C64 a Fondo – 6502 vs 6510 Parte 8 – MOS 6526 CIA Interfaz con periféricos reloaded

Hola, en esta entrega vamos a estudiar el MOS 6526 también conocido como CIA o complex adapter interface. Son los famosos chips que usa la Commodore 64 entre el procesador y el teclado, ports de usuario y ports de joystick (control port 1 y 2) entre otras conexiones.

¿Por qué necesito algo entre el cpu 6510 y un periférico?

Los procesadores tienen como características ser muy rápidos, estamos hablando de 1 millón de operaciones o ciclos de reloj por segundo en el caso del 6510. Un periférico como el datasette o la disquetera está en el orden de 300 bytes por segundo de transferencia. 

Si el procesador tuviera que esperar cada acceso de información disponible sería toda la computadora extremadamente lenta, por eso ponemos un chip en el medio para que medie entre  el procesador y los periféricos.

Este chip tiene como función recibir la información que el 6510 le envía, mantenerla disponible y pasarla al periférico cuando este la requiera; también recibir la información desde el periférico, mantenerla y avisar al procesador que tiene información disponible para él. De esta forma el bus de datos se mantiene libre hasta que el procesador tenga que comunicarse con el periférico.

El CIA – Complex Interface Adapter MOS 6526

Pinout

Los pines, VCC, RS0 a RS3, /RES, DB0 a DB7, PHI2, R/W, /IRQ presentan funcionamientos similares al VIA MOS 6522, pero primero vamos a dar detalles de funcionamiento de los pines presentes sólo en el CIA. Cuando en el diagrama un puerto comienza con una / leer como BARRA y significa que este pin es Active Low.

/PC y /FLAG se utilizan juntos para realizar un handshake entre el procesador y el CIA, también el pin /FLAG sólo ,puede utilizarse para recibir una señal de otro 6526 y quedar marcado como flag de interrupción encadenando ambos CIA. El pin  /PC es output y pin /FLAG es input siempre.

TOD este pin requiere una conexión externa de 60Hz o 50Hz con un nivel programable de TTL para mantener el reloj interno del CIA. 

CNT puede recibir pulsos para usar como un contador en Timer A o Timer B o ser output y escribir pulsos del timer A o B.

SP Es un pin de input o output donde los BITS del puerto serial del chip son escritos. El Serial Data Register se conecta con el Shift Register y cuando recibe un pulso en el pin CNT hace un shift out del Shift Register un bit a la vez en el pin SP, esto lo hace por 8 pulsos o 8 bits del registro momento en el cual se genera una interrupción para avisar que se pueden enviar más datos.

/CS el CIA posee un sólo pin que funciona como Chip Select, al estar en Low el chip responde a los datos en DB0 a DB7

Aquí repasamos los pines con funcionamiento similar al VIA

VSS y VCC/VDD son los pines de Ground y 5 Volts respectivamente

PA0 a PA7 Port Address A: son pines de datos bidireccionales (input y output) para el primer puerto de periféricos el A, el periférico se comunica con el 6526 por esos pines.

PB0 a PB7 Port Address B:  son pines de datos bidireccionales (input y output) para el segundo puerto de periféricos el B, el periférico se comunica con el 6526 por esos pines.

RS0 a RS3 son pines que permiten seleccionar qué registro interno del CIA se accede cuándo el procesador lee o escribe los puertos de datos D0 a D7

RESB puerto de reset, el 6526 necesita de un reset cuando el 6510 es prendido por primera vez o pasa por un reset, en este pin recibe la señal. (Active Low).

DB0 a DB7 Data Bus: en estos pines el procesador 6510 se comunica con el 6526 para leer o escribir datos y acceder a cualquiera de los registros internos del CIA.

PHI2 en este pin se recibe la señal de reloj que es la misma que tiene el 6510, al estar diseñado el 6526 para trabajar con estos procesadores todo el timing interno funciona coordinadamente con toda la línea 6500.

RWB en este pin específico, se indica si se está realizando una lectura (high) o una escritura (low) a los pines D0 a D7.

IRQB este pin cuando está en estado low crea una interrupción al procesador para que este tome información del puerto de periférico que corresponde.

Registros

Los registros varían para reflejar la diferencia en algunas funciones con respecto al VIA que ya estudiamos, el CIA posee 16 registros diferentes aquí los detalles de algunos de ellos.

Este chip posee 16 registros internos que permiten entre otras funciones:

  • Seleccionar si los pines del canal de datos son de input o output
  • Almacenar la información que entrega o recibe el procesador de modo de mantener el canal de datos vacío pero la información preservada.
  • Elegir si el CIA puede o no interrumpir al procesador cuando tiene información para entregar.

