Doppel-PAK
PAK-68/3 mit Cache und 68020/030 für 68000-Rechner
Holger Zimmermann
Ganz im Zeichen der fünften Zweierpotenz präsentiert sich die nunmehr dritte Auflage unseres Dauerbrenners PAK-68: 32 MHz, 32 Bit und 32 KByte Cache sind die gewichtigen Gründe, den optimalen 68000-Beschleuniger zum Selbstbau vorzustellen.
Die PAK-68 hat seit ihrer (nicht ganz ohne Komplikationen verlaufenen) Geburt im Juli 1987 viele Freunde gefunden. Anfangs [1] noch mit gemächlichen 8 MHz, später mit 16 MHz [2] und nun mit Taktfrequenzen fast nach Belieben getaktet, bleibt die Prozessor-Austauschkarte der konsequenteste Weg, einem vorhandenen Rechner zeitgemäße Leistung einzuhauchen.
Und die ist nicht von Pappe: Neben der eklatanten Beschleunigung kommen Atari-ST-Freunde in den Genuß der modernen TOS-Versionen 2.06 und (mit kleinen Patches) 3.06 im 32-Bit-Zugriff; mit der 68030-Version gibt´s zusätzlich eine PMMU fürs Multi-TOS. Kompakt-Macs profitieren unter dem ressourcenfressenden System 7 besonders von der - je nach Ausstattung - Verdrei- bis Versechsfachung der Arbeitsgeschwindigkeit. Dabei blieb es unser Bestreben, so 68000-kompatibel wie möglich zu bleiben, damit auch kritische Rechner (Atari mit IMP-Chipsätzen, Amiga) nicht außen vor bleiben - obwohl es sicher immer noch Applikationen und Erweiterungen geben wird, die nicht 68020/030-konform aufgebaut sind. Erkundigen Sie sich also vor der PAK-Anschaffung, ob Ihr Liebligs-Editor auch auf größeren Maschinen (Atari TT, Falcon, Mac II) `spielt´.
Umweltfreundlich
Ein 68020 mit 8 oder 16 MHz ist aber mittlerweile auch nicht mehr ganz `state of the art´. Ganz oben auf der Wunschliste stand daher ein 68030, gefolgt von höherer Taktfrequenz und einem Second-Level-Cache. Zum Glück gibt es heute preiswerte Bauteile, die eine Implementation derlei Begierden ohne nennenswerte Hardwareverrenkungen und ohne Kontoaustrocknung ermöglichen. Zum alten Eisen respektive Plastik gehört Ihr ST oder Schuhkarton-Mac also noch lange nicht.
Hier ist sie also, die PAK-68/3. Bei nahezu gleichen Abmessungen wie die PAK/2 hat sich `unter der Haube´ einiges getan: Wahlweise eine 68020- oder 68030-CPU mit 16 bis 33 MHz Taktfrequenz bei 8 MHz Systemtakt, eine 68881- oder 68882-FPU, 256 oder 512 KByte ROM sowie ein 32 Bit breiter und 32 KByte großer Second-Level-Cache.
Beim Nachbau der PAK/3 steht eine schwerwiegende Entscheidung gleich zu Anfang an: Soll es ein 68020 oder ein 68030 sein? Da es für beide Prozessoren jeweils eine eigene Platinenversion gibt, ist kein nachträglicher Wechsel möglich. Gewissermaßen als Ausgleich dazu können aber alle anderen Features auch nachträglich durch Austauschen der GALs hinzugefügt oder weggelassen werden. In Anbetracht der mitunter sehr preiswert angebotenen Gebrauchtprozessoren (siehe Kleinanzeigen) empfehlen wir bei nicht schon vorhandener alter PAK-68 die 030er-Version, die gegenüber der 020er bei gleicher Taktfrequenz einen Geschwindigkeitsvorteil von rund 15 Prozent bringt. Ansonsten können Sie die meisten Bauteile der alten PAK weiterverwenden, die GALs allerdings nur, wenn Sie eine geeignete Programmiereinrichtung besitzen. Natürlich muß der Prozessor die gewünschte Taktfrequenz verkraften.
