Para poder desarrollar para Mega Drive, necesitamos conocer su arquitectura para poder evitar problemas a la hora de crear nuestros juegos; si conocemos bien cómo funciona, podemos evitar problemas de memoria, cuellos de botella, etc...
A la hora de trabajar con estos sistemas con pocos recursos, cuanto más conozcamos la arquitectura, mejor podremos optimizar nuestro código y nuestro juego será más ligero. No solo necesitaremos conocer la arquitectura del propio procesador; sino que también es bueno conocer los distintos elementos que podemos encontrar en una Mega Drive.
En este capítulo, vamos a estudiar cada uno de los elementos que componen la Mega Drive y la arquitectura de cómo se conectan cada uno de ellos, además de sus funciones y características.
Además de cada componente se comentarán sus capacidades y funciones tanto en Modo Mega Drive, como en retrocompatibilidad a la hora de ejecutar juegos de Sega Master System.
Para comprender mejor su arquitectura, vamos a mostrar en primer lugar, un esquema con cada uno de los componentes y cómo se conectan.
Arquitectura de una Mega Drive
Como podemos ver en la imagen anterior, La Mega Drive, se compone de una serie de elementos conectados por distintos Buses; uno de 16 bits y otro de 8 bits. Veamos los elementos que se compone:
- CPU Motorola 68000: CPU principal de la Mega Drive
- RAM 64kb: Memoria RAM para programa.
- ROM: Memoria ROM externa (cartucho); se comunica por el slot superior.
- Accesory Port: Puerto Auxiliar de la parte inferior (Mega CD).
- VDP: Chip gráfico de la Mega Drive, compuesto por varios elementos:
- VDP: Chip con todo lo necesario para los gráficos y elementos a mostrar.
- PSG: Chip de sonido auxiliar para 8 bits.
- VRAM 64Kb: RAM dedicado al VDP para almacenar los elementos gráficos.
- CPU Z80: Co-Procesador Zilog Z80. Encargado de ejecutar los juegos de Sega Master System y orquestar el sonido.
- Sound RAM 8Kb: RAM dedicado al sonido utilizado por el procesador Z80 y los chips de sonido.
- YM2612: Chip de sonido FM, dedicado a dar sonido a la Mega Drive.
- Controlador E/S: Controlador de los controladores y distintos dispositivos externos.
- Árbitro Bus: Controlador de los distintos Bus.
Principal procesador de la Mega Drive, el Motorola 68000 (MC68000) es un procesador de 16/32 bits de la familia de CISC; se trata del primer modelo de procesador de la familia m68k capaz de direccionar instrucciones de 32 bits. Recibe su nombre por el número de transistores que contiene. El procesador de la Mega Drive, tiene una frecuencia de 7,61Mhz (PAL) o 7,67Mhz (NTSC).
Este procesador tiene una arquitectura basada en 2 bancos (uno para datos y otro para punteros) de 8 registros de 32 bits; además de tener un contador de programa de 32 bits y un registro de estado de 16 bits. También tiene un bus externo de 24 bits capaz de direccionar hasta 16MB de memoria.
El Motorola 68K tiene distintos registros separados tanto para trabajar con datos, como con punteros. Siendo este último tipo donde se almacena de forma duplicada el puntero de la pila. Uno en modo usuario, y otro en modo supervisor.
Además de tener dos ALU (sin soporte a coma flotante), para poder trabajar con datos y punteros a la vez.
Otro aspecto importante es que este procesador tiene distintos modos de trabajo (normal, parada y excepción); siendo el último modo, es importante ya que permite manejar señales internas y externas (interrupciones); de tal manera que nos ayudará a trabajar con las distintas señales que podemos mandarle.
Este procesador fue utilizado por distintas marcas:
- Apple (Los primeros Macintosh 1).
- Atari (Los Atari ST 2, utilizaban este procesador).
- Commodore (Los ordenadores Amiga 3 1000, usaban este procesador).
- SNK (utilizado por la consola Neo Geo 4).
La memoria principal de la Mega Drive o la RAM de programa, tiene una capacidad de 64 Kb (8KB); permite almacenar la información del programa y además se utiliza para mandar la información de la ROM a la VRAM (a través del DMA).
La memoria tiene una capacidad de 16 bits de palabra (2x8bits) de tipo PSRAM 5, la cual tiene una latencia de 190ns (5.263157 MHz de frecuencia) con una latencia de acceso por parte de la CPU de 200-263 ns. Teniendo un ancho de banda la memoria principal para 16 bit de 10,526314 MB/s.
La memoria ROM o propiamente dicho el "cartucho", es donde se almacenará la información del juego. Normalmente, es un chip de tipo EPROM o EEPROM (aunque los actuales cartuchos pueden ser Memoria Flash), donde se almacena el juego tanto el propio código, como todos los gráficos y recursos del juego.
La lectura de este cartucho, se hace por el slot de la parte superior de la Mega Drive; solo hay que insertar los contactos por la ranura que podemos ver en la parte superior. Normalmente un cartucho estándar, tenía un ancho de banda de 10MB/s (aunque había algunos de 15,20-15,34 MB/s); además de tener en cuenta que el acceso del 68k a la rom normalmente tenía una velocidad de 5MB/s.
