摩托羅拉68000

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摩托羅拉68000型中央處理器，或稱MC68000，680x0，m68000，m68k，68k；是由美國摩托羅拉公司（Motorola）的半導體部門（現已獨立成為飛思卡爾公司（Freescale））出品的一款16/32位CISC（複雜指令集）微處理器。作為M68K處理器系列的第一個成員，MC68000於1979年投放市場。由於內部使用32位總線和寄存器，它在軟件層（指令集）上基本與隨後的純32位產品保持兼容。

XC68000，即MC68000的預發布版本，1979年

物理內存

歷史

摩托羅拉公司於1976年起動MACSS計畫（Motorola Advanced Computer System on Silicon，摩托羅拉硅晶高級電腦系統），打算開發一款與以前產品完全不相容的全新微處理器。根據計劃，新CPU應該是對當時摩托羅拉主流8位CPU6800的一個高階互補產品，而不會考慮兩者間的兼容性。不過，當68000設計出來後，它還是被保留了一個可相容6800外部的匯流排協定模式，並且專門有8位匯流排的產品被生產出來。當然，設計人員還是更在意於其向後兼容性，這為68000確立在32位CPU領域的領先優勢奠定了基礎。比如，68000使用32位暫存器和內部匯流排，僅管其本身的結構很少直接操作長字。小型電腦諸如PDP-11和VAX—二者採用了類似的微編碼—對68000的設計有深遠的影響。

在20世紀70年代中期，8位微處理器製造商紛紛競爭導入下一代16位CPU。國家半導體在1973年到1975年間首先開發出了IMP-16和PACE，但其速度並不理想。英特爾公司於1977年推出8086，迅速受到歡迎。此時，為確保競爭上的領先，摩托羅拉意識到其MACSS計劃必需跳過16位系統，而直接推出16/32位混合型CPU。到1979年，摩托羅拉68000，即MC68000，才告姍姍來遲。由於比8086晚兩年，其電晶體數目更多，並因其易用性得到了好評。

最初的MC68000使用3.5微米HMOS技術（即高性能N通道金屬氧化物半導體，CMOS的前身）製造。1979年發布了工程樣品，次年產品型面世，速度有4、6、8、10兆赫茲多種。最快的16.67MHz版本到80年代末才面市。

MC68000在早期得到了很多高階產品的青睞。在昇陽公司的Sun workstation等多種Unix工作站中，MC68000一度占領導地位。市場領先的其他一些電腦，包括Amiga（阿米加）、Atari ST（雅達利ST）、Apple Lisa （蘋果Lisa）和 Macintosh（麥金塔），以及第一代雷射印表機，如蘋果公司的LaserWriter，都使用MC68000。1982年，摩托羅拉進一步更新了MC68000的指令集以支持虛擬記憶體，並使其能夠符合由Popek和Goldberg於1974年提出的虛擬化標准。

為支援低成本系統和使用較少記憶體的應用，摩托羅拉於1982年還推出了面向8位外部匯流排的MC68008。1982年以後，摩托羅拉開始把更多的注意力投向68020和88000。

其他製造商

由日立公司設計，1985年兩公司聯合推出了使用CMOS技術的68HC000。68HC000的速度有8到20MHz多個版本。儘管除了使用CMOS電路，68HC000與基於HMOS的MC68000完全一致，但正是因此其能耗得到大幅下降。MC68000在25攝氏度環境下能耗大約為1.35瓦，而8MHz的68HC000則為0.13瓦，較高頻率的版本則能耗也相對提高（HMOS技術則不同：其在CPU空閒時仍會耗電，所以功耗與頻率基本無關）。後於1990年摩托羅拉又推出了MC68008的CMOS版本，並將其改進為可相容8/16位兩種匯流排模式。

其他HMOS版68000的製造商包括：Mostek、Rockwell（洛克維爾）、Signetics、Thomson（湯姆遜）和東芝。東芝也生產CMOS版68000（TMP68HC000）。

