Intel 86x versus Motorola 68k

Es geht in diesem Artikel um die Entwicklung zweier parallel entstandener Prozessorfamilien, nämlich der 8086 Reihe (8086, 80186, 80286 …) und 68000 Reihe (68000, 68010, 68020 …). Die beiden Familien haben einiges gemeinsam, erschienen relativ zeitnah, entwickelten sich in ähnlicher Weise fort, so gab es bei beiden eine 8-Bit Datenbus-Version, sogar mit derselben Nomenklatur (letzte Ziffer eine 8: 8088 / 68008) und eine verbesserte Version mit einer "1" - 80186 / 68010. Vor allem aber kämpften beide um Marktanteile, wobei sich aber die Einsatzgebiete unterschieden. Historisch stellt man der Teilenummer meist ´noch das Kürzel "i" für Intel oder "MC" für Motorola voran, oft lässt man dies aber auch weg, da es keine anderen Prozessoren mit der Nummerierung gibt. Intel selbst wechselte später auf das Kürzel "IAPX" für Intel Advanced Performance Architecture, konnte dies aber erst beim 386 im Markt durchsetzen.

Vorgeschichte - die 8 Bit Generation

MC 6809 Die FotoIntel brachte nach dem 8008, welcher der geschichtlich erste 8 Bit Prozessor war, aber so wenig leistungsfähig und schwer zu programmieren, das er keine Marktbedeutung hatte, 1974 den 8080 heraus. Nahezu zeitgleich erschien von Motorola der MC 6800. Beide Designs waren unterschiedlich. Intel hatte eigene Ein-/Ausgabeinstruktionen während beim 6800 der Ein-/Ausgabebereich in den Adressraum gemappt wurde, also normale Lade/Speicheranweisungen die Peripheriechips ansprechen. Motorola setzte auf wenige Register und behandelte die ersten 256 Bytes des Speichers gesondert, da so ein Speicherzugriff weniger anfiel, konnte man hier schneller Daten transferieren. Intel setzte auf mehr Register die weniger Speicherzugriffe generell nötig machten.

In der Praxis waren bei den verbreiteten Taktfrequenzen beide Prozessoren in etwa gleich schnell, wobei man die Taktfrequenzen nicht direkt vergleichen kann, da ein 6800 nur halb so viele Takte für den Speicherzugriff benötigt wie ein 8080, dafür liegt aber auch der Maximaltakt niedriger (anfangs 1 MHz, beim 8080 waren es 2 MHz). Ein Anfangsvorteil war, dass der Prozessor nur zwei Spannungen benötigte, der 8080 dagegen drei und der 8080 zudem noch zwei Zusatzchips für den Takt und Verstärkung der Bussignale. Das linke Foto zeigt einen 6809 Die, das untere einen 8080 Die.

Beide Prozessoren traten aber keinen Siegeszug an, weil es bald kompatible Konkurrenten gab. Frederico Faggin, der am 8080 Design beteiligt war machte sich selbstständig und die von ihm gegründete Firma Zilog brachte 1976 den Z80 heraus, der einfacher in Hardwaredesigns anpassbar war und für Programmierer zusätzliche Befehle bot. Nach wenigen Jahren erschienen kaum noch neue Rechner mit dem 8080. Die Konkurrenz zum 6800 war der 6502, der auch von ehemaligen Motorola Ingenieuren wie Chuck Peddle geschaffen wurde. Um den Chip billiger herzustellen, vereinfachte er das 6800 Design. Auch hier wurden die meisten Rechner mit dem 6502 hergestellt, natürlich alle Rechner von Commodore, welche die Firma MOS Industries übernommen hatten.

Allerdings entwickelten Motorola ihren 6800 weiter und boten weitere Versionen an wie den 6802 mit internem RAM. Eine gewisse Marktbedeutung erreichte der 6809 der bedeutend weiterentwickelt war und durch neue Befehle etwa ein Drittel schneller als ein 6800 war. Leider war er auch entsprechend teurer, was bei Heimcomputern bei denen es einen starken Preiskampf gab, entscheidend war. Bis heute von Bedeutung ist eine Linie die Motorola auf dem Design aufbaute die der Mikrocontroller. Der bei den unteren Rechnern angeführte Dhrystone Benchmark läuft nicht auf so kleinen Rechnern, zur Einordnung: eine 8086 mit 8 MHz benötigt 1,9 Sekunden für das Sieb des Erasthotenes, eine 68000 mit 7 MHz sogar nur 0,49 Sekunden. damit ist die 16 Bit Generation um den Faktor 4 bis 14 schneller.8080 Die Foto