Große Pläne
Der Schaltplan der 030er-Version der PAK/3 deckt im Prinzip die 020er mit ab. Da beim 68020 die Anschlüsse /STERM, /CIIN, /CIOUT, /MMUDIS, /CBREQ und /CBACK nicht vorhanden sind, entfallen in diesem Fall die entsprechenden Leitungen mitsamt zugehörigen Pullups und Jumpern. Die Pinbelegung beider CPUs ist leider deutlich unterschiedlich, was sich im Schaltplan nur im Kleingedruckten bemerkbar macht, beim Platinenlayout aber im Endeffekt zu den beiden unterschiedlichen Platinenversionen geführt hat. Bis auf die GALs, R1, R2 und eben die CPU sind beide Platinenversionen absolut gleich bestückt.
Das State-Machine-Konzept der PAK/2 hat sich in der Praxis bewährt, so daß es im Kern auch für die PAK/3 beibehalten werden konnte. CPU, FPU und die ROMs sind weitgehend wie beim Vorgänger verschaltet. Die synchrone Takterzeugung mit einem 74F86 als Verdoppler für den 8-MHz-Systemtakt ist ebenfalls identisch. Auch der Quarzoszillator war schon auf der PAK/2 zu finden, dort aber lediglich für die FPU zuständig. Bei entsprechender GAL-Bestückung kann die PAK nun auch asynchron zum Systemtakt (getestet bis 33 MHz) betrieben werden; mehr dazu in der nächsten c't. Die GALs U4, U5 und U6 haben ihre Funktion (und ihre Namen) weitgehend beibehalten. Bei den Gleichungen für U5 wird man noch einiges wiedererkennen, während bei U4 kaum ein Stein auf dem anderen geblieben ist. Gänzlich neu sind GAL U1, das die Kontrolle über die lokalen Buszyklen übernimmt (also bei ROM-Read und bei Cache-Hit) und GAL U2, das den Cache koordiniert.
Der 68020 hatte bereits einen Cache für Befehle in der CPU integriert, beim 68030 ist noch ein Datencache dazugekommen. Leider sind die internen Caches mit 256 Bytes nicht besonders üppig bemessen. Benchmarks benutzen häufig kurze Schleifen zum Testen der Performance, hier liegt der CPU-Cache noch gut im Rennen; in der Praxis bleibt davon jedoch nicht allzuviel übrig. Die PAK/3 hat deshalb einen 32 KByte großen Second-Level-Cache spendiert bekommen, und wer ihn mal probehalber ausschaltet, merkt, wie richtig diese Entscheidung war. Typische Anwendungen laufen bei Maximalausbau (32 MHz plus L2-Cache) in wenigstens sechsfacher 68000-Geschwindigkeit, einige Benchmarks zeigen gar zweistellige Performance-Gewinne. Im Vergleich zur alten PAK, die rund 250 Prozent der Leistung eines 68000 brachte, ein nennenswerter Fortschritt.
Hucke-PAK
Für den L2-Cache sind zwei Tag-RAMs, vier schnelle SRAMs und zwei Datenbustreiber hinzugekommen. Die SRAMs (schmale Bauform, 300 mil) benötigen weitgehend dieselben Signale wie die ROMs (Breite 600 mil), so daß sich hier eine zweigeschossige Bauweise anbot. Nur dadurch war es auch möglich, die Abmessungen der PAK/2 beizubehalten. Nebenbei konnten wir auch einen kleinen Schönheitsfehler beseitigen: Die PAK überdeckt nun nicht mehr den PDS-Steckplatz im Mac SE.