Si queremos usar por ejemplo los puertos del PB0 al PB7 como output para darle información al periférico debemos primero seleccionar el Data Direction Register B. El mismo se selecciona a través de los puertos RS0 a RS3 en este caso poniendo los pines con los valores de 0v o Ground (<0.4 volts) en caso de tener un 0 en la tabla siguiente o 5v en caso de tener un valor 1:

RS3= 0 RS2= 0 RS1= 1 RS0= 1

Esto corresponde con el valor 3 del Register Number (0011), nótese que es diferente al VIA que espera un valor de 0010 o sea de 2 para el data register B. 

Luego de esta selección el procesador debe escribir el valor deseado a través de los pines D0 a D7. Para poner un pin en OUTPUT el valor deberá ser 1 y en INPUT deberá ser cero. Si quisiera poner todos los pines como output el procesador escribirá 1111 1111.

Luego el procesador debe enviar la información que quiere mandar de output al periférico para esto se utiliza el registro Output Register. En nuestro caso usaremos el Output Register B para seleccionarlo en los pines RS3 a RS0 poner los siguientes valores:

RS3= 0 RS2= 0 RS1= 0 RS0= 1

Que corresponden al valor de registro uno (0001), fijense que es diferente al valor usado en el VIA que era de cero (0000).

Si quisiera tener como valores de Salida en PB7 a PB0 los valores 10101010 debería escribir estos mismos en el registros enviando esta información por los pines D7 a D0.

Estos puertos soportan input latching, que es una característica por la cual el puerto conserva el valor de input que recibió desde el periférico aunque el mismo no refresque la señal. Los datos se mantienen (aunque cambien los valores en los pines PB0 a PB7) mientras el flag CB1 de interrupción este set y se borran cuando este flag es desactivado. 

Handshaking

El CIA puede hacer handshaking usando el pin /PC como output y el /FLAG como input. /PC va a ir a valor cero o low por un ciclo de tiempo P  después de una lectura o escritura del Puerto B. Esta señal puede usarse para indicar “data ready” en el puerto B o “data accepted” en el mismo puerto dependiendo si se trató de una lectura o una escritura respectivamente.

Se puede hacer handshake en transferencia de 16 bits usando ambos puertos A y B siempre leyendo o escribiendo primero al puerto A.

Cualquier señal low al pin /FLAG va a disparar una interrupción del bit FLAG, se puede usar como un puerto genérico para recibir interrupciones o se puede conectar al puerto /PC de otro CIA para recibir el low de ese pin y saber que sucedió un handshake en el puerto B de ese otro CIA (CIA 2 por ejemplo)

Timers

Los timers A y B del CIA pueden ser arrancados y parados a voluntad usando el control register A o el B respectivamente.

Reloj

También como funciones adicionales presenta un reloj Time of Day (TOD). El TOD es un reloj de 24 horas con una graduación de una décima de segundo. Está organizado en 4 registros (que se seleccionan con los pines RS0 a RS3), décimas de segundo, segundos, minutos y horas. El mismo necesita en el pin TOD la conexión con un clock de 60 Hz o 50 Hz.

Contador

Otra función adicional es contar los pulsos del pin de reloj recibidos en PHI2 en TIMER A o TIMER B o los pulsos recibidos en el pin CNT.

Puerto Serial (Shift Register)

El CIA también posee un puerto serial sincrónico de 8 bits con un buffer de 8 bits. Un bit de control selecciona si se va a recibir un input o output. 

En modo input los datos recibidos en el pin SP se ingresan a un shift register cuando se recibe una transición de low a high en el pin CNT. Luego de 8 CNT los datos en el shift register se copian al Serial Data Register y una interrupción es generada. El procesador va a leer los 8 bits contenidos en el Serial Data Register a través de los pines D0 a D7.

En modo output el TIMER A se usa como generador de baudios. Los datos se envían por el pin de SP. La tasa máxima de transferencia en baudios es PHI2 dividido por 4. La transmisión va a empezar después de escribir al Serial Data Register, la señal del TIMER A aparece como pulsos de output en el pin CNT y los datos se escriben al Shift Register y luego saldrán uno a uno por el pin SP cuando un pulso CNT ocurra. Luego de 8 pulsos CNT se genera una interrupción para indicar que se pueden mandar más datos.

Si el procesador carga datos en el Serial Data Register antes de que se produzca la interrupción cuando esta se produzca y se transmitan los datos el Shift Register va a ser cargado automáticamente luego de la transmisión. Si el procesador se mantiene en forma constante 1 byte adelantado al consumo del Shift Register la transmisión será continua.

Los datos son transmitidos con el Most Significant Bit primero.

Cómo funciona el CIA en la Commodore 64 

La Commodore 64 posee dos CIA conocidos en el mother como U1 y U2, aquí podemos ver su conexión esquemática con otras partes de la computadora:

Esquema de conexión

Funciones CIA 1 (U1)

Las funciones de la CIA 1 incluyen el control del teclado, control de dos puertos de joystick, el control de los dispositivos tipo paddle (potenciómetro como para el Arkanoid) y la lectura de datos del datasette conectado al pin de Cassette RD.

