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C64 a Fondo – 6502 vs 6510 Parte 2 – Pinout

Vamos a empezar este estudio comparativo del 6502 vs el 6510 con una descripción del para qué sirve cada patita de estos chips (que básicamente es el pin out). Nos va a servir de guía para poder hablar de las diferencias que tienen estos chips entre sí

Les dejo el link al articulo anterior en la serie, y al final como siempre los links a todos los artículos de la misma.

Parte 1 – El módulo de reloj

Cosas en Común entre el 6502 y el 6510

Ambos chips fueron creados por MOS Technologies y muy utilizados en el final de los 70 y principios de los 80. El 6510 ya no se fabrica más en la actualidad (escribiendo estas notas en Junio del 2023) sobreviviendo sólo en los corazones de millones de Commodore 64 y en los corazones de miles de Commodorianos.

El 6502 todavía sigue siendo muy utilizado teniendo versiones actuales de USM y de WDC siendo la versión actual la 65C02 que agrega algunas instrucciones extras de assembler y baja mucho el consumo eléctrico.

Arquitectura

Ambos procesadores son procesadores de 8 bits y comparten muchísimas cosas en común. La arquitectura interna de estos procesadores es idéntica y está dividida en dos partes una sección con los registros y otra con las operaciones de control, las señales que provocan transferencias de datos están en la sección de control.

Set de instrucciones

El código máquina de ambos procesadores posee las mismas instrucciones de assembler de 6500 con lo que los programas de uno funcionan perfectamente en el otro.

Agrego algunas instrucciones extras del modelo 65C02 (las marcadas con punto en la siguiente tabla) que NO recomiendo usar para poder mantener compatibilidad con el 6510 y el 6502 originales pero que ahorran algunos pasos al no tener, por ejemplo, que pasar por el acumulador para guardar el registro X en el stack con la instrucción PHX. El 65C02 es una versión más moderna del MOS 6502 siendo una ventaja el ser fully static por lo que se puede parar el clock y los registros no pierden sus valores.

Velocidad de Reloj

Los procesadores 6502 y 6510 originales soportan una velocidad de reloj de hasta 1Mhz, teniendo luego el 8502 que soporta hasta 2Mhz (usado en el modo 64 de la Commodore 128)

Registros

La cantidad de registros y la forma de accederlos se mantienen para toda la familia estos son los familiares A, X e Y, el Status Register y el Stack Pointer los 5 de 8 bits y el Program Counter de 16 bits.

Modos de direccionamiento

Ambos chips funcionan de idéntica forma al relacionar la memoria y sus registros presentando modos de direccionamiento diferentes ya sea si uno quiere cargar directamente de memoria, o un número literal al acumulador, en forma indexada los datos y aplicar funciones que trabajan con el acumulador sin tocar memoria.

Bus de Direccionamiento y Bus de Datos

Ambos procesadores poseen 16 líneas de direccionamiento de datos (pines) pudiendo manejar entre memoria y registros de I/O hasta 64Kb (2ˆ16 = 65536 bytes).

Pin-Out y diferencias

Aquí salta a la vista la diferencia más grande ya que el 6510 posee 6 pines adicionales que puede ser utilizados como interfaz de Input/Output para comunicarse con periféricos ya que estos son bidireccionales.

Para manejar estos pines el 6510 utiliza las direcciones 0 y 1 donde especifica en la cero si son inputs (pone un cero) o output (pone un 1) y en el dirección 1 los valores de los mismos, ya sea recibidos de un periférico y escritos por el procesador para consumo externo.

Pin-Out 6502

Este chip posee un formato DIP 40 con las siguientes funciones en sus pines

VPB Pin de La B significa Bar o Barra para que este pin se active el voltaje tiene que ser Low o 0v

RDY El pin ready se utiliza para decirle al microprocesador que tiene que frenar y mantener al mismo en el estado actual, para activarlo y que frene el pin espera un estado low. Por ejemplo al recibir un estado Low (o volts) en el pin todas las líneas de output van a mantener los valores de corriente que tenían mostrando qué dirección estaban buscando.