Parameter

8080

6800

Eingeführt:

1974

1974

Transistoren:

6000

6800

Befehle: 78 72

Anfänglicher Maximaltakt

2 MHz

1 MHz

Maximaltakt:

4 MHz

2 MHz

Datenbus:

8 Bit

8 Bit

Adressbus:

16 Bit

16 Bit

Datenbreite

8, 16 Bit

8 Bit

Sieb des Erasthotenes Benchmark

6,8 @ 4 MHz 6,95 @ 2 MHz
5,1 @ 2 MHz 6809

Die 16 Bit Generation 8086 und 68000

8086 Die FotoBeide Firmen machten sich gleich an die nächste Generation, wobei, ganz korrekt ist das nicht. Intel wollte die 16 Bit Generation überspringen und bei Motorola dachte man ebenfalls schon an die darauffolgende 32 Bit Generation. Intels Nachfolgeprozessor Intel 432 sollte 32 Bit verarbeiten, er kannte Fließkommazahlen, hatte Adressierungsmodi für Arrays und Records, sowie mehrfach indirekte für Pointer, kannte drei Adressbefehle, hatte Unterstützung für Multitaskingbetriebssysteme und konnte einzelne Seiten im Speicher schützen und kannte virtuelle Speicheradressierung. Das Ziel war so anspruchsvoll, das der Prozessor lange auf sich warten lassen würde, sodass Intel einen Zwischenschritt einschob. Man erweiterte die 8080 Architektur und heraus kam der 16 Bit Prozessor 8086. Alle Register des 8080 und alle Anweisungen waren enthalten, auch die Unterteilung von einem 16-Bit-Register in zwei 8 Bit Register. In der Tat konnte ein Crossassembler ein 8080 Assemblerprogramm in 8086 Binärcode übersetzen, zusammen mit der Tatsache, das MS-DOS in der ersten Version eine fast 100% Kopie von CP/M, dem Betriebssystem für den 8080 Prozessor war, gab dies der IBM PC Plattform Startvorteile. Auf der Strecke blieb, dass man die Architektur wirklich erweiterte. So reichte für einen 16 Bitter der Adressraum von 64 KByte des 8080 nicht aus. Intels Lösung war es an die Adresse eines 16 Bit Registers die Werte von Segmentregistern zu addieren und so ein 64-KByte-Fenster über den Adressraum von 1 MByte zu verschieben. Während bei Programmcode es einfach war die Segmentregister neu zu setzen, war das für Daten verhängnisvoll und sehr umständlich. Entsprechend limitierten die meisten Entwicklungsumgebungen die Größe von Daten auf 64 KByte und das schlug sogar bei manchen Anwendungen wie den Windows Editor Notepad durch.

Motorola dachte weiter. Ihr ein Jahr, nach dem 8086 im Jahr 1979 erschienener MC 68000 Prozessor hatte, intern schon teilweise einen 32 Bit Aufbau, so bei den Registern und dem Befehlssatz. Der Befehlssatz war universell, d.h. Jedes (Adress)-Register beherrschte alle Adressierungsarten, während der Intel 8086 (übernommen vom 8080) bestimmte Operationen nur bei bestimmten Registern erlaubte. Motorola trennte Adress- von Datenregistern, referiert dies oft als Harvard-Architektur, das ist aber falsch, da nach außen es einen gemeinsamen Adress- und Datenbus für Code und Daten gab, während bei der Harvard Architektur es einen getrennten Datenbus für Code und Daten gibt.

MC68000Die Befehle der MC 68000 erlaubten so auch die Verarbeitung von 32 Bit Zahlen, auch wenn der Datenbus und die ALU nur mit 16 Bit arbeiteten. Entsprechend wurde er auch als 32/16 Bit Prozessor bezeichnet. Vor allem bot er einen linearen Adressraum von 16 MBytes, also 16-mal mehr als der 8086. Die Befehle machten Anleihen bei den verbreiteten Prozessoren von DEC, die in der PDP-11 steckten und übernahmen andere Befehlstypen des IBM 360. So findet man Postinkrement / Dekrement Anweisungen, die in der Sprache C 1:1 übersetzbar sind in a++ und a--, doppelt indirekte Adressierung, wie man sie für verkettete Listen benötigt. Der 8086 konnte dem nichts entgegensetzen.

Technisch war der 68000, dem 8086 überlegen, aber er war auch deutlich teurer, weil er viel mehr Transistoren beinhaltete.

