MOS Technology 6502 — укрощение полупроводникового семени28.04.2020 16:48

14 ноября 1999 года эпизод «Футурамы», анимационного научно-фантастического комедийного сериала, задуманного создателем «Симпсонов» Мэттом Гренингом, потряс компьютерных гиков проявлением технологической проницательности, абсолютно беспрецедентной в прайм-тайм развлечениях. В эпизоде «Фрай и фабрика Слёрма» персонаж по имени профессор Фарнсворт направляет свой F-луч в голову знаменитого робота Бендера. В просвеченной области виднеется небольшой прямоугольник с надписью 6502.

MOS Technology 6502

Камео этого легендарного чипа в «Футураме» потрясло умы гиков, вызвав взрыв комментариев на онлайн-форумах. Но ещё задолго до вступления в эпоху интернета микропроцессор 6502 произвёл революцию, послужившую толчком в развитии и доступности компьютерных технологий для массового потребителя.

MOS 6502 — мозг робота Бендера

В 1975 году компания Motorola начала проект микропроцессора 6800 с Томом Беннетом в качестве главного архитектора. Компоновка чипов началась в конце 1972 года, первые экземпляры 6800 были изготовлены в феврале 1974 года, а полное семейство было официально выпущено в ноябре того же года. Годом ранее Беннет нанял в компанию Чака Педдла для выполнения работ по архитектурной поддержке уже существующих продуктов семейства 6800. Именно это решение впоследствии станет одним из ключевых в полупроводниковой индустрии.

Чак Педдл

В то время целевыми клиентами Motorola были такие известные электронные компании, как Hewlett-Packard, Tektronix, TRW и Chrysler. В мае 1972 года инженеры Motorola стали посещать избранных клиентов и делиться подробностями предлагаемой ими 8-битной микропроцессорной системы с ПЗУ, ОЗУ, параллельными и последовательными интерфейсами. В начале 1974 года они предоставили инженерные образцы чипов, чтобы клиенты могли создавать прототипы своих систем. Стратегия Motorola для всего семейства продуктов фокусировалась не на цене микропроцессора, а на снижении общей стоимости разработки для заказчика. Intel и Motorola изначально выставили цену в 360 долларов за один микропроцессор, в то время как фактическая цена на производственные объёмы была значительно ниже. Motorola предложила комплект для разработки, содержащий 6800 с шестью микросхемами поддержки за 300 долларов.

Педдл, сопровождавший продавцов во время визитов к клиентам, обнаружил, что те были сбиты с толку высокой стоимостью этих микропроцессоров. Ко всему прочему, в 6800 было много «лишних» инструкций, которые на практике просто не использовались. Педдл и другие члены команды начали разрабатывать дизайн микропроцессора меньшего размера, но с улучшенными характеристиками. В те годы новое предприятие Motorola по производству полупроводников в Остине, штат Техас, испытывало трудности с производством МОП-микросхем и в середине 1974 года начался годичный спад в полупроводниковой промышленности.
Руководство подразделения полупроводниковых продуктов Motorola было перегружено проблемами и не проявило никакого интереса к недорогому микропроцессорному предложению Педдла. В конце концов Педдл получил официальное письмо с просьбой прекратить работу над своей системой. Тот ответил, сообщив Motorola, что письмо представляет собой официальное заявление об «отказе от проекта», поэтому интеллектуальная собственность, которую он разработал до этого момента, теперь принадлежит ему. В ноябре 1975 года председатель правления Motorola Роберт Гэлвин в конечном счете согласился, с тем, что концепция чипа Педдла была хорошей и что подразделение упустило эту возможность. В конечном счете отдел был реорганизован, а руководство сменилось.

Педдл начал искать за пределами Motorola источник финансирования для своего нового проекта. Сначала он обратился к генеральному директору MOSTEK. Тот отказался и позже прокомментировал свой отказ тем, что боялся судебных разбирательств с Motorola. Во время одной из своих поездок Педдл посетил автомобильную компанию Ford. Боб Джонсон, позднее возглавивший подразделение Ford по автоматизации двигателей, сообщил, что их бывший коллега Джон Пайвинен перешёл в компанию General Instrument, где научился искусству проектирования полупроводниковых приборов. С момента своего ухода из General Instrument он занялся работой над наборами микросхем для калькуляторов в новой компании MOS Technology, которую он основал в долине Фордж, штат Пенсильвания в 1969 году.