PHI1 o 01 (OUT) Pin de Salida de Reloj, el mismo es una salida de reloj para conectar a otros dispositivos. El PHI1 es típicamente la señal del PHI2 pero invertida

IRQB Pin de interrupción. Al conectar este pin a 0V, si las interrupciones están habilitadas, el procesador guardará el contenido de los registros actuales y buscará en las posiciones de memoria FFFE y FFFF donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar para atender a esta interrupción

MLB El pin de Memory lock se usa para mantener la integridad de las instrucciones Read-Modify-Write en un sistema multiprocesador. Cuando presenta un valor Low o 0 volts indicate que algún otro circuito debe arbitrar el ciclo del bus.

NMIB Pin de interrupción no enmascarable. Al conectar este pin a 0V el procesador guardará el contenido de los registros actuales y buscará en las posiciones de memoria FFFA y FFFB donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar para atender a esta interrupción. Este tipo de interrupción es incondicional y siempre será honrada.

SYNC Pin de sincronía El ciclo del procesador donde trae el código de operación (OpCode) se indican con el pin SYNC en high. Cuando el procesador busca un código del operación el pin queda en high y queda high por todo el resto del ciclo

VDD o VCC Pin de Energia. El procesador típicamente trabaja con +5v

AB0 a AB11 Pines del Bus de Direccionamiento. Son pines bidireccionales que permiten recibir las direcciones de los dispositivos a los cuales comunicarse (memorias, otros chip en la placa, registros de I/O, etc). Al ser un bus de 12 bits direcciona hasta 4096 bytes o desde $0000 hasta $1000

VSS Pin de Ground, este pin se conecta al common ground del diseño.

DB0 a DB7 Pines del Bus de datos, Este es un bus bidireccional que permite recibir y escribir datos junto con el bit de R/W a memorias y registros de I/O

R/WB Pin de Lectura/Escritura. Este pin indica si el procesador está realizando una lectura o una escritura. Cuando se encuentra en 1 o en estado High el procesador está realizando una lectura cuando está en 0 o estado Low una escritura.

NC No Connect, este es un pin que no se debe conectar ya que no está conectado a nada dentro del procesador

BE Pin de Bus Enable, cuando este pin esta High los pines de address, data y RW están activos, cuando está low quedan con impedancia alta sacando al procesador del bus.

PHI2 o 02 (OUT) Pin de Salida de Reloj, el mismos es una salida de reloj para conectar a otros dispositivos

SOB Pin de Set Overflow. Este pin cuando recibe un cambio de high a low prende el bit de Overflow en el Status Register del procesador (bit 6). No se uso mucho en el pasado y no se recomienda su uso.

PHI0 o 00 (IN) Pin de entrada de Reloj, Este pin permite conectar un reloj interno al procesador para sincronizarse con otros dispositivos.

RESB Pin de reset, este pin sirve para realizar un reset del procesador cuando se conecte a 0v. El reset tomará 7 ciclos de reloj y buscará en las posiciones de memoria FFFC y FFFD donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar. El reset debe ser mantenido en 0v por lo menos durante dos ciclos de reloj para que sea reconocido.

Pin-Out 6510

Pines diferentes al 6502

PHI1 o 01 (IN) Pin de entrada de Reloj, Este pin permite conectar un reloj interno al procesador para sincronizarse con otros dispositivos. En el 6502 era el PHI0 y el 6510 sólo tiene 2 pines con respecto al reloj en lugar de los 3 que posee el 6502.

AEC Pin de Address Enable Control, se comporta de forma similar al pin de Bus Enable del 6502. Cuando este pin esta High los pines de address, data y RW están activos, cuando está low quedan con impedancia alta sacando al procesador del bus. Esto permite desarrollar sistemas con acceso directo a memoria por parte de otros chips o periféricos (DMA).

P0 a P5 Pines de I/o Port. Este procesador en su más marcada diferencia presenta en estos pines 6 conexiones bidireccionales con periféricos como si fuera un pequeño VIA o CIA. Vamos a explorar como funciona en detalle en un futuro artículo y video.