Von beiden Familien gab es Derivate. Das waren zum einen Varianten mit nur 8 Bit breitem Datenbus. Das beschränkte zwar die Leistung, da alle Speichertransfers nun doppelt so lange dauerten - beim 8086 bedeutete das rund 40 % Geschwindigkeitsverlust. Der wesentliche Vorteil für Hardwareentwickler war aber das man so die Peripheriebausteine der vorherigen Genration anschließen konnte, die erheblich preiswerter in der Herstellung waren, aber nur einen 8 Bit breiten Datenbus hatten. Die 8 Bit Variante des 8086 wurde durch die Wahl IBMs für den IBM PC sehr populär. Die meisten Nachbauten verwandten ihn, erst zum Schluss der PC Ära kamen mehr Computer mit dem 8086 auf den Markt. Der 68008 wurde dagegen recht selten eingesetzt, ein Computer, der ihn einsetzte, war der Sinclair QL.

Dann gab es von beiden Prozessoren verbesserte Versionen. Der 80186 hatte vor allem Peripheriebausteine integriert wie den Timer, Interruptcontroller, DMA Controller, Takterzeuger. Durch verbesserten Microcode war er deutlich schneller, da er aber fast gleichzeitig mit dem 80286 erschien, war er wenig verbreitet.

Der 1983 erschienene 68010 hatte einige weitere Befehle und konnte den Speicher virtuell adressieren, er war etwa 5 bis 10 % schneller als ein MC 68000. Da er relativ spät erschien und kurz darauf der 68020 erschien, wurde er selten eingesetzt.

Der 8086/88 wurde vor allem in IBM kompatiblen Rechner eingesetzt, da aber durch die Marktdominanz dieser Rechner gab es hohe Stückzahlen. Den Preis drückten auch andere Hersteller, denn eine Bedingung von IBM war, das Intel Lizenzen für die Fertigung an andere Halbleiterhersteller vergab. Der 68000 war aber auch sehr erfolgreich. Im Heimcomputerbereich in der Atari ST und Amiga Serie, bei PCs in der Macintoshreihe und praktisch alle erste Workstations von Sun, Apollo und Silicon Graphics basierten auf ihm. In Form eines Microcontrollers wird der 68000 bis heute eingesetzt, den einzigen 68000 der bei dem Autor in einem Gerät steckte befand sich in einem Laserdrucker.

IBM erörterte auch den Einsatz des MC 68000 für den IBM PC. Offiziell fiel die Entscheidung gegen den Prozessor, da er noch zu jung war und es anfangs Kinderkrankheiten gab. Weiterhin hatte IBM schon vorher zwei Systeme auf Basis von Intel Prozessoren entwickelt und verwandte z.B. das dort verwendete Bussystem erneut im IBM PC. Inoffiziell wird gemunkelt das man sich gegen den MC68000 entschied, um den eigenen teureren Minicomputern keine Konkurrenz zu machen. Für den Autor spricht einige für die These, denn IBM wählte ja nicht den 8086 der mit 8 MHz verfügbar war, sondern den langsameren 8088 und begrenzte den Takt auf 4,77 MHz. Das halbierte in etwa die Leistung.

MC 68012 DieIn der folgenden Tabelle finden sie die Dhrystone MIPS Angabe, das sind nicht die echten MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde der Prozessoren), sondern eine Vergleichsangabe zu einer VAX 11/780, einem sehr populären Minicomputer, der 1977 erschien und ab 120.000 Dollar zu haben war. Man setzte die Geschwindigkeit der VAX zu 1 MIPS, auch wenn sie in Wirklichkeit nur etwa ein halbes MIPS schaffte. Das heißt aber immerhin, das ein Atari ST, denn man ab 1986 für rund 2000 DM kaufen konnte, die halbe Geschwindigkeit einer VAX hatte, die acht Jahre vorher 120.000 Dollar kostete.

Parameter

8086

68000

Eingeführt:

1978

1979

Transistoren:

29000

68000*

Anfänglicher Maximaltakt

8 MHz

8 MHz

Maximaltakt:

10 MHz

20 MHz

Datenbus:

16 Bit

16 Bit

Adressbus:

20 Bit, segmentiert

24 Bit unsegmentiert

Datenbreite

8, 16 Bit

8, 16,32 Bit

Dhrystone MIPS

0,44 @ 8 MHz

0,54 @ 7,16 MHz

* Die 68000 Transistoren sollen nach einer Legende für den Namen verantwortlich sein, in Wirklichkeit ist es eine Fortsetzung der 6800-Benennung. Da der 68010 insgesamt 84.000 Transistoren bei leichten Verbesserungen hat, dürfte die reale Zahl aber nahe an 68.000 liegen.