Die vier SRAMs (je 8 KBit × 8, also 8 KByte) bilden zusammen einen 32 KByte großen Cache-Speicher, auf den die CPU sehr schnell und in voller Breite zugreifen kann. GAL U2 sorgt dafür, daß die aus dem Hauptspeicher geholten Daten sozusagen nebenbei im Cache abgelegt werden. Daten beispielsweise von der Hauptspeicheradresse 1 landen so auch im Cache unter Adresse 1. Da der Cache aber nur 32 768 Byte umfaßt, landen auch Daten von der Hauptspeicheradresse 32768+1 im Cache unter Adresse 1, wobei der vorherige Inhalt des Cache natürlich überschrieben wird. Wie kann das gutgehen?
Schildchen-Speicher
An dieser Stelle kommen die Tag-RAMs ins Spiel, das sind zunächst einmal ebenfalls statische RAMs mit 8K × 8, deren Datenleitungen aber an die CPU-Adreßleitungen A15 bis A21 angeschlossen sind. Jedesmal, wenn Daten in den Cache übernommen werden, kommen die dazugehörigen oberen Adreßbits im Tag-RAM zu liegen. Zu jedem einzelnen Datenwort im Cache steht hier also die Information, zu welcher 32-KByte-Page des Hauptspeichers der Inhalt des Cache gehört.
Wenn die CPU einen Lesezugriff initiiert, wird das Tag-RAM jetzt nicht ausgelesen, sondern im sogenannten Compare-Modus betrieben, wobei es die von außen angelegten Adreßbits A15 bis A21 mit den gespeicherten Adreßbits vergleicht. Der dazu notwendige Komparator ist im Tag-RAM integriert und meldet das Ergebnis über den Anschluß MATCH nach außen, im Falle der Übereinstimmung erhält man hier
high-Pegel. Das ist das Zeichen für die CPU und ihre Read-Logik, daß sich die gesuchten Daten bereits im Cache befinden. Meldet das Tag-RAM keinen Treffer (MATCH ist
low), dann gehört das Datenwort im Cache zu einer anderen Page, woraufhin die CPU jetzt doch im Hauptspeicher nachsehen muß. In der Hoffnung, das gerade geholte Datenwort werde in naher Zukunft nochmals gebraucht, legt es die Steuerlogik dann auch gleich im Cache ab.
Die Cache-SRAMs liegen unter den EPROM-Fassungen. Probieren Sie vor dem Einsatz von SRAM-Sockeln aus, ob die `Türmchen´ in Ihren Rechner passen. Vor allem im Kompakt-Mac geht es recht eng zu.
Wegen des 16 Bit breiten Sytembusses muß der Cache wortweise verwaltet werden, für den 32 Bit breiten Cache der PAK werden also zwei Tag-RAMs benötigt. Die sieben Adreßbits, die das Tag-RAM auswertet, decken 128 Pages, also den Adreßraum von 0 bis 4 MByte ab. Im Bereich oberhalb $40 0000 ist der Second-Level-Cache unwirksam, was bei den in Frage kommenden Macs und Ataris keine Einschränkung bedeutet; die CPU hat das ROM auf der PAK ja ohnehin im direkten Zugriff.
Gleicher Plan für zwei Versionen: Bis auf die CPU sind beide neuen PAKs identisch.Der 64polige Sockel zur Verbindung mit der Hauptplatine gehört auf die Lötseite in die DIL-Reihen, die zur Platinenmitte weisen (siehe auch Detailfoto). R1 und R2 werden nur bei der 030-Version bestückt.
Das achte Bit der Tag-RAMs bildet das Valid-Bit und liegt daher an V__CC. Um alle Daten im Cache für ungültig zu erklären (z. B. bei DMA-Zugriffen oder Reset), werden die Tag-RAMs über den Anschluß /TCLR gelöscht und damit alle Bits auf
low gesetzt. Damit erkennt der Komparator beim nächsten Lesezugriff in jedem Fall ein Cache Miss (kein Treffer) und lädt daraufhin den Cache neu.