Pines idénticos al 6502

IRQ/ Pin de interrupción. Al conectar este pin a 0V, si las interrupciones están habilitadas, el procesador guardará el contenido de los registros actuales y buscará en las posiciones de memoria FFFE y FFFF donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar para atender a esta interrupción

NMI/ Pin de interrupción no enmascarable. Al conectar este pin a 0V el procesador guardará el contenido de los registros actuales y buscará en las posiciones de memoria FFFA y FFFB donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar para atender a esta interrupción. Este tipo de interrupción es incondicional y siempre será honrada.

VDD o VCC Pin de Energía. El procesador típicamente trabaja con +5v

VSS Pin de Ground, este pin se conecta al common ground del diseño.

DB0 a DB7 Pines del Bus de datos, Este es un bus bidireccional que permite recibir y escribir datos junto con el bit de R/W a memorias y registros de I/O

R/W Pin de Lectura/Escritura. Este pin indica si el procesador está realizando una lectura o una escritura. Cuando se encuentra en 1 o en estado High el procesador está realizando una lectura cuando está en 0 o estado Low una escritura.

PHI2 o 02 (OUT) Pin de Salida de Reloj, el mismos es una salida de reloj para conectar a otros dispositivos

/RES Pin de reset, este pin sirve para realizar un reset del procesador cuando se conecte a 0v. El reset tomará 7 ciclos de reloj y buscará en las posiciones de memoria FFFC y FFFD donde está el vector (otra posición de memoria) que posee la primera instrucción a ejecutar. El reset debe ser mantenido en 0v por lo menos durante dos ciclos de reloj para que sea reconocido

Conectando al 6502 y al 6510

Para poder ver visualmente como es el esquema de conexión de pines de ambos procesadores les dejo un video donde vamos a repasar para que sirve cada pin y como conectarlo a un breadboard para en futuros videos poder programar ambos procesadores.

6502 vs 6510 Chip pin out – Parte 2

Artículos en la serie C64 a Fondo

A continuación el link al próximos artículo en la serie

Parte 3 – Codeando a Mano la Primera Instrucción de Código Máquina

y aquí los links a los artículos anteriores

Introducción

Parte 1 – El módulo de reloj

Referencias

A continuación les dejo algunos links donde profundizar el tema:

Video de la serie 6502 vs 6510 Parte 2 – Pin Out

6502 vs 6510 Chip pin out – Parte 2

W65C02S 8–bit Microprocessor

6510 MICROPROCESSOR WITH I/O

Todos los ejemplos de código de los videos los pueden encontrar en:

https://github.com/carlinhocr/6502_vs_6510

Y como siempre la serie de Ben Eater del 6502

Build a 6502 computer | Ben Eater

C64 a Fondo – 6502 vs 6510 Parte 1 – El módulo de reloj

Vamos a empezar esta serie analizando que es un módulo de reloj o system clock, por qué se usa, como funciona el de la Commodore 64 a grandes rasgos y por qué vamos a usar otro módulo de reloj durante nuestro estudio.

Les dejo el link al articulo anterior en la serie, y al final como siempre los links a todos los artículos de la misma.

Introducción

¿Qué es un módulo de reloj?

Un módulo de reloj es un circuito electrónico que oscila generando una secuencia de pulsos repetitivos que llamaremos señal de reloj, estos pulsos son distribuidos a todos los elementos lógicos que tenemos en nuestra computadora para que se sincronicen.

¿Por qué se usa?

Porque generalmente nuestras computadoras trabajan con lógica sincrónica. Los gates o compuertas lógicas que usamos para operar sobre los datos tienen un tiempo finito de respuesta a los cambios en los inputs que reciben, esto se llama delay de propagación.

El intervalo entre los pulsos del reloj tiene que ser suficientemente largo como para que los gates y sus salidas se establezcan en valores estables antes de que suceda el próximo pulso de reloj.

Cómo funciona el de la Commodore 64

Bienvenidos al infierno, digo a cómo funciona aproximadamente el reloj de la Commodore 64. Y digo aproximadamente por que en este post no vamos a describir el circuito en detalle pero sí algunos vericuetos interesantes.