Intel 80286 10 MHz DieDer erste echte 16 Bitter von Intel

Kein Pendant auf Motorola Seite hat der 80286. Er schloss hinsichtlich linearem Adressraum zum MC 68000 auf, bot daneben auch Schutzmechanismen, die ein Betriebssystem nutzen kann, um Speicherbereiche vor Programmen zu schützen, die außer Kontrolle sind. Der 80286 wurde von IBM im IBM PC AT verwendet und findet sich entsprechend in vielen Nachbauten. Leider konnte Intel sich nicht vom 8086 lösen, weil dieser schon so verbreitet war. So war der segmentierte Adressierungsmodus des 8086 nach wie vor der Standardmodus und man konnte zwar in den neuen Protected Mode wechseln, aber nicht zurück. Das bedeutete das der 80286 mehr Speicher nur bei einem neuen Betriebssystem, wie der UNIX Version von Microsoft XENIX ausnutzen konnte, unter DOS war er nur ein schneller 8086, da eine dreistufige Pipeline die Zahl der Takte aller Befehle stark reduzierte. Besonders stark betroffen waren die langsamsten Befehle für Multiplikation und Division die nun mehr hardwarecodiert implementiert waren anstatt über Microcode. Das brachte den Sysinfo-Benchmark von Norton zu zweifelhaftem Ruf, denn er maß die Geschwindigkeit, in einer Schleife, in der diese Befehle verhältnismäßig oft vorkamen, und bestätigte so einem 8 MHz 80286 die zehnfache Performance eines 5 MHZ 8088, auch wenn sie in Realität eher bei dreimal schneller war.

Parameter

80186

80286

68010

Eingeführt:

1982

1982

1983

Transistoren:

55.000

134.000

84.000

Anfänglicher Maximaltakt

8 MHz

8 MHz

8 MHz

Maximaltakt:

25 MHz

25 MHz

16 MHz

Datenbus:

16 Bit

16 Bit

16 Bit

Adressbus:

20 Bit, segmentiert

24 Bit unsegmentiert

24 Bit unsegmentiert

Datenbreite

8, 16 Bit

8, 16 Bit

8, 16, 32 Bit

Dhrystone MIPS

1,36 @ 16 MHz

0,81 @ 6 MHz

0,75 @ 10 MHz

MC 58020 Die FotoDie 32 Bit Generation

Ebenfalls in kurzem Abstand erschienen 1984/1985 die 32-Bit-Pendants. Der Sprung war seitens Intels erheblich größer als von Motorola. Motorola hat primär das Chipdesign nun durchgehend auf 32 Bit erweitert, die Befehle konnten ja schon vorher mit 32 Bit breiten Zahlen umgehen und die Register waren schon 32 Bit breit. Bei Multiplikation ergab sich sogar ein 64-Bit-Resultat. Nun war auch der Datenbus und Adressbus 32 Bit breit und die ALU arbeitete mit 32 Bit. Neu war auch die Unterstützung des mathematischen Coprozessors 68881. Intel hatte einen solchen (8087) schon 1982 für den 8086 eingeführt. Neu war auch ein 256 Byte großer Befehlscache. Er war notwendig, da die RAM-Bausteine in den letzten Jahren weitaus weniger an Geschwindigkeit zulegten. Passte eine Routine in den kleinen Cache, so wurde sie dreimal schneller abgearbeitet. Wie schon der 68010 beherrschte der Prozessor die Verwaltung virtuellen Speichers.

Der technologische Sprung war beim 80386 von Intel höher. Vor allem hatte die Firma aus dem mangelnden Einsatz des Protected Mode beim 80286 gelernt. Der Prozessor erhielt einen neuen Befehlssatz, alle Register wurden auf 32 Bit verbreitert. Er konnte aber auch den 8086 Code ausführen, sogar besser als der 8086 selbst, denn er konnte nicht nur einen, sondern beliebig viele 8086 Prozesse nebeneinander ausführen, jeden von dem anderen isoliert. Wie der 68010 integrierte der 80386 die Anbindung an virtuellen Speicher und eine Memory Management Unit mit der Prozesse immer bei Adresse 0 beginnen konnten unabhängig, wo sie gerade im Speicher untergebracht waren. Damit war er sogar dem 68020 voraus. Endlich waren alle Register gleichberechtigt und es gab auch mehr Adressierungsarten. Einen Cache auf dem Prozessor hatte der 80386 nicht, aber die Unterstützung für einen externen Cachecontroller, der dann einen extern angebundenen Cache verwaltete. Das war langsamer als beim 68020, aber dafür konnte der externe Cache größer sein, typisch 8 bis 16 KByte groß. Die Komplexität zeigte sich auch im Transistorcount, bei dem nun Motorola überholt wurde, während vorher es immer weniger Transistoren pro Chip waren. 1989 erschien eine Version mit 16 Bit breitem Datenbus, der 386 SX.

