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Text File  |  1992-02-26  |  16KB  |  284 lines

  1.         MOTOROLA
  2.         SEMICONDUCTOR
  3.  
  4.         MC68060
  5.  
  6.         PRODUCT BRIEF
  7.         FOURTH-GENENERATION 32-BIT MICROPROCESSOR
  8.  
  9.         The MC68060 is a Superscalar, high-performance,32-bit
  10. microprocessor providing a low-power mode of operation. The MC68060 is
  11. fully compatible with all previous members of the M68000 familly. The
  12. MC68060 features dual on-chip caches, fully independent demand-paged memory
  13. management units (MMUs) for both instructions and data, dual integer
  14. execution pipelines, on-chip floating-point unit (FFU), and a branch target
  15. cache. A high degree of instruction execution parallelism is achieved
  16. through the use of a full internal Harvard architecture, multiple internal
  17. buses, independent execution units, and dual instruction issue within the
  18. instruction execution controller. Power management is also a key part of th
  19. MC68060 architecture. The MC68060 offers a low-power mode of operation that
  20. is accessed through the LPSTOP instruction, allowing for full power-down
  21. capability. The MC68060 desing is fully static so that when circuits are
  22. not in use, they do not draw power. Each unit can be disabled so that power
  23. is used only when the unit is enabled and executing an instruction. Fig 1
  24. illustrate a block diagram of the MC68060.
  25.  
  26. Complete code compatibility with the M68000 family allows the designer to
  27. draw on existing code and past experience to bring product to market
  28. quickly. There is also a broad base of established development tools,
  29. including real-time kernels,operating systems,languages,and applications,to
  30. assist in product design.The functionality provided by the MC68060 makes it
  31. the ideal choice for a range of high-performance computing applications as
  32. well as many portable applications that require low power and high
  33. performance. The MC68060's high level of integration results in high
  34. performance while reducing overall system power consumption.
  35.  
  36. The following is a list of primary features for the MC68060:
  37.  
  38.         o 100% User-Mode compatible with MC68040
  39.         o Three times the performance of a 25-MHz MC68040
  40.         o Superscalar implementation of M68000 Architecture
  41.         o Dual nteger nstruction execution improves performance
  42.         o IEEE-Compatible On-Chip FPU
  43.         o Branch target cache minimizes branch latency
  44.         o independent instruction and Data MMUs
  45.         o Dual 8-Kbyte on-chip caches
  46.                 - Separate Data and instruction caches
  47.                 - Simultaneous Acces
  48.         o Bus snooping
  49.         o Full 32-bit nonmultiplexed address and data bus
  50.                 - 32-bit bus maximizes data throughput
  51.                 - Nonmultiplexed bus simplifies design
  52.                 - Four-deep write buffer to maximize write bandwidth
  53.                 - MC68040-Compatible bus provides simple hardware migration
  54.                   path
  55.         o Concurrent operation of integer Unit,MMUs,Caches,Bus Controller,
  56.           integer pipelines,and FPU provides High Performance
  57.         o Power consumption control
  58.                 - Static HCMOS technology reduces power in normal operation
  59.                 - low-voltage operation at 3.3v
  60.                 - LPSTOP provides an idle state for lowest stanby current
  61.         o 50 MHZ and 66 MHZ
  62.         o Packaging
  63.                 - Ceramic Pin Grid Array (PGA)
  64.                 - Ceramic Quad Flat Pack (CQFP)
  65.  
  66.                         INTEGER UNIT
  67. The MC68060's integer unit carries out logical and arithmetic operations.
  68. The integer unit contains an instruction fetch controller,an instruction
  69. execution controller,and a branch target cache. The superscalar design of
  70. the MC 68060 provides dual execution pipelines in the instruction execution
  71. controller,providing simultaneous execution.
  72.  
  73. The superscalar operation of the integer unit can be disabled in
  74. software,turnig off the second execution pipeline for debugging. Disabling
  75. the superscalar operation also lowers power consumtion
  76.  
  77.                         INSTRUCTION FETCH CONTROLLER
  78. The instruction fetch controller contains an instruction fetch pipeline and
  79. the logic that interfaces to the branch target cache. The instruction fetch
  80. pipeline consists of four stages,providing the ability to prefetch
  81. instructions in advance of their actual use in the instruction execution
  82. controller. The continuous fetching of instructions keeps the instruction
  83. execution controller busy for the greatest possible performance. Every
  84. instruction passes through each of the four stages before entering the
  85. instruction execution controller. The four stages in the instruction fetch
  86. pipeline are :
  87.  
  88. 1. Instruction address calculation - The virtual address of the instruction
  89.    is determined.
  90.  
  91. 2. Instruction fetch - The instruction is fetched from memory.
  92.  
  93. 3. Early Decode - The instruction is pre-decoded for pipeline control
  94.    information.
  95.  
  96. 4. Instuction buffer - The instruction and its pipeline control information
  97.    are buffered until the integer execution pipeline is ready to process
  98.    the instruction.
  99.  
