym procesorem od AMD, lepszym od Intelowego odpowiednika i wyżej taktowanym, bo aż do 40 MHz. W praktyce procesor często dorównywał, a nawet wyprzedzał 486SX/25, głównie dzięki znacznie szybciej taktowanej szynie danych (25 MHz vs 40 MHz). Powstał jednak znacznie później, bo w 1991 roku, kiedy dostępny był już 486DX, a po licencyjnych zawirowaniach z Intelem w sprzedaży pojawił się dopiero w 1992 roku, czyli aż 6 lat po premierze i386. Pomimo że MC68030 powstał kilka lat wcześniej, wyprzedza on Am386 częstotliwością taktowania i szybkością szyny danych (40 MHz vs 50 MHz). Możliwości podkręcania Am386 kończyły się na 50 MHz, co również blado wygląda przy Motoroli pozwalającej osiągnąć ponad 60 MHz.

Pobór mocy procesora Am386 przy taktowaniu 40 MHz to 2,1 W lub 3 W zależnie od wersji, podobnie jak w produktach Motoroli, również proces produkcyjny jest podobny.

A może 486SX?
i486SX był następcą i386 i znacznie bardziej skomplikowaną konstrukcją posiadającą rozbudowany rdzeń, dający duży skok wydajnościowy i zapewniający 486 pozycję niekwestionowanego lidera jeśli chodzi o wydajność instrukcji na takt. Niestety dwukrotnie wolniejsza szyna danych i niska częstotliwość skutecznie zabijają wydajność tego procesora, stąd MC68030RC50 z pewnością będzie szybszy w wielu zastosowaniach, szczególnie tych wymagających intensywnego wykorzystania pamięci RAM. W przeciwieństwie do Motoroli Intel później wyciągnął wnioski z tego ograniczenia i następca 486 - Pentium posiadał już dwukrotnie szerszą, 64 bitową szynę danych.

Podsumowując, zarówno MC68020 jak i MC68030 są bardziej nowoczesnymi konstrukcjami od 386, przy czym 030 jest z pewnością konstrukcją wydajniejszą, co szczególnie widać w nowych kartach turbo, gdzie procesor ten występuje w parze z szybką pamięcią. 386 nadrabia wydajnością na płytach posiadających pamięć podręczną poziomu drugiego, ale wciąż jest to konstrukcja wolniejsza. Z racji różnych architektur brakuje niestety obiektywnych testów porównawczych. Sprawę komplikuje też fakt, że w latach 90 pojawiły się klony procesora 386 innych firm, będące hybrydą 386 i 486, które znacznie wyprzedzały wydajnością klasyczne i386.

Prostym testem potwierdzającym wyższości produktu Motoroli jest próba odsłuchania MP3 na 030 i 386 :)

Przetaktowanie

Z uwagi na brak dokumentacji ciężko się wypowiadać o rewizji A, lecz znacznie bardziej popularne rewizje B i C były często podkręcane. Rewizje D66C i C74N w większości wypadków powinny osiągać 50 MHz, a wolniejsze wersje 33 lub 40 MHz. Jeśli chcemy bawić się w overclocking, powinniśmy zainteresować się ostatnią maską - „C”. Z moich doświadczeń wynika, że maska G40W osiąga przynajmniej 56 MHz, natomiast wersja F91C to prawdziwy rodzynek. Przy tej masce udało mi się osiągnąć 62,5 MHz, niestabilnie nawet 64 MHz na Blizzardzie IV. Ograniczeniem tu może być zarówno karta, jak i procesor, wiec niekoniecznie jest to granica taktowania samego procesora. Należy także pamiętać, że maski B powyżej 50 MHz i C przy 60 MHz wymagają radiatora lub nawet delikatnego nawiewu.

Podsumowanie

MC68030 to bardzo udana pozycja linii MC680x0, wciąż zachowująca dobrą kompatybilność ze starym oprogramowaniem, wprowadzająca nieco powiewu świeżości do rodziny procesorów Motoroli. Poprawiając stary procesor mocno skupiono się na optymalizacji obsługi pamięci, co odbiło się na wydajności procesora, szczególnie widocznej w połączeniu z nowoczesnymi szybkimi pamięciami. Kolejnym czynnikiem mającym bezpośrednie przełożenie na wydajność to wysokie taktowanie, bezdyskusyjnie zapewniające czysty przyrost mocy obliczeniowej. Niewątpliwą zaletą był również stały rozwój procesora powodujący wprowadzanie nowych masek oraz stopniowe usprawnianie procesu produkcji. Rozczarowuje nieco architektura, która mimo iż nowocześniejsza od IA386, daje tylko niewielką przewagę przy tym samym taktowaniu. Wbudowane MMU w praktyce na niewiele w Amidze się przydaje, gdyż jest wykorzystywane tylko przez nieliczne oprogramowanie. Konkurencja w postaci architektury x86 wypada słabiej, przegrywając zarówno przestarzałą architekturą, niższym taktowaniem, jak i wyższym poborem mocy.

Źródła

http://www.cpu-world.com/CPUs/68030/index.html
Zmiana oznaczeń na grawerowane laserowo
Zmiana wafelków z 150mm na 200 i 300mm i zakończenie produkcji
Wprowadzenie G40W [1]
Wprowadzenie G40W [2]
Wycofanie RP
Manual
Procesor Timelist
Comparison: MC68030 vs 386
Portfolio

 głosów: 13   tagi: procesor, mc68030, motorola
komentarzy: 2ostatni: 17.03.2018 19:15
Na stronie www.PPA.pl, podobnie jak na wielu innych stronach internetowych, wykorzystywane są tzw. cookies (ciasteczka). Służą ona m.in. do tego, aby zalogować się na swoje konto, czy brać udział w ankietach. Ze względu na nowe regulacje prawne jesteśmy zobowiązani do poinformowania Cię o tym w wyraźniejszy niż dotychczas sposób. Dalsze korzystanie z naszej strony bez zmiany ustawień przeglądarki internetowej będzie oznaczać, że zgadzasz się na ich wykorzystywanie.
OK, rozumiem