Der 80386 wurde wie seine Vorgänger in IBM PC kompatiblen Rechnern verbaut. Erstmals übrigens von Compaq vor IBM. Seine Fähigkeiten lagen dort lange brach - erst 1990 gab es in Windows 3.0 den ersten 32 Bit Code und einen 32 Bit Modus. Bis das ganze Betriebssystem 32 bittig war, vergingen weitere 11 Jahre, das war 2001 mit Windows XP der Fall. Noch heute kann Windows 11 den 32 Bit Code ausführen und es erscheinen nach wie vor neue Programme. Das letzte Betriebssystem, das als 32 Bit Variante verfügbar war, war Windows 10.

Der MC 68020 wurde erneut vor allem in Workstations eingesetzt, die in der Preisklasse über dem PC (ab 20.000 DM) angesiedelt waren. Erst relativ spät fand er im PC Bereich im Macintosh II, Amiga 1200 Einsatz.

Intel 80386 DieWie bei Intel gibt es dann noch einen Prozessor bei Motorola, den man nicht direkt in einen Vergleich einordnen kann. War deren 80186 ein optimierter 8086 so galt dies für den 68030 von Motorola, der auch zwischen den beiden Nachfolgern erschien. Mit dem 68030 zog Motorola in einigen Punkten wieder mit dem 80386 gleich. Auch er integrierte eine MMU, mit der er leicht jedem Programm seinen eigenen Adressraum zuweisen konnte, der Cache wurde verdoppelt - es gab nun einen 256 Byte großen Code und einen 256 Byte großen Datencache und es gab zur Beschleunigung der Speichertransfers einen Burstmodus. Er beschleunigte Datentransfers um 33 %. Die Abarbeitung von Code war allerdings nur um 5 Prozent schneller. Daneben war der 68030 in höheren Taktfrequenzen bis zu 60 MHz verfügbar.

Obwohl der 68020 bekannter ist, da er der erste 32 Bit Mikroprozessor von Motorola ist wurde der 68030 häufiger eingesetzt: in zahlreichen Apple Macintosh, Amigas, dem Atari Falcon, der HP 9000 Workstation und Apollo Domain und Sun 3 Workstations sowie dem Next Computer.MC 68030 Die Foto

Parameter

80386

68020

68030

Eingeführt:

1985

1984

1987

Transistoren:

275.000

200.000

273.000

Anfänglicher Maximaltakt

16 MHz

12,5 MHz

20 MHz

Maximaltakt

33 MHz (Amd: 40 MHz)

33 MHz

50 MHz

Datenbus:

32 Bit, 16 Bit bei 386 SX

32 Bit

32 Bit

Adressbus:

32 Bit, unsegmentiert

32 Bit unsegmentiert

32 Bit unsegmentiert

Datenbreite

8, 16,32 Bit

8, 16,32 Bit

8, 16,32 Bit

Dhrystone MIPS

4,3 @ 16 MHz

2,7 @ 16,67 MHz

2,7 @ 16,67 MHz

Reale MIPS bei 16 MHz

3 - 4 bei 16 MHz

3,5 bei 20 MHz

5,0 bei 25 MHz

MC 68040 Die FotoDie Nachfolger

Bei den beiden nächsten Prozessoren gibt es wieder Gemeinsamkeiten. Seit dem ersten 16 Bitter von Intel gar es einen mathematischen Coprozessor mit der letzten Ziffer "7". Entsprechende Nachfolger (80287, 80387) wurden auch für die anderen Prozessoren gefertigt. Motorola führte den Coprozessor erst beim 68020 ein (68881, für den 68030 war es der 68882). Nun integrierten beide Firmen den vorher externen Coprozessor in den Hauptprozessor. Bei Intel, so wurde damals gemunkelt, geschah dies vor allem um den Markt für andere Firmen wie Weitek oder AMD zu schädigen die auch Coprozessoren für die x86-Linie auf den Markt brachten. Ein soclher Coprozessor kostete mit 500 bis 2000 DM, je nach Typ, erheblich mehr als der Hauptprozessor und das war ein einträgliches Geschäft.