Джон Пайвинен

После ряда неудачных попыток поиска финансирования Педдл обратился к Пайвинену, который сразу же дал добро его проекту. 19 августа 1974 года Чак Педдл с шестью своими коллегами покинули компанию Motorola и присоединились к MOS Technology. Из семнадцати разработчиков и дизайнеров чипов в команде 6800 осталось семеро. Цель команды состояла в том, чтобы спроектировать и произвести недорогой микропроцессор для встроенных приложений и нацелить его на максимально широкую клиентскую базу. Это было возможно только в том случае, если бы микропроцессор был недорогим.

Летом 1975 года Чак Педдл, Уил Мэтис и Род Оргилл разработали архитектуру новых процессоров. Сентябрьская статья того же года в журнале EDN Magazine даёт краткое описание дизайна новых чипов:

В MOS Technology чертеж макета процессора производился вручную с помощью цветных карандашей и веллум-бумаги. Учитывая ограничения по размерам чипа, все чертежи приходилось постоянно пересматривать. Пайвинен работал над чертежом декодера инструкций, Педдл — над АЛУ и регистрами.

Несколько членов команды MOS 6502 (слева направо):
Чак Педдл, Род Оргилл, Терри Холдт и Рэй Хирт.
Сидящий: Уил Мэтис.
Схема, которую они держат, — 200-кратное увеличение конструкции чипа 6502

Размер чипа 6502 был почти вдвое меньше 6800, что позволило на одной пластине высокочистого кремния напечатать больше чипов. Кроме того, пластины содержали определенный процент физических дефектов на своей поверхности — любой чип, напечатанный на этом дефекте будет неисправен. Поскольку более мелкие чипы реже печатаются на дефекте, производство таких процессоров обеспечило значительное снижение затрат и конечной себестоимости.

Размер кристаллов MOS 6502 и Motorola 6800

MOS впоследствии представила два микропроцессора, основанных на одной базовой конструкции: 6501, который был совместим с разъёмом Motorola 6800, и 6502, реорганизовывавший распиновку для поддержки встроенного тактового генератора. Оба чипа работают с другими микросхемами поддержки, разработанных для 6800, но не работают с программным обеспечением, из-за разного набора команд, регистров и режимов адресации.
Внедрение новых микропроцессоров MOS сильно отличалось от традиционного многомесячного запуска продукции. Первый запуск новой микросхемы обычно используется для внутреннего тестирования и предоставляется отдельным заказчикам в качестве инженерных образцов. Эти чипы часто имеют конструктивные дефекты, которые впоследствии исправляются до начала производства. Целью Чака Педдла была продажа первой партии 6501 и 6502 участникам выставки Wescon в Сан-Франциско, начавшейся 16 сентября 1975 года. Педдл был очень эффективным представителем и микропроцессоры MOS Technology широко освещались в отраслевой прессе. Одним из первых был полностраничный рассказ о микропроцессорах в номере журнала «Electronics magazine» от 24 июля 1975 года. Статьи также выходили в журналах EE Times, EDN, Electronic News, Byte и Microcomputer Digest. Реклама чипа 6501 появилась в нескольких изданиях в первую неделю августа того же года. Стоимость микропроцессора составляла 20 долларов. В сентябре началась рекламная кампания новых микропроцессоров MOS Technology. В том же месяце в продажу поступил 6502 по цене всего в 25 долларов.

6502 представлял собой 8-разрядный процессор с 16-разрядной адресной шиной, позволяющей адресовать до 64 Кбайт памяти. Он производился по 8-микронному технологическому процессу. Площадь кристалла составляла 3,9 на 4,3 мм.

Размер кристалла MOS 6502

Внутренняя логика процессора работает с той же скоростью, что и внешняя тактовая частота, но несмотря на низкие тактовые частоты (от 1 до 2 МГц) производительность чипа была конкурентоспособной с другими процессорами того времени, использующими значительно более высокую тактовую частоту. Низкая тактовая частота снижала требования к быстродействию памяти и периферийных устройств, подключенных к процессору. Это было критически важно в то время, когда доступная память имела время доступа в диапазоне от 250 до 450 наносекунд. Оригинальный NMOS 6502 был минималистично спроектирован и эффективно изготовлен, а следовательно, был на порядок дешевле — важный фактор получения архитектурных побед на очень чувствительных к цене рынках игровых консолей и домашних компьютеров.