  100.                         BRANCH TARGET CACHE
  101. The branch target cache plays a major role in achieving the performance
  102. levels of the MC68060. The concept of the branch target cache is to provide
  103. a mechanism that allows the instruction fetch pipeline to detect and chage
  104. the instruction stream before the change of flow affects the instruction
  105. execution controller.
  106.  
  107. The branch target cache is examined for a valid branch entry after each
  108. instruction fetch address is generated in the instruction fetch pipeline.
  109. If a hit does not occur in the branch target cache, the instruction fetch
  110. pipeline continues to fetch instructions sequentially. If a hit occurs in
  111. the branch target cache, indicating a branch taken instruction, the current
  112. instruction stream is discarded an a new instruction stream is fetched
  113. starting at the location indicated by the branch target cache.
  114.  
  115.                 INSTRUCTION EXECUTION CONTROLLER
  116.  
  117. The instruction execution controller contains dual integer execution
  118. pipelines,interface logic to the FPU, and control logic for data written to
  119. the data cache and MMU. The superscalar desing of the dual integer
  120. execution pipelines provide for simultaneous instruction execution,which
  121. allows for processing more than one instruction during each machine clock
  122. cycles. The net effect of this is a software invisible pipeline capable of
  123. sustained execution rates of less than one machine clock cycle per
  124. instruction for the M68000 instruction set.
  125.  
  126. The instruction execution controller's control logic pulls an instruction
  127. pair from the instruction buffer every machine clock cycle,stopping only if
  128. the instruction information is not available or if an integer execution
  129. pipeline hold condition exists. The six stages in the dual integer
  130. execution pipelines are :
  131.  
  132. 1. Instuction Decode - the instruction is fully decoded.
  133. 2. Effective adress calculation - if the instruction calls for data from
  134.    memory, the location of the data is calculated.
  135. 3. Effective address fetch - data is fetched from the memory location.
  136. 4. Integer execution - the data is manipulated during execution.
  137. 5. Data available - the result is available.
  138. 6. Write-Back - The resulting data is weritten back to on-chip caches or
  139.    external memory.
  140.  
  141. The MC68060 is optimized for most integer instructions to execute in one
  142. machine clock cycle. If during the instruction decode stage,the instruction
  143. is determined to be a floating-point instruction, it will be passed to the
  144. FPU after the effective address fetch stage. If data is to be written to
  145. either the on-chip caches or external memory after instruction execution,
  146. the write-back stage holds the data until memory is ready to receive it.
  147. Temporarily holding data in the werit-back stage adds to the overall
  148. performance of the MC68060 by not slowing down pipeline operations.
  149.  
  150.                         FLOATING-POINT UNIT
  151. Floating-point is distinguished from integer math, wich deals only with
  152. whole numbers and fixed decimal point locations. The IEEE-compatible
  153. MC68060 FPU computes numeric calculations with a variable decimal point
  154. location. The MC68060 features a built in FPU that is MC68040,MC68881/882
  155. compatible. Consolidating this important function on-chip speeds up overall
  156. processing and eliminates the interfacing overhead associated with external
  157. accelerators. The MC68060's FPU operates in parallel with the integer unit.
  158. The FPU can also be disabled in software to reduce system power
  159. consumption.
  160.  
  161.                         FLOATING-POINT EMULATION
  162. The MC68060 implements the most frequently used M68000 familly
  163. floating-point instructis,data types, and data formats in hardware for the
  164. highest performance. The remaining instructions are emulated in software
  165. with the M68060 FPSP to provide complete IEEE compatibility. The M68060FPSP
  166. provides the following features :
  167.         o Arithmetic and transcendental instructions
  168.         o IEEE-compliant exception handlers
  169.         o Unimplemented data type and data format handlers
  170.  
  171.                         MEMORY MANAGEMENT UNITS
  172. The MC68060 contains independent istruction and data MMUs. Each MMU
  173. contains a cache memory called the address translation cache (ATC). The
  174. full addressing range of the MC68060 is 4 Gbytes (4,294,967,296 bytes).
  175. Even though most MC68060 systems implement a much smaller physical memory,
  176. by using virtual memory techniques, the system can appear to have a full 
  177. 4 Gbytes of physical memory available to each user program. Each MMU fully
  178. supports demand-paged virtual-memory operating systems with either 4 or 8
  179. Kbytes page sizes. Each MMU protects supervisor areas from accesses by user
  180. programs and provides write protection on a page-by-page basis. For maximum
  181. efficiency, each MMU operates in parrallel with other processor activities.
  182. The MMUs can be disabled for emulator and debugging support.
  183.  
  184.                         ADRESS TRANSLATION
  185. The 64-entry, four-way, set-associative ATCs store recently used
  186. logical-to-physical address translation information as page descriptors for
  187. instruction and data accesses. Each MMU initiates address translation by
  188. searching for a descriptor containing the address translation information
  189. in the ATC. If the descriptor does not reside in the ATC, the MMU performs
  190. external bus cycles through the bus controller to search the translation
  191. tables in physical memory. After being located,the page descriptor is
  192. loaded into the ATC, and the address is correctly translated for the acces.