UngeBursted
Im Ablauf eines Buszyklus gibt es auf der PAK/3 keine Unterschiede zwischen 68020 und 68030. Der synchrone Busmodus des 68030, der einst den Mac IIci so beschleunigte (Burst-Mode mit /STERM), darf hier leider nicht genutzt werden; zum einen sind die ROMs und Tag-RAMs bei 32 MHz zu langsam, zum anderen gäbe es ein Problem, wenn nach einem Lesezugriff auf den Hauptspeicher ein lokaler Lesezugriff auf der PAK/3 folgte, weil die Datenbustreiber des Mainboards (im Mac genauso wie im Atari) noch vom vorherigen Zugriff her eingeschaltet wären und somit dazwischenfunken würden.
Zur Veranschaulichung der Abläufe soll zunächst eine PAK/3 mit 16 MHz Taktfrequenz herhalten. Ein Buszyklus beginnt, indem die CPU die Adresse anlegt und, nachdem die Suche im CPU-internen Cache erfolglos verlaufen ist, /AS_20 mit fallender Flanke von CLK16 aktiviert. Falls dies ein ROM-Zugriff ist (/ROM von U6 aktiv) und sich ROMs auf der PAK befinden (J7 auf 1-2), schaltet U1 die ROMs ein und bestätigt sofort mit /DSACK0 und /DSACK1. Mit der nächsten fallenden Flanke von CLK16 wird dies von der CPU erkannt, worauf sie den Buszyklus genau einen CLK16-Takt später durch Desaktivieren von /AS_20 beendet. U1 hält /CYC_00 die ganze Zeit auf
high, so daß U4 keinen Zugriff auf das Mainboard startet.
Angenommen, es findet ein Lesezugriff auf den Bereich $0 bis $40 0000 statt (/DRAM von U6 aktiv), der L2-Cache ist aktiviert (/TCLR auf
high), aber mindestens eines der beiden Tag-RAMs meldet keinen Treffer (MAT0 oder MAT2 auf
low): In diesem Fall geht /CYC_00 nach kurzer Wartezeit auf
low und startet damit in U4 einen Zugriff auf das Mainboard, der im Prinzip wie bei der PAK/2 abläuft. Hier sorgt jetzt aber U2 dafür, daß das gelesene Datenwort auch in den SRAMs abgelegt und gleichzeitig die zugehörige Adresse im entsprechenden Tag-RAM festgehalten wird.
Bis auf den Prozessor und sein Pinout sind 020er- und 030er-PAK gleich. Hier finden Sie die Schaltung deshalb nur einmal.
Der Taktverdoppler für den synchronen 16-MHz-Betrieb wurde von der alten PAK übernommen.
Der Umstand, daß der Datenbus auf dem Mainboard nur 16 Bit, der Cache aber 32 Bit breit ist, bedarf einer näheren Betrachtung. Liegt die Adresse eines Datenwortes nämlich nicht auf einer Langwortgrenze (also A1 = high), so entsteht folgendes Problem: Das Mainboard liefert das Datenwort auf den CPU-Datenleitungen D16 bis D31, die CPU erwartet es im Cache aber später auf D0 bis D15. In diesem Falle werden die beiden Bustreiber auf der PAK/3 im wahrsten Sinne des Wortes aktiv und lösen das Problem, indem sie eine temporäre Querverbindung zwischen unterem und oberem Datenwort herstellen.
Querschläger
Bis hier ist die PAK/3 noch kein Stück schneller als ihr Vorgänger. Aber beim nächsten Lesezugriff auf diese Adresse erkennt der Komparator im Tag-RAM an der Gleichheit von angelegter und abgespeicherter Adresse einen Treffer. Wenn jetzt auch noch das zweite Tag-RAM, zuständig für die andere Hälfte des 32 Bit breiten Cache, einen Treffer signalisiert (MAT0 und MAT2 beide auf
high), dann genügt der CPU ein schneller Blick in den Cache, um die gewünschten Daten zu bekommen. In diesem Fall bleibt /CYC_00 auf
high, U4 hält sich vornehm zurück, und das Mainboard bekommt von diesem Zugriff gar nichts mit. Statt dessen schaltet U1, analog zum ROM-Zugriff, die SRAMs ein und bestätigt mit /DSACK0 und /DSACK1. Der Rest ist Formsache. Ein solcher Lesezugriff dauert nur drei CLK16-Takte, im Vergleich zu acht CLK16-Takten, die ein Zugriff auf das Mainboard im günstigsten Fall dauert. Dabei bekommt die CPU aus dem Cache 32 Bit auf einen Schlag präsentiert, ohne Cache hingegen werden für das zweite Wort nochmal acht Takte fällig.