Bei beiden Prozessoren stieg der Transistorcount stark an, beide überschritten die Millionengrenze, also mehr als viermal so viele Transistoren wie bei den Vorgängern. Daran ist nicht nur der Coprozessor schuld, sondern auch die Integration von größeren Caches auf dem Prozessor. 1 KByte Cache benötigt über 48.000 Transistoren, beide Prozessoren hatten einen 8 KByte großen Cache an Bord, der alleine fast 500.000 Transistoren belegt.

Die Caches waren aber unumgänglich, denn zu der Zeit hatte DRAM eine durchschnittliche Zugriffszeit von 70 ns, war also allenfalls ausreichend für maximal 13 MHz Prozessortakt ohne Optimierungen. Mit dem Ansteigen der Taktfrequenz war aber auch ein externer Cache Controller nicht schnell genug, daher wanderten die Caches in den Prozessor. 486-er Rechner hatten dann noch typischerweise einen größeren externen Cache von 64 bis 256 KByte Größe. Heute haben Prozessoren bis zu drei Cache-Ebenen im Prozessor und deren Größe erreicht zweistellige Megabyte Größen.

Der 80486 hatte keine großen Befehlserweiterungen wie die vorherigen Generationen. Die Hauptverbesserung war eine viel effizientere Pipeline, die die interne Geschwindigkeit nahezu verdoppelte. Auch der Coprozessor legte zu, da nun das komplexe Zusammenspiel entfiel, bei der der Hauptprozessor auf den Coprozessor warten musste. Der 8 KByte große Cache war ein gemeinsamer für Daten und Code. Demgegenüber hatte der Motorola einen getrennten Cache für Daten und Code, analog den getrennten Daten- und Adressregistern. Dies ist effizienter, da sich die Zugriffsmuster unterscheiden. Intel trennte bei der nächsten Generation den Cache ebenfalls auf. Ebenso hatte er eine viel effizientere Pipeline, wodurch es großen Geschwindigkeitssprung zum Vorgänger gab. Intel führte 1993 die DX2 Serie ein, bei der der Takt intern verdoppelt wurde sodass sie mit 50 und 66 anstatt 25 und 33 MHz arbeiteten und 1994 die DX4 Serie ein, bei der der Takt verdreifacht war (nur 100 MHZ Version)

Die Foto 486-33Der 486-er wurde in unzähligen IBM kompatiblen Rechnern eingesetzt, als er erschien immer noch vorwiegend unter DOS. Intel brachte es auch fertig die Taktfrequenz während der langen Fertigungszeit deutlich zu steigern von anfangs 25 auf 100 MHz. AMD führte sogar ein Modell mit 133 MHz ein. Beim 68040 war aufgrund von thermischen Problemen dagegen bei 40 MHz Schluss. Daneben gab es immer weniger Rechner, die diesen Prozessor einsetzten. Die Workstation Hersteller wie Sun entwickelten nun eigene RISC Prozessoren wie die SPARC oder MIPS-Architektur die mit wesentlich weniger Transistoren auskamen. Auf dem Markt der bezahlbaren Computer verloren Amiga, Atari und Macintosh Marktanteile. Atari stellte schon keinen Computer mehr mit diesem Prozessor vor. Eingesetzt wurde er im Macintosh Performa, Amiga 4000, HP 8999/400 und dem NextCube/Next Station. Dabei war der 68040 bei gleicher Taktfrequenz deutlich schneller als ein 486-er. (Intel führte ihn unter der Bezeichnung "80486" ein, änderte diese aber in "486" ab.)

Parameter

80486

68040

Eingeführt:

1989

1190

Transistoren:

1.200.000

1.100.000

Anfänglicher Maximaltakt

25 MHz

25 MHz

Maximaltakt

100 MHz (133 MHz bei AMD)

40 MHz

Datenbus:

32 Bit

32 Bit

Adressbus:

32 Bit, unsegmentiert

32 Bit unsegmentiert

Cache:

8 KB Daten + Code

4 KB Daten, 4 K Code

Datenbreite

8, 16, 32 Bit

8, 16, 32 Bit

Dhrystone MIPS

20,4 @ 33 MHz

22,7 @ 25 MHz

Reale MIPS bei 16 MHz

40 bei 25 MHz

50 bei 50 MHz

MC 68060 Die ForoDie letzten 32 Bitter

Mit den beiden Vorgängern waren die Grenzen des 32 Bit Designs ausgeschöpft. Weniger als einen Takt pro Befehl konnte ein lineares 32 Bit Design nicht erreichen, eine weitere Geschwindigkeitssteigerung war nur möglich, indem im Prozessor die Abarbeitung von Seriell auf Parallel umgestellt wurde. Dafür verdoppelten beide Prozessoren interne Funktionseinheiten. Gleichzeitig waren sie auch die Letzten bevor es einen Bruch in der Entwicklung gab.

Motoröl übersprang die 5 in der Nummerierung und führte gleich den 68060 ein. Das lag nicht daran, dass die Firma Intel bei der Nummerierung übertreffen wollte, sondern man reservierte ungerade Ziffern für die verbesserten Versionen einer geraden Ziffer - wie dies beim 68010 und 68030 der Fall war. Es gab aber keinen verbesserten 68040.

Intern variierten die beiden Prozessoren. Motorola hatte den Code analysiert und beschlossen nur die Ganzzahlberechnungen zu parallelisieren, die Fließkommaberechnungen dagegen nicht. Auch war bei ihnen die Pipeline mit nur drei Stufen kürzer. Parallel konnten beim 68060 zwei Ganzzahl- und eine Verzweigungseinheit arbeiten. Er beherrschte aber nicht das Umsortieren von Befehlen ("Out-of-Order Execution") um die Einheiten voll auszulasten. Er war bei gleichem Takt 60 bis 70 % schneller als ein 68040. Der Takt konnte aber nicht so stark gesteigert werden wie bei den Vorgängern. Er wurde mit 50 MHz eingeführt und erreichte maximal 75 MHz.

Intel optimierte auch den internen Aufbau. Hier waren Adressverarbeitungseinheit und Integereinheit doppelt vorhanden. Die Fließkommaeinheit erhielt anders als beim MC 68060 eine eigene Pipeline um sie zu beschleunigen. Neu war auch ein auf 64 Bit vergrößerter Datenbus, der doppelt so viele Daten transportieren konnten. Letzte Version des Pentium hatten auch einen 36 Bit vergrößerten Adressbus, linear adressierbar waren aber nach wie vor 4 GByte Speicher. Der interne Cache war verdoppelt worden und nun wie bei der 68K-Familie nach Code und Daten getrennt. Da Intel Rechtsstreitigkeiten mit AMD hatte, die Prozessoren unter der Bezeichnung "386" und "486" auf den Markt brachten, beschloss man den Namen zu ändern und nannte den Prozessor "Pentium", da ein Name anders als eine Ziffer als Bezeichnung geschützt werden kann.

Der Pentium hatte, wie der Vorgänger 486 ein langes Leben bei dem die Taktfrequenzen deutlich gesteigert wurden. Er debütierte mit 66 MHz, die wegen Problemen bald auf 60 MHz abgesenkt wurden, die letzten Desktop Prozessoren erreichten 233 MHz Takt, Mobilprozessoren, in denen das Design noch länger eingesetzt wurde, erreichten 300 MHz. Schuld daran war, dass der Nachfolger Pentium Pro nicht nur deutlich kostspieliger durch einen großen Cache war, sondern bei der immer noch verbreiteten 16 Bit Software viel langsamer als ein Pentium. Es rächte sich das mehr als zehn Jahre nach Einführung der 32 Bit Architektur Windows 9X , das Windows für die normalen PC immer noch 16-bittige Anteile hatte und die Programme für es auch. Nur mit OS/2, Windows NT oder Unix Derivaten konnte der Pentium Pro seine volle Leistung ausspielen. Es gab mehrere Subversionen des Pentiums, wie schon beim 486.

Pentium DieDas klassische 32 Bit Design war in der Leistung nicht mehr steigerbar. Beide Firmen gingen aber unterschiedliche Wege bei den Nachfolgern. Motorola wagte einen Neuanfang und schuf eine komplett neue CPU-Architektur. Man hatte IBM als Kooperationspartner gewonnen, die diese Prozessoren in ihren Servern einsetzen würden und Apple als Abnehmer. Die Power PC Architektur setzte, wie schon viele Computerhersteller dieser Zeit, auf RISC. Die x86- und MC68k-Architektur war dagegen eine klassische CISC Architektur. Intel konnte sich nicht von der x86 Architektur lösen, dafür war sie zu weit verbreitet. Versuche neue Prozessoren zu platzieren, wie den 860 oder Itanium scheiterten. Der Pentium Pro verwendete intern eine RISC Einheit die mehrere Funktionseinheiten mit Befehlen versorgen konnte, nach außen hin verarbeitete er aber den 8086 Code, der intern in einfachere RISC-Befehle übersetzt wurde. Diese Grundarchitektur - inzwischen deutlich erweiter und verfeinert kommt bis heute (2021) zum Einsatz.