Empecemos con un cristal llamado Y1, este nos da una resonancia mecánica desde la cuál vamos a llegar a través de varios circuitos a los 1 Mhz a los que típicamente corre el 6510.

Ahora dependiendo de si la computadora es NTSC o PAL la frecuencia de la señal va a ser de aproximadamente 14,318 Mhz o 17,73 Mhz redondeando.

A esta señal se conoce como el Color Clock por que al dividir estos números por 4 obtenemos 3.58 Mhz para NTSC y 4.43 Mhz para PAL las cuáles son las señales de carrier responsables de que cómo vemos los colores en nuestros televisores.

Un Circuito integrado conocido como el U31 Dual Voltage Controlled Oscillator nos genera otras frecuencias en 8.18 Mhz para NTSC y 7.88 Mhz para PAL, esta señal se conoce como el Dot Clock y nos dice cuántos píxeles se puede escribir por pantalla en cada refresh de la misma.

NTSC: 59.826Hz (refresh rate) * 520 Pixels * 263 lineas = 8.18MHz

PAL: 50.125Hz (refresh rate) * 504 Pixels * 312 lineas = 7.88MHz

Finalmente llegamos al System Clock que define que es un ciclo de CPU como la Commodore 64 es un máquina de 8 bits esto nos limita a mostrar hasta 8 píxeles por ciclo de CPU por lo que corresponde un ciclo de duración de un octavo de Dot Clock.

NTSC: 8.18MHz / 8 = 1.023MHz

PAL: 7.88MHz / 8 = 0.985Mhz

Llegando al máximo de velocidad de 1Mhz del 6510.

¿Por qué usamos otro reloj en nuestro estudio?

Si utilizáramos un reloj de 1 Mhz sería muy difícil ver que ocurre en la cpu por cada instrucción de nuestro programa. Los instrumentos que usamos para medir no podrían detectar fácilmente la variación de bits o impulsos eléctricos en los pines de address bus y no llegaríamos a comprender que sucede en cada paso.

Por eso tenemos un reloj que nos permite parar la pelota e ir más lento, tan lento como queramos, inclusive pulsando un botón vamos a ir ciclo por ciclo de reloj e instrucción por instrucción.

Cómo funciona nuestro clock

Vamos a utilizar el reloj del kit de Ben Eater. Este funciona con tres timer 555 y algunas compuertas and y or, en las referencias les dejo el detalle de como lo arma él en sus videos.

Este reloj nos permite a través de un switch decidir si queremos ir paso a paso cada ciclo de reloj pulsando un botón o usar un potenciómetro para dar la velocidad de las instrucciones.

Cómo Seguimos

Para ver visualmente como funciona el módulo de reloj y cómo corremos el osciloscopio para analizar sus variaciones les dejo el primer video de la serie

6502 vs 6510 Módulo de Reloj Manual – Parte 1

Artículos en la serie C64 a Fondo

A continuación el link al próximo artículo en la serie

Parte 1 – El módulo de reloj

y aquí los links a los artículos anteriores

Introducción

Referencias

A continuación les dejo tres excelentes artículos que hablan en profundidad del reloj de la Commodore 64.

Hardware Basics Part 1 – Tick Tock, know your Clock — Dustlayer

Hardware Basics Part 2 – A Complicated Relationship — Dustlayer

Clock Frequency

Y Cómo construir el módulo de Reloj por Ben Eater.

Clock module

C64 a fondo – 6502 vs 6510

Hoy los quiero invitar a un viaje al interior de la Commodore 64 y sus chips donde vamos a ver en profundidad detalles de assembler, conexiones y funcionamiento, que me desvelaron desde chico, y creo que agregan mucho a nuestro conocimiento técnico.

¿Por qué la Commodore? Bueno un poco por amor (un poco bastante ja) y otro por que pienso que es una de las últimas computadoras en las cuáles podemos llegar a entender en profundidad qué es lo que está pasando realmente por dentro cuando ejecutamos un programa, jugamos un juego o tocamos música con el SID.