應用

68000首先被應用於許多高端產品中，如多用戶微型計算機WICAT 150及阿爾法微系統的一些早期計算機等。單用戶工作站如惠普公司的HP 9000/200、太陽微系統的Sun-1；圖形終端如DEC的VAXstation 100和Silicon Graphics的IRIS 1000均使用68000。許多Unix系統也開始使用68K系列CPU。

在80年代中期，68000又成為首先應用於個人/家庭計算機的CPU。先後有蘋果的Apple Lisa與麥金塔（Macintosh 128K）、Amiga的海軍准將（Commodore）、雅達利ST及夏普的Sharp X68000採用68000。

68000最主要的成功在於控制器領域。早在1981年Imagen公司就把68000用作其激光打印機Imprint-10外部控制器的CPU。惠普於1984年發布的第一款LaserJet打印機亦使用一片8MHz的68000作為內置控制器。類似的基於68000的整合控制器也被廣泛用在其他多款打印機中。到90年代，68000仍在許多低端打印機中被使用。

除了傳統商業和家用計算應用，68000在工業控制系統中也取得了巨大成功。Allen-Bradley、德州儀器及西門子公司生產的可編程邏輯控制器（PLC）即使用68000。一般來說，這類工業系統的用戶更重視產品的可用性，而不是向家庭用戶一樣過於在意其是否過時。所以，仍有許多使用68000的系統，在被安裝二十多年後，在生產一線提供着持續而可靠的服務。

隨着技術的進步，68000在計算機單機市場漸被淘汰，但其應用仍活躍於消費和嵌入式領域。遊戲機製造商使用68000作為許多街機和家用遊戲機的處理器。雅達利在1983年推出的Food Fight便是使用68000的代表街機遊戲。世嘉的System 16、卡普空的CPS-1和CPS-2以及SNK的Neo Geo也都使用68000。

在80年代末到90年代初，一些遊戲機廠商使用68000作為家用遊戲平台的中央處理器。這包括世嘉的Mega Drive（MD）和Neo Geo家用版和Super A'Can。到了90年代，儘管街機遊戲開始使用更加強大的CPU，68000還在世嘉的32位CPU遊戲機Sega Saturn中用作聲音控制器。

基於68000的683XX系列微控制器則廣泛應用於許多應用領域中，包括網絡和電話設備、電視機機頂盒、實驗室與醫療設備等。思科、3Com等公司曾在他們生產的通訊設備中使用MC68302及其衍生產品。Palm公司曾使用DragonBall系列CPU（68K系列的後續）作為其PDA的處理器，直到基於RISC的ARM處理器開始統治PDA市場。此外，AlphaSmart公司在其便攜式文字處理器中使用DragonBall。

德州儀器在一些高端圖形計算器，如TI-89和TI-92中，使用68000。這些設備早期使用以68EC000為內核的專門化微控制器，後來則改用封裝好的MC68SEC000。

作為微控制器內核

在被純32位CPU取代後，68000開始被用作許多微控制器的內核。1989年，摩托羅拉發布了MC68302通訊處理器。兩年後又推出獨立處理器芯片MC68EC000。1996年的MC68SEC000便使用了這款芯片。

1996年摩托羅拉停產HMOS MC68000和MC68008，但其分離出來的半導體部門，飛思卡爾公司，仍在生產MC68HC000等68K家族系列產品。68000架構的後代，680x0、CPU32以及Coldfire系列，也仍在生產。

架構

地址總線

68000地址總線為24位，故支持16MB最大物理內存。在使用32位長字對地址進行存儲和計算時，高位的一個字節會被自動忽略。這種設計使得其具備相當的向前兼容性，可以直接運行為後續的純32位CPU編寫的軟件。也因此，根據現今的定義，68000應稱得上是一款32位CPU。摩托羅拉使用32位內部總線的目的在於希望能夠在68000上編寫可以被將來的後續產品直接使用的軟件，而相關指令不必作位數上的調整。