Los 8 pines del Port A están seteados como input y conectados a los 8 conectores de columnas del conector de teclado CN1. Los pines del del Port B están seteados como inputs y conectados a los 8 conectores de filas del conector de teclado CN1 (20 pines machos). 

Las cuatros direcciones del Control Port 2 (JOYB0, JOYB1 ,JOYB2 y JOYB3) y el pin de botón BTNB están conectadas al puerto A. Las cuatros direcciones del Control Port 1 (JOYA0, JOYA1 ,JOYA2 y JOYA3) y el pin de botón BTNB están conectadas al puerto B. Si están cruzados los A y los B !

Funciones CIA 2 (U2)

Este posee dos funciones principales que son la conexión al puerto de Usuario, la conexión al bus serial de la commodore, conexión al puerto RS-232, la configuración del VIC (selección de la posición de la memoria interna) y el control de las interrupciones no enmascarables NMI.

El Port B está enteramente conectado al User Port al cuál también se conecta el pin 2 del Port A. El Port A en sus conexiones desde el pin PA7 a PA3 están dedicados al puerto serie.

Direccionamiento de Ambos CIA

Para acceder a los CIA vamos a usar los puerto RS3 a RS0 que están conectados a los puertos de direccionamiento A3 a A0 del 6510. De esta forma podemos acceder a los registros del CIA 1 con las direcciones de DC00 a DC0F y al CIA 2 con las direcciones de DD00 a DD0F

Los pines de chip enable de cada CIA (recordemos que esperan un resultado de 0 volts o LOW) están conectados a la PLA ( a través del pin 1 de I/O) y a dos chips 74LS239 que son decodificadores y entre ambos conectan la CIA, el VIC y el SID. 

El chip select no va a funcionar a menos que también se reciba la señal high del clock Phi2 al mismo tiempo.

El CIA responde al 6510 cuando el ciclo del reloj PHI2 va de low a high y a low nuevamente , esto toma aproximadamente unos 1000 nanosegundos. Durante ese tiempo el pin de CS (chip select) es mantenido en Low y si el pin de R/W es high ocurre una lectura y si es low ocurre una escritura, los pines RS reciben una dirección a un registro interno con el databus dando o recibiendo datos.

Teniendo en cuenta el diagrama de timing para que los datos sean válidos y por ejemplo puedan ser leídos, el 6510 tiene acceder al CIA mientras el pin CS esté en low, el registro interno sea direccionado por los register select RS3 a RS0, PHI2 debe estar high y los datos tienen que ser válidos (mantenidos correctamente en el tiempo).

En Resumen

Nuestros dos CIAs manejan teclado, joystick, timers, lectura de datasette, puerto de usuario, paddles y comunicaciones seriales.

El CIA en funcionamiento

Para ver visualmente como conectar un CIA al 6510 y setearlo como output y también en su función de uso de reloj les dejo como siempre un video en detalle de la serie. 

En este vamos a ver cómo se conectan los pines, que código máquina escribir para comunicarnos con los registros internos y un ejemplo de output.

6526 CIA Complex Interface Adapter Programado – 6502 vs 6510 parte 8 

Artículos en la serie C64 a Fondo

A continuación les dejo los links a los artículos anteriores de la serie

Introducción
Parte 1 – El módulo de reloj
Parte 2 – Pinout 6510 y 6502
Parte 3 – Codeando a Mano la Primera Instrucción de Código Máquina
Parte 4 – Primer Programa desde EEPROM
Parte 5 – I/O Pins del Procesador
Parte 6 – MOS 6503 Una Rareza
Parte 7 – VIA MOS 6522 Interfaz con periféricos

Referencias

6526 CIA Complex Interface Adapter Programado – 6502 vs 6510 parte 8 

Video para profundizar el saber sobre la CIA

A continuación les dejo algunos links donde profundizar el tema

CIA – C64-Wiki 

Libro Machine Language for the Commodore 64,128,  y otras Computadoras Commodore Anexo I

CIA 6526 Datasheet 

Commodore 64 clock using the CIA TOD clock (from “Compute!”) | Retro64 

C64 Schematic CIA 

vasm portable and retargetable assembler 

6502.org: Tutorials and Aids 

Reemplazo Moderno de la CIA

J-CIA64 6526/8521 Replacement for Commodore 64/128/1570/1571 – Retro 8bit Shop 

Referencias de velocidades de transferencias de periféricos:

C64/C128 I/O performances 

Y como siempre la serie de Ben Eater del 6502

Build a 6502 computer | Ben Eater 

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

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

Autor: Electrolinho

Empecé con la Commodore de chico, sigo con la Commodore de grande. Programo para 6502, Arduino, Raspberry y algunos algoritmos de Bioinfomática, algo en C++, algo en Python, algo en Assembler. Fanático de la electrónica home brew desde breadboard a diseñar PCBs propios. Mi GitHub para quien quiera sumarse a los proyectos y chusmear código: https://github.com/carlinhocr/ Desde Argentina al Mundo

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