  193.  
  194.                         INSTUCTION AND DATA CACHES
  195. Studies have shown that typical programs spend much of their execution time
  196. in a few main routines or tight loops. Earlier members of the M68000 family
  197. took advantage of this locality-of-reference phenomenon to varying degrees.
  198. The MC68060 takes further advantage of cache technology with its
  199. two,independent,on chip physical caches, one for instruction and one for
  200. data. The caches reduce the processor's external bus activity and increase
  201. CPU throughput by lowering the effective memory acces time. For a typical
  202. system desing, the large caches of the MC68060 yield a very high hit rate,
  203. providing a substantial increase in system performance.
  204.  
  205. The autonomous nature of the caches allows instruction-stream fetches,
  206. data-stream fetches, and external accesses to occur simultaneously with
  207. instruction execution. For example, if the MC68060 requires both an
  208. instruction access and an external peripheral access and if the instruction
  209. is redident in the on-chip cache, the peripheral acces proceeds unimpeded
  210. rather than being queued behind the instruction fetch. If a data operand is
  211. also required and it is resident in the data cache, it can be accessed
  212. without hindering either the instruction acces or the external peripheral
  213. access. The parallelism inherent in the MC68060 also allows multiple
  214. instructions that do not require any external accesses to execute
  215. concurrently while the processor is performing an external access for a
  216. previous instruction.
  217.  
  218. Each MC68060 cache is 8kbytes, accessed by physical addresses. The data
  219. cache can be configured as write-through or deferred copyback on a page
  220. basis. This choice allows for optimizing the system desing for high
  221. performance if deferred copyback is used.
  222.  
  223. Cachability of data in each memory page is controlled by two bits in the
  224. page descriptor., Cachable pages can be either write-through or copyback,
  225. with no write-allocate for misses to write-through pages.
  226.  
  227. The MC68060 implements a four-entry write buffer that maximizes system
  228. performance by decoupling the integer pipeline from the external system
  229. bus. When needed, the write buffer allows the pipeline to generate writes
  230. every clock cycle,even if the system bus runs at a slower speed than the
  231. processor.
  232.  
  233.                         CACHE ORGANIZATION
  234. The instruction and data caches are each organized as 4-way set
  235. associative, with 16 byte lines. Each line of data has associated with it
  236. an address tag and state information that shows the line's validity. In the
  237. data cache, the state information indicates whether the line is invalid,
  238. valid , or dirty.
  239.  
  240.                         CACHE COHERENCY
  241. The Mc68060 has the ability to watch or snoop the external bus during
  242. accesses by other bus masters, maintaining coherency between the MC68060's
  243. caches and external memory systems. External bus cycles can be flagged on
  244. the bus as snoopable or nonsnoopable. When an external cycle is marked as
  245. snoopable, the bus snooper checks the caches and invalidates the matching
  246. data. Although the integer execution units and the bus snooper circuit have
  247. acces to the on-chip caches, the snooper has priority over the execution
  248. units.
  249.  
  250.                         BUS CONTROLLER
  251. The bus is implemented as a nonmultiplexed, fully synchronous protocol that
  252. is clocked off the rising edge of the input clock. The bus controller
  253. operates concurrently with all other fuctional units of the MC68060 to
  254. maximize system throughput. The timing of the bus is fully configurable to
  255. match external memory requirements.
  256.  
  257.                         IEEE 1149.1 TEST
  258. To aid in system diagnostics, the MC68060 includes dedicated
  259. user-accessible test logic that is fully compliant with the IEEE 1149.1
  260. standard for boundary scan testability, often referred to as Joint Test
  261. Action Group (JTAG).
  262.  
  263.                         POWER CONSUMPTION MANAGEMENT
  264. The MC68060 is very power efficient due to the static logic and power
  265. managment designed into the basic architecture. Each stage of the integer
  266. unit pipelines and the FPU pipeline draws power only when an instruction is
  267. executing, and the cache arrays draw power only when an access is made. The
  268. FPU, secondary integer execution pipeline, branch target cache, and
  269. instruction and data caches can be disabled to reduce overall power usage.
  270. The 3.3-V power supply reduces current consumption by 40-60% over that of
  271. microprocessors using a 5-V power supply.
  272.  
  273. The MC68060 has additional methods for dynamically controlling power
  274. consumption during operation. Running a special LPSTOP instruction shuts
  275. down the active circuits in the processor, halting instruction execution.
  276. Power consumption in this standby mode is greatly reduced. Processing and
  277. power consumption can be resumed by resetting the processor or by
  278. generating an interrupt. The frequency of operation can be lowered to
  279. reduce current consumption while the device is in LPSTOP mode.
  280.  
  281.                         PHYSICAL
  282. The MC68060 will be available as 50 MHz and 66 MHz versions, with 3.3-V
  283. supply voltage, and in ceramic PGA, and CQFP packaging configurations.
  284.