然而，程式工程師還是有可能編寫出無法與後續產品兼容的軟件。倘若這種24位軟件丟棄高位字節，或將該字節用作尋址以外的目的，它就有可能在32位68K系列CPU上運行失敗。這就是說，對於希望支持向前兼容的軟件，必須始終使用32位長字尋址，並且將最高位字節置零。

內部寄存器

68000包含8個32位通用寄存器（D0-D7），及8個32位地址寄存器（A0-A7）。最後一個地址寄存器，即A7，也作為標準棧指針使用，在編程中可以使用SP作為同義詞。這組寄存器在規模上恰到好處：既可以對中斷快速反應（只有十多個寄存器要保存），也有足夠的寄存器來進行快速計算。

儘管兩種寄存器並存有時會比較麻煩，但在實踐中並非難於掌握。據稱，這還使得CPU的設計者們可以通過對地址寄存器組使用輔助計算單元，從而實現較高程度的並行機制。

存儲內容高位字節在前（Big Endian模式），與x86相反。

狀態寄存器

68000比較、算術和邏輯操作會在狀態寄存器SR的低端字節（又稱CCR）中設置一些標誌位，以供之後的條件跳轉使用。這些標誌位是：得零（Z）、進位（C）、溢出（V）、擴展（X）、負數（N）。儘管許多時候值是相同的，X與C依然是兩個不同的標誌位。這就允許算術、邏輯和移位操作的多餘位與邏輯控制/連接造成的進位區別開。

指令集

68000的指令集基本上是正交的。大部分指令被劃分成操作和地址模式兩部分，並且大部分地址模式都對幾乎全部指令可用。這種近似正交性在編程人員當中毀譽參半。

編程者會清楚地發現，他/她所書寫的指令可能被匯編成幾種不同的二進制操作碼。這實際上是一種不錯的妥協：一方面，在便利性上與純粹的正交指令系統相仿；一方面，CPU設計者可以有更多的自由來設計操作碼表。

對於一台16位時代的機器而言，由56條指令構成的最小指令集仍顯巨大。此外，許多指令和尋址模式會在指令後邊加入地址/尋址模式碼。

許多設計者確信MC68000體系結構應基於成本考量使用較精簡的指令碼，特別是使用編譯器自動生成時。這種認識為對其設計上的成功加分不少，並且使之成為一種經久不衰的體系結構。這一信條持續地保證了整個系列指令集的設計優勢，直到ARM體系結構引入同樣精簡的Thumb指令集。

特權級

68K系列CPU包含兩個特權級。超級用戶（supervisor）模式和用戶（user）模式。後者相比於前者只是禁用了中斷級控制。中斷總會使CPU進入超級用戶態。超級用戶標誌位存儲於狀態寄存器SR中，並對用戶可見。

超級用戶態下會有一個分離的棧指針用於中斷處理。

中斷

68000可以識別7級中斷，從級別1到級別7。7級中斷嚴格按優先級排列，一個高級中斷總是能嵌套於一個低級中斷。可以使用專門的特權指令在SR內設置最小中斷級別，從而屏蔽所有小於此級別的中斷。但如果設置為0，表示不接受中斷。級別7不可被屏蔽，即NMI。級別1總是可以被高級中斷打斷。

硬件中斷源將中斷信號以編碼方式通過三條輸入線傳送給CPU。一般會使用專門的中斷控制器來匯總各外部設備，並將中斷信號按級編碼與CPU硬連。中斷控制器可以使用簡單如74LS148優先級編碼器，複雜如MC68901多功能外設（支持可編程中斷控制、通用異步收發裝置、定時器及並行輸入輸出等）等各種電路模塊。

在內存低1K位置存儲中斷向量表，共支持256條中斷向量。部分中斷向量有特殊用途：向量1為初始棧地址；向量2為初始代碼地址；向量3到15用於錯誤報告，包括總線錯誤、尋址錯誤、非法指令、除零異常、優先權違反等。從向量24起處理真正的中斷，包括偽中斷、針對級別1到級別7的默認處理向量，多達15個自陷向量，以及用戶定義向量。