El cartucho básico que estamos acostumbrados a ver en Mega Drive tiene una capacidad de 32Mb (4MB), y además puede tener una pequeña RAM (SRAM) a través de una pila de botón CR2302. Existen cartuchos con más funcionalidades, como el conocido Sonic & Knuckles que tenía la ranura superior Lock On. Además de otros cartuchos con algunas funcionalidades extendidas como puede ser el Virtua Racing 6; que ampliaba la capacidad de la Mega Drive, gracias a un chip con un DSP 7 personalizado.
Como hemos dicho, por defecto un cartucho de Mega Drive tiene un tamaño máximo de 32Mb, sin embargo, esto era ampliable añadiendo funcionalidad extra al cartucho, como es el caso del Street Fighter el cual ampliaba el cartucho añadiendo distintos chips y usando un mapper, podía cambiar de banco de memoria ROM. Este "Mapper" conocido como Sega Standard Mapper, ha sido reutilizado en algunos juegos Homebrew actuales y permiten ampliar el tamaño disponible.
Cartucho ROM PCB
El VDP, es el chip gráfico que permite a la Mega Drive, poder mostrar todo su potencial. Se trata de un chip integrado Yamaha YM7101; (junto con el chip de sonido PSG, conforman el circuito integrado Sega-Yamaha IC6).
El VDP de la mega drive es una evolución de su predecesor de la Sega Master System. Amplía funcionalidad y aumenta su potencia. El chip VDP tiene una frecuencia de reloj de 13,423294Mhz para NTSC y de 13,300856Mhz para Sistemas PAL 8.
Estaba conectado a través del un bus de 16 bit al Motorola 68K y permitía distintas resoluciones:
- Modo Normal: 320x224,256x224 para NTSC y 320x224, 256x224, 320x240 y 256x240 para PAL.
- Modo Entrelazado: 320x448,256x448,320x480 y 256x480 que era utilizado por distintos juegos como el modo 2 jugadores de Sonic 2.
El VDP tenía capacidad de hasta 4 planos:
- 2 planos para Scroll.
- 1 Plano Ventana (Window).
- 1 plano para Sprites.
Los planos de Scroll (A y B) estaban basados en Tiles (imágenes de 8x8 píxeles) que permitían poder formar distintas imágenes a partir de estos pequeños trozos. Normalmente basados en un TileMap, con un tamaño de hasta 1024x256.
El VDP, también tenía soporte para Sprites, pudiendo almacenar hasta 80 sprites, teniendo 20 sprites por línea, con 16 colores por sprite, teniendo un tamaño máximo de 1280 Tiles (combinando distintos Sprites), combinando Sprites de 16 tamaños distintos.
El VDP podía mostrar hasta 512 colores, mostrando por pantalla entre 61-64 colores. Aunque se podía ampliar usando técnicas de sombreado o resaltado (Shadowing / Highlighting); con 16 colores (4 bit) por píxel. Además de estar almacenados en 4 paletas de 16 colores.
En cuanto a la memoria, el VDP tenía a su disposición 64KB de RAM de vídeo, el cual permitía tener almacenados bastantes tiles (teniendo en cuenta que está conectado por un bus de 16 bit a la ROM y con capacidad de usar el DMA). La memoria estaba dividida en:
- 2KB a 8KB para el plano A.
- 2Kb a 8KB para el plano B.
- 2KB a 4KB para el plano Window.
- Hasta 40KB para almacenar Sprites.
Además, el VDP tenía una caché de 232 bytes para operaciones.
Adicionalmente, gracias al DMA 9, se podía enviar la información de la ROM a la VRAM (y a la RAM), sin necesidad de pasar por la CPU.
El Z80 o Zilog Z80, es un procesador de propósito general que fue fabricado por Zilog a partir de 1976 fue diseñado para ordenadores de escritorio y para embebidos.
Este procesador tiene una arquitectura parecida al Intel 8080, ya que fue diseñado por un ex-empleado de Intel. Es un procesador de la familia CISC que tiene una longitud variable de instrucciones; las cuales pueden tener una longitud de entre 1 y 4 bytes. Tiene 20 registros de 8 bit y 4 de 16 bit (PC, SP, IX, IY), además de tener una ALU de 8 bits.
Es el procesador utilizado en muchos dispositivos; como:
- ZX Spectrum de Sinclair 10.
- Neo Geo Pocket 11 y Neo Geo Pocket Color.
- Nintendo Game Boy 12 usando una versión clónica (GB-Z80).
- Sega Master System y Sega SG-100(con un procesador compatible).
El procesador Z80 de la Sega Mega Drive, tiene una frecuencia de reloj de 3,579545Mhz(NTSC) y 3,546894Mhz (PAL); conectado a un bus de 8 bits.
Tiene acceso a una memoria de 8KB que se utilizará como RAM de sonido, ya que el Z80 se puede utilizar para orquestar el sonido o como co-procesador.