Todavía podemos ver los chips, medir las señales en sus patas, mirar donde hay una resistencia o un capacitor y entender por donde pasa la magia desde el programa a la acción.

Cómo conocí la Commodore 64.

Un día caminando por la calle con mi viejo a los 9 años, me recuerdo pidiéndole por enésima vez un Colecovision, el mismo que veía todas las noches en las propagandas de la trasnoche Kenya Sharp con el juego de pitufos. El se paró en el medio de la calle, me miró y me dijo:

¿Y si tuvieras una computadora mejor, que podés programar tus propios juegos?

Así llegó el 10 de Julio de 1987 mi Drean Commodore 64C, y también llegarían muchas horas de juegos de la mano de Commando, Ghost and Goblins, y terminando en un Zack Mackraken allá por los 16 años.

También llegaron muchas horas de programación en Basic y los libros de Data Becker (esos blancos y naranjas) con los que siempre me pasaba lo mismo.

Comenzaba a leer ávido y en detalle esas letras apenas entendibles y pasaba la página 1, 2 (siempre introducciones), 5, 6 (ya empezaban a explicar binario y hexadecimal) e invariablemente en la página 16, ya no entendía nada.

Que se necesitaba un monitor de código máquina, que tal cartucho, que el diskette (que no se comparaba con mi humilde datasette) y que me daban algún programa de ayuda que consistía en 20 páginas ilegibles con muchas instrucciones DATA que luego de tipearlo terminaban invariablemente en el nefasto:

"ERROR EN LOS DATA".

Luego de esta frustración me iba a Atarilin a conseguir algún juego nuevo de la mano de Carlos y Alejandro, de los que siempre venía alguna palabra de aliento,y volvía a mis 10 minutos de carga del datasette y a jugar un par de horas, la resiliencia de los 11 años.

Esa misma resiliencia me hacía al mes volver a comprar un nuevo libro de Data Becker y volver a empezar el ciclo, así pasaron “Peeks y Pokes para el Commodore 64”, “Gráficos para el Commodore 64”, “64 consejos y trucos” pero nunca llega al soñado “64 interno” considerado sólo para expertos a esa tierna edad.

El retorno del Commodoriano

El año pasado (2022) repasando el libro Make Electronics me tope con los videos de youtube de Ben Eater, un verdadero demente que hizo una computadora sólo con breadboards y utilizando el 6502 como procesador, sus videos muy bien explicados, y la posibilidad de comprar kits con todo lo necesario para armarlos y seguirlos paso a paso me llevo a tirarme de lleno a contestar las preguntas que me torturaban desde chico:

¿Cómo funcionaba la Commodore? ¿Cómo cargaba una instrucción desde el código máquina al procesador? ¿Cómo se ejecutaba?

Compré los kits y mientras los esperaba compre una Commodore 64 por mercado libre, la prendo con su fuente original (no lo hagan en sus casas niños si no quieren quemarla) y me daba un hermoso error con todos ceros en la pantalla y un OUT OF MEMORY ERROR.

Lo pensé, decidí quedármela y aprovecharlo como la oportunidad para arreglarla y aprender a fondo cómo funciona por dentro esta computadora.

6502 vs 6510

Y así nace esta serie, donde comparo cómo funciona el procesador 6502 (usado en Apple , Atari, etc) y el 6510 de nuestra querida Commodore 64 que en apariencia son iguales pero tienen sutiles y fundamentales diferencias.

Uso como guía los videos de Ben Eater (Build a 6502 computer | Ben Eater ) agregando estudios del 6510 y la Commodore 64.

Con esta serie de blogspot y videos que armé para acompañarlos y vamos a explorar desde el pin out hasta los registros internos del 6510, pasando por sus puertos de I/O, como cargarle una instrucción en código máquina a mano y llegando hasta conectarle una eeprom con varias instrucciones para que ejecute un programa de nuestra autoría.

Espero me acompañen en este viaje para contestar estas preguntas que me hacía desde pequeño y conocer a fondo estos procesadores.

Siganme en este apasionante viaje empezando por el próximo artículo,

Parte 1 – El módulo de reloj