由於必須在重啟時保證向量1和2的內容有效，所以68000系統通常包含在地址底部使用非易失性存儲器（如ROM）來存儲一些例程向量和啟動代碼。但是，一個通用計算機的操作系統會期望在運行時改變向量內容。解決辦法是將ROM內的向量指向RAM的分支表，或使用早期在8位CPU中廣泛使用的換頁技術（Bank switching）。

由於包含一條非特權指令MOVE from SR，允許一般用戶只讀地訪問某些特權狀態，68000並未完全滿足波佩克與戈德堡虛擬化需求。該需求指出了為構建某一CPU之等價虛擬機而對CPU提出的若干要求。

MC68000對虛擬內存缺乏方便的支持。一款支持虛擬內存的CPU應能在內存訪問失敗後自陷並恢復。不過，68000確實提供了一個總線錯誤異常來使CPU自陷，儘管還不能保存足夠的狀態信息以便於異常處理之後的恢復。為此，一些Unix工作站通過使用兩塊68000來解決虛擬內存問題。兩塊CPU的運行時鐘存在相位差。當第一塊遇到尋址異常後，特殊的硬件會設法向第二塊發出中斷，以防止其也訪問錯誤地址。中斷例程在第二塊CPU上處理完內存換頁後，會按之前的狀態重啟第一塊CPU，從而再次使兩CPU同步。

不過，以上這些問題在MC68010被徹底解決。在MC68010中，總線異常和地址錯誤均會使大量狀態信息壓入系統棧，以便於之後的恢復。MOVE from SR也被修正為特權指令。原本用於訪問SR低端字節的代碼可由新指令MOVE from CCR取代。

指令集細節

標準尋址模式

68000提供多種尋址模式，並統稱為有效尋址（EA）。在CPU參考手冊中，經常會有諸如MOVE <ea>,<ea>這樣的表記方式。這表示在目的操作數和源操作數上可分別使用一種（但通常不是全部）有效尋址。

• 寄存器直接尋址
  • 數據寄存器直接尋址，如D0。
  • 地址寄存器直接尋址，如A0。通常不使用A7。

• 寄存器間接尋址
  • 簡單間址，如(A0)。先取得A0所存儲的地址，再在內存中該地址處取出數據。
  • 自增間址，如(A0)+。只能用於源操作數域。先取得A0所存儲的地址，再在內存中該地址處取出數據，然後A0的內容（地址）自增一定長度（因指令後綴而定）。這個操作其實相當於x86中的出棧指令POP（注意棧的方向和內存方向相反）。在這裡，A0被用作一個用戶自定義的棧指針，與系統使用的A7/A7'不同。
  • 自減間址，如-(A0)。可用於源或目的操作數域。先將A0的內容（地址）自減一定長度（因指令後綴而定）；然後取得A0所存儲的地址，再在內存中該地址處存入數據，然後這個操作其實相當於x86中的入棧指令PUSH。
  • 偏移間址，如2AFF(A0)。前邊的偏移量為16位。實際取得的地址為(A0)+2AFF。
  • 加索引的偏移間址，如E3(A0, D0)。前邊的偏移量為8位。實際取得的地址為(A0)+(D0)+E3。

• 程序計數器位移
  • 長位移，如2AFF(PC)。前邊的偏移量為16位。PC變為(PC)+2AFF。
  • 短位移，如E3(PC, D0)。前邊的偏移量為8位。PC變為(PC)+(D0)+E3。

• 絕對內存尋址
  • 直接使用內存地址值，如$4000，表示目標地址在內存地址為4000處。注意$表示後邊所跟數字為16進制，%表示2進制。
  • 在實際編程中，可以使用代碼中的標號來充當內存地址值。匯編器會自動翻譯為數字地址。
  • 注意不應與立即數混淆。使用立即數時應在值前再加一個#。$4000表示16進制地址4000；#$4000表示16進制立即數4000；4000表示10進制地址4000；#4000表示10進制立即數4000。