Además, el Z80 permite retrocompatibilidad con los juegos de Sega Master System de tal forma que no es necesario un hardware adicional (pero si un adaptador para el slot).
Dentro del chip del VDP, podemos encontrar tanto el chip dedicado a los gráficos como un chip de sonido de 8 bits dedicado tanto a dar sonido a la Mega Drive (para sonido 8 bit), como para usarse como chip de sonido en los juegos de Master System.
Hoy en día, este chip aún sigue utilizándose en proyectos de electrónica casera como el proyecto Durango.
El chip de sonido PSG es un chip personalizado por parte de SEGA llamado PSG (SN76496) que está conectado al reloj del propio Z80, es el mismo chip que tenía la Master System.
Este chip nos permite crear 4 canales de audio:
- 3 canales para generar curvas de sonido cuadrada13.
- Un canal de sonido para generar ruido.
Este chip se podía utilizar tanto por el 68k, como por el Z80 de tal forma que se podía generar sonido extra.
Sin embargo, no olvidemos que uno de los puntos fuertes de la Mega Drive, es el sonido estéreo FM. El cual se generaba con el otro chip de sonido. El Yamaha YM2612.
Chip de sonido principal de la Mega Drive, este chip permitía a la Mega Drive, generar sonido FM gracias al chip Yamaha YM2612, que estaba conectado al reloj del 68k.
Permitía generar 6 canales FM de audio, que daban una señal de salida de 53,267Khz(NTSC) y 52,781Khz (PAL).
También permitía generar con otra configuración 5 canales de audio FM, y 1 canal para PCM 14.
Este chip podía utilizarse a través del Z80 que era el que orquestaba el sonido junto al chip PSG; estos chips junto al Z80, estaban conectados a un bus de 8 bits; que conectaban con la RAM de sonido de 8Kb de tamaño.
En las Mega Drive modelo 1, el sonido de salida por la televisión, era sonido Mono; pero tenía un conector jack, que generaba sonido estéreo (además de un control de volumen en la propia consola).
Los modelos 2 y 3 de la Mega Drive, tenían sonido estéreo por la salida de televisión, pero ya no tenía este conector. Además de que algunos modelos tenían una versión clónica del YM2612.
Una parte importante a la hora de tener una videoconsola, es poder utilizar periféricos y controladores. La Sega Mega Drive, tenía incorporados dos puertos tipo Atari (tipo DE9); estos puertos permiten conectar tanto los controladores de 3 como de 6 botones; además de otros periféricos.
En los primeros modelos de Mega Drive en la parte posterior, se permitía conectar un puerto serie. Este era usado por el Mega Modem para poder conectar la Sega Mega Drive a Internet a través de la línea telefónica.
En principio, solo se permitían conectar 2 controladores a la Mega Drive por los distintos puertos que tenía disponible la Mega Drive. Sin embargo, había cartuchos especiales (J-CART) que tenían dos puertos adicionales en el propio cartucho; permitiendo hasta 4 jugadores.
Todo esto era realizado por el controlador de Entrada-Salida. Este controlador estaba conectado tanto al bus de 16 bits, como al de 8 bits para poder acceder tanto en modo Mega Drive, como en modo retrocompatible con Master System.
Una de las partes importantes de la Mega Drive, fue su capacidad de ampliarse; gracias entre otros a su accesorio Mega CD.
Este accesorio, permitía aumentar las capacidades tanto de cálculo, gráficos e incluso sonido gracias a tener acceso a un lector de CD-ROM.
El conector para la Mega CD, estaba situado en la parte inferior derecha y conectaba a través de unos pines. Este conector está conectado al bus de 16 bits para poder ser accedido a través del Motorola 68000.
- Sega Retro; especificaciones técnicas: https://segaretro.org/Sega_Mega_Drive/Technical_specifications.
- Mega Drive Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Mega_Drive.
- Proyecto Durango: https://durangoretro.com.
Footnotes
-
Macintosh es una marca registrada de Apple Inc. ↩
-
Atari ST es una marca registrada de Atari Interactive. ↩
-
Amiga y Commodore son marcas registradas de Commodore International. ↩
-
Neo Geo es una marca registrada de SNK Corporation. ↩
-
PSRAM (Pseudostatic RAM) es un tipo de memoria RAM que permite tener incluido en su circuitería todo lo necesario para refrescar la memoria y direccionarla. ↩
-
Virtua Racing es un juego desarrollado por Sega AM2. ↩
-
DSP; procesador digital de señales. ↩
-
Los Sistemas NTSC y PAL son sistemas de color que se usaban en distintos países a la hora de mostrar por pantallas CRT normalmente. ↩
-
DMA (Direct Memory Access) permite pasar información a través del bus sin necesidad de interactuar con la CPU; sin embargo el bus de la CPU, RAM y DMA era compartido por lo que podía haber cuellos de botella. ↩
-
Zx Spectrum y Sinclair son marcas registradas de Sinclair Research Ltd. ↩
-
Neo Geo Pocket y Neo Geo