Презентация микропроцессоров 6501 и 6502 в Wescon-е имела огромный успех. Камнем преткновения стало то, что широкое освещение в прессе привлекло внимание Motorola. В октябре 1975 года Motorola снизила цену на 6800 со 175 до 69 долларов, а 3 ноября обратилась в федеральный суд с просьбой запретить MOS Technology производить и продавать микропроцессорную продукцию. Они также подали иск с заявлением о нарушении патента и неправомерном присвоении коммерческой тайны.
В то время Motorola была компанией, располагавшей огромными ресурсами, общим оборотом в миллиарды долларов и портфелем патентов на полупроводники, в том числе и на 6800.
В иске были названы имена четырех бывших инженеров Motorola, работавших над чипом 6800. Во время открытия судебного процесса Motorola обнаружила, что один инженер, Майк Джейнс, проигнорировал инструкции Педдла и привнес свой дизайн чипа 6800 в проектные документы MOS Technology.
В марте 1976 года теперь уже у независимой MOS Technology было неблагоприятное финансовое положение, что способствовало урегулированию дела. Компания отказалась от процессора 6501, выплатив 200 тысяч долларов и вернув документы, конфиденциально оспариваемые Motorola. В мае 1976 года Motorola снизила цену 6800 до 35 долларов, а в ноябре Commodore приобрела MOS Technology.

С юридическими неприятностями у MOS оставалась проблема заставить разработчиков покупать их процессоры. Это побудило Чака Педдла спроектировать одноплатный компьютер MDT-650. Другая группа внутри компании разработала KIM-1, который поставлялся без корпуса и устройств ввода-вывода, но позволял собрать компьютер менее, чем за 500 долларов — сама плата стоила 245 долларов и к ней можно было приобрести сторонний компьютерный терминал и компактный кассетный магнитофон. К удивлению MOS KIM-1 хорошо продавался как энтузиастам, так и инженерам.

KIM-1

Одним из первых общедоступных применений дизайна 6502 был компьютер Apple I, разработанный Стивом Возняком и продемонстрированный в апреле 1976 года в «Клубе самодельных компьютеров» в Пало-Альто. Затем был использован в Commodore PET и Apple II, выпущенных в 1977 году. Позже он использовался в 8-битных компьютерах семейства Atari, Acorn Atom, BBC Micro и других конструкциях как для домашних компьютеров, так и для бизнеса.

Невысокая стоимость процессора стала одной из причин доступности компьютеров для массового покупателя. Важным направлением использования процессора стали игровые приставки. Первопроходцем в использовании дизайн процессора в своих системах стала компания Atari в игровой приставке Atari VCS (позже известной как Atari 2600).

Atari VCS

VCS использовала модернизированную версию 6502 под названием 6507, которая имела меньшее количество выводов и, как следствие, могла адресовать только 8 Кб памяти. Консоль второго поколения появилась в продаже к Рождеству 1977 года и стала одной из самых распространённых игровых приставок в следующие двадцать лет. Было продано более сорока миллионов экземпляров.

Другим значимым применением была японская приставка Nintendo Famicom, в США, в Европе больше известная как Nintendo Entertainment System. В России продавали её клон — Dendy. Консоль завоевала практически весь американский и японский рынок. По официальным данным было продано более 60 миллионов экземпляров, но сколько их с учётом клонов — неизвестно. Сегодня приставку продолжают производить и продавать, но уже не Nintendo. Официально приставку поддерживали до 2003 года в Японии и до 1995 года в США.

Nintendo Entertainment System

Советская военная промышленность выпускала совместимый с 65C02 процессор 4К602ВМ1 для использования во встроенных системах

4К602ВМ1

Однако в советских персональных компьютерах Агат использовались процессоры 6502 зарубежного производства. Агат стал первым советским серийным 8-разрядным компьютером и был предназначен для использования в образовательной сфере. Его построили в Научно-исследовательском институте вычислительных комплексов на базе компьютера Apple. Производили компьютер с 1984 года, сборка продолжалась до 1993 года. В школах компьютеры использовали до 2001 года.

Агат

Несмотря на господствующее положение х86 в современном мире и победы архитектуры IBM PC, мы должны помнить об истории тех далеких микросхем, которые неизменно привели к тому, что микропроцессоры стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Внедрение этого легендарного чипа привело к быстрому снижению цен на всём рынке процессоров. Наряду с Zilog Z-80 он являлся основоположником ряда проектов, которые привели к революции домашних компьютеров в начале 80-х годов. И, несмотря на свой возраст, 6502 продолжает широко использоваться во встроенных системах с оценочными объёмами производства в сотни миллионов.

Видеоролик по статье: тык

© Habrahabr.ru