指令後綴

大部分指令都有表示操作長度的後綴：.B、.W或.L，分別表示這一操作在字節（8比特）上、字（16比特）上或長字（32比特）上進行。運算的過程和結果都會受到後綴的影響。在運算過程中，只有屬於操作長度範圍的部分才會參與運算。比方說，執行MOVE.B D2,D1會把D1的最低一字節複製到D2的最低一字節處，而兩者的其餘字節均不受影響。對於CCR，各標誌位的值會由操作長度的最高有效位決定。如果某次ADD.B使得結果的第7Bit位為1，則CCR的N位會置1；如果某次ADD.L使得結果的第7Bit位為1，並且第15Bit不為1，則CCR的N位不會置1。在後一種情況下，CCR的N位只受第15Bit，即一個字的最高有效位影響。另一個例子是在自增/自減尋址中，自增/自減的長度因操作後綴而異。如果操作為MOVE.B，則自增/自減1；W為2；L為4。

常用指令

大部分68000的指令都是二元的。目的操作數在前，源操作數在後。

• 移動指令
  • MOVE：標準移動指令。另有一些其它移動指令供選擇：MOVEA（移動到地址寄存器An，不會影響CCR，但後綴不可為.B）、MOVEQ（移動一個8位數到目標寄存器，因為可將數值直接寫入指令故稱快速移動）、MOVEM（移動寄存器組到指定堆棧，多用於中斷/子程序處理的第一步）等。
  • LEA：移動一個地址值到目標寄存器。LEA $2000,A0表示將A0的值設為16進制的2000。應注意此時不加立即數標誌#。
  • LINK/ULNK：建立/取消堆棧幀。這個指令用於翻譯高級語言的函數調用。LINK An, #-x可將An作為函數棧指針，並SP所指向的用戶棧內取得x大小的空間存儲局部變量，之後SP仍將指向棧頂，而An指向棧頂+x的位置。x的值在編譯時由編譯器自動算出。

• 算數指令：ADD（加）、SUB（減）、MULU /MULS（無/有符號乘）、DIVU/DIVS（無/有符號除）、NEG （取補）、及CMP（類似於減但只會影響標誌位而不改變操作數）。算數指令也多成組提供。對於ADD，還有ADDA（加地址，不會影響標誌位）、ADDI（加立即數）、ADDQ（快速加，加數不大於8以便於直接放在操作碼中，比x86的INC指令書寫麻煩但功能更強）、ADDX（影響進位符，用於大數運算）等。

• BCD碼算數指令：ABCD（加）和SBCD（減）。

• 移位指令
  • 邏輯移位（移位後用0補充）：LSL（左移）、LSR（右移）
  • 算數移位（移位後用原來最高/最低有效位補充）：ASL（左移）、ASR（右移）
  • 循環移位（移位後用所移動位補充）：ROL（左移）、ROR（右移）
  • 循環擴展移位（移位至CCR的X位，同時用之前的X位補充）：ROXL（左移）、ROXR（右移）

• 位操作指令：BSET（置1）、BCLR （清0）和BTST （如果測試位在改變前為0則將CCR的Z設為1）。

• 多任務處理：TAS（測試並置位）。這個指令用於實現信號燈等同步機制。

• 流程控制：JMP（無責任跳轉）、 JSR （跳轉至子例程）、BSR （按相對地址跳轉至子例程，多用於跳轉至用戶定義例程）、RTS （從子例程返回）、RTE （從異常/中斷中返回）、 TRAP（自陷，即軟中斷）、CHK（檢查地址是否越界，如是則觸發異常）。
  • JMP指令只是純粹跳轉，不會將下一條指令地址壓棧；JSR和BSR會將下一條指令壓棧。
  • RTS將棧指針指向內容彈出給PC。

• 條件測試並跳轉：Bcc系列指令。cc定義了所測試的條件位。常用的如：
  • BNE：不等於時跳轉。
  • BEQ：等於時跳轉。
  • BRA：無條件跳轉。