Parameter

Pentium

68060

Eingeführt:

1993

1994

Transistoren:

3.100.000 - 4.500.000

2.500.000

Anfänglicher Maximaltakt

25 MHz

50 MHz

Maximaltakt

233 MHz Desktop, 300 MHz Mobil

75 MHz

Datenbus:

32 Bit

32 Bit

Adressbus:

32, 36 Bit, unsegmentiert / segmentiert

32 Bit unsegmentiert

Cache:

8 KB Daten, 8 KB Code

8 KB Daten, 8 KB Code

Parallele Einheiten:

Zwei Integer, Zwei Adressdecoder

Zwei Integer

Datenbreite

8, 16, 32 Bit

8, 16, 32 Bit

Dhrystone MIPS

112 @ 66 MHz

103 @ 66 MHz

Reale MIPS

100 bei 60 MHz

85 bei 50 MHz

Zusammenfassung

In rund 20 Jahren wurde die Bitbreite von Prozessoren von 8 auf 32 Bit gesteigert, fast die tausendfache Menge an Transistoren untergebracht und Taktfrequenz und Rechenleistung stiegen ebenfalls stark an. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Leistungssteigerungen. Meistens waren beide Firmen gleichauf. Intel lag einige Jahre durch die Einführung des 8086 hinten, Motorola konnte am Ende nicht die Taktfrequenzen so weit steigern wie Intel.

Der große Glücksfall von Intel war die Wahl von IBM für den 8088 Prozessor ihrer Firma. Denn dadurch gab es eine so große Stückzahl, einfach, weil als der Pentium herauskam über 80 % aller Computer mit einem Prozessor der x86 Linie arbeiteten, dass selbst, wenn Intel erheblich mehr Transistoren benötigte, als Motorola oder andere Architekturen, sie den komplexeren Chip durch die höhne Stückzahlen trotzdem billig produzieren konnten.

Motorola wurde von Apple, Amiga und Atari als Lieferant ihrer Chips gewählt. Amiga und Atari verloren aber in den Neunziger massiv Marktanteile, auch weil sie die Leistung ihrer Modelle nur wenig steigerten. Dasselbe galt für Apple, bis 1996 Steve Jobs wieder CEO wurde. Der Markt der Workstations wurde schon vorher verloren, als Sun ihren SPARC Prozessor entwickelte, wenig später folgten Silicon Graphics mit dem MIPS Prozessor und Apollo mit dem PRISM Prozessor. Alle drei Architekturen waren RISC Prozessoren, von denen man sich damals mehr Leistung bei einem kleineren Preis als bei den CSIC Prozessoren von Motorola und Intel versprach.

Parameter

Intel

Motorola

Prozrssor 8080 .> Pentium 6800 -> 68060

Transistoren:

6000 -> 4.500.000

6800 .> 2.500.000

Taktfrequenz:

2 MHz -> 233 MHz

1 MHz -> 75 MHz

MIPS:

0,25 -> 380

0,25 -> 85

Benchmakr::

Faktor ~ 3.200

Faktor ~ 2.000

Links:

https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MC68060UM.pdf

https://www.cpu-world.com/CPUs/68020/

https://performance.netlib.org/performance/html/dhrystone.data.col0.html

https://www.cpu-world.com/CPUs/68010/index.html

https://retrocdn.net/images/3/3a/Motorola_68000_Programmer%27s_Reference_Manual.pdf

Artikel verfasst am 25.10.2021

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Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen.

Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Die 2014 erschienene zweite Auflage wurde aktualisiert und leicht erweitert. Die umfangreichste Änderung ist ein 60 Seiten starkes Kapitel über Seymour Cray und die von ihm entworfenen Supercomputer. Bedingt durch Preissenkungen bei Neuauflagen ist es mit 19,90 Euro trotz gestiegenem Umfang um 5 Euro billiger als die erste Auflage. Es ist auch als e-Book für 10,99 Euro erschienen.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

Hier geht's zur Gesamtübersicht meiner Bücher mit direkten Links zum BOD-Buchshop. Die Bücher sind aber auch direkt im Buchhandel bestellbar (da ich über sehr spezielle Themen schreibe, wird man sie wohl kaum in der Auslage finden) und sie sind natürlich in den gängigen Online-Plattformen wie Amazon, Libri, Buecher.de erhältlich.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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