Bei Schreibzugriffen ist der Cache dagegen machtlos, mit der hier implementierten Write-Through-Strategie ist in jedem Fall ein Zugriff auf das Mainboard angesagt. Falls die Tag-RAMs dabei einen Treffer melden, sich das zu dieser Adresse gehörende Datenwort also auch im Cache befindet, kümmert sich U2 darum, daß der Cacheinhalt ebenfalls aktualisiert wird. Somit kann bereits der nächste Lesezugriff wieder aus dem Cache abgewickelt werden. Sogenannte Write-Back-Caches, die selbständig ihren Inhalt in den Hauptspeicher zurückschreiben und somit auch Schreibzugriffe puffern, sind in ihrer Realisierung ungleich aufwendiger und in diesem Fall - wegen des 16-Bit-Nadelöhrs - noch nicht einmal besonders wirkungsvoll.
An der CPU vorbei
Ein unerfreuliches Thema, von dem die Macs (jedenfalls die hier in Frage kommenden Typen) verschont bleiben, sind die DMA-Zugriffe. Da hier der Inhalt des Hauptspeichers an der CPU vorbei manipuliert wird, muß nach einer solchen Aktion sicherheitshalber der gesamte Cache für ungültig erklärt werden. Bei der PAK/3 wird dies erreicht, indem der Inhalt der Tag-RAMs gelöscht, also auf
low gesetzt wird. Damit ist die Kohärenz von Cache und Hauptspeicher immer gewährleistet. Wenn jetzt aber allenthalben DMA-Zugriffe stattfinden, geht die Performance natürlich in den Keller. Aus diesem Grund ist der Blitter im Atari ST mit PAK-68/3 völlig witzlos und sollte daher ausgeschaltet oder ganz ausgebaut werden; die neue CPU ist ohnehin schneller.
Aufbau und Pflege
Für Mac und ST sind jeweils vier Permutationen in der Bestückung möglich: Völlig nackt, das heißt ohne Cache und ohne ROMs (für erste Tests empfehlenswert), mit ROMs und ohne Cache, mit Cache, aber ohne ROMs und schließlich der Vollausbau mit allem Drum und Dran, jeweils mit den zum Rechner und zur gewünschten Taktfrequenz passenden GALs. Die Optionen sind in der Stückliste angegeben. In der Tabelle neben der Stückliste finden Sie sämtliche in Frage kommenden GAL-Bezeichungen wieder. Im Gegensatz zur alten PAK werden hier auch bei Abwesenheit der ROMs oder des Cache alle GALs bestückt, da der PAK-Logik diese Optionen durch Jumper angezeigt werden; im zweiten Teil dieses Beitrags gehen wir noch erschöpfend auf Rechnerspezifika ein.
Die Platine erreicht dank Multilayer-Technik fast die Packungsdichte eines Freibierausschanks; um die Maße der alten PAK nicht zu überschreiten, mußten die Tag-RAMs unter die EPROM-Sockel verbannt werden, und auch einige Stützkondensatoren finden bei Verwendung von geschlossenen PGA-Sockeln für die Prozessoren nur auf der Lötseite Platz. CPU und FPU lassen sich übrigens aus PGA-Typen mit Kelchfederkontakten (`Präzisionsfassungen´), wenn überhaupt, nur mit roher Gewalt entfernen. Besser sind hier normale Ausführungen, wie sie etwa AMP herstellt. Sicherheitshalber sollten Sie auch den Tag-RAMs Sockel spendieren; die Stege der darüberliegenden EPROM-Fassungen müssen vorsichtig entfernt werden.
Wie bei der alten PAK stellt ein lötseitiger 64poliger DIL-Sockel mit eingestecktem beidseitig `piekendem´ Adaptersockel oder ebensolchem SIL-Streifen die Verbindung zum Mainboard her. Aus Stabilitätsgründen ist diesmal das operative Entfernen der alten 68000-CPU - sofern nicht schon geschehen - unumgänglich, eine 64polige DIL-Fassung tritt an ihre Stelle. Ein GAL-Satz, der den Betrieb bei auf dem Mainboard verbleibender CPU gestattet, ist im Gegensatz zur PAK-68/2 nicht vorgesehen. Bewährt hat sich die Amputation sämtlicher 68000-Beinchen mit einem kleinen Seitenschneider. Einzeln lassen sich die Pins dann leicht aus der Platine ziehen. Wem bei dieser Prozedur ob der leidenden CPU die Tränen kommen, der kann dem beinlosen 68000 später eine Prothese in Form einer DIL-Fassung unterlöten und ihn für Testzwecke weiterverwenden.
Optional ist übrigens der Betrieb der 68000 umschaltbar neben dem 68020/030 möglich, wenn man einige Leitungen zur bislang leeren Spare-Fassung fädelt und ein entsprechend programmiertes GAL einsetzt (Tips dazfolgen). Leider waren die Verbindungen beim besten Willen nicht mehr auf der Platine unterzubringen, und da nicht jeder eine `Vorher/Nachher´-Option braucht, haben wir für diese nur eine freiverdrahtbare Leerfassung vorgesehen. Die auf der Platine vorhandene 68000-Fassung auf der Bestückungsseite kann alternativ auch zur Aufnahme von MSDOS-Emulatoren und ähnlichen Erweiterungen dienen, die sich direkt der Prozessorsignale bedienen.
Der Einsatz mittelschneller CPUs (20 und 25 MHz) bei asynchroner Taktung, das heißt, bei Verwendung des 32-MHz-GAL-Satzes und entsprechend ausgelegtem Quarzoszillator, führt in der Regel zu Problemen; auch ist eine asynchron laufende 20-MHz-CPU bedingt durch unvermeidliche Wartezyklen kaum schneller als die synchron getaktete 16-MHz-Version.
Was es bei der Anpassung des TOS 3.06 zu beachten gilt, wie die asynchronen Zugriffe der 32-MHz-Version funktionieren und wie man den Mac zur Nutzung der FPU und des Datencache überredet, erfahren Sie in der nächsten c't. (cm)
Literatur
[1] Manfred Völkel, Carsten Meyer, Tausch mit Turbo, PAK-68/2 - mehr Dampf für 68000-Rechner, c't 10/91, S. 178
[2] Manfred Völkel, Carsten Meyer, Tausch mit Turbo, PAK-68/2 in Mac, Atari und Amiga, c't 11/91, S. 314
[3] Manfred Völkel, Tausch mit Turbo, Tips zur PAK-68/2 im ST, c't 12/91, S. 222
[4] Manfred Völkel, Turbo für den Austauschmotor, Schneller Atari mit modifizierter PAK-68, c't 3/91, S. 282
[5] Carsten Meyer, Schnelle Freundin, Amiga mit PAK und 14 MHz, c't 9/90, S. 338
[6] Roland Beck, Hilfskraft: 68000-Prozessor trotz PAK-68/2,
c't 7/92, S. 196
[7] Leo Drisis, Real-Renner, 68881-Einbindung für die PAK im Mac, c't 5/90, S. 190
[8] Carsten Meyer, Fast-PAK, 68000 und PAK-68 mit 16 MHz im Macintosh, c't 1/90, S. 194
[9] Johannes Assenbaum, Mehr CPU, PAK-68 - die Prozessor-Austausch-Karte für 68000-Rechner, c't 8/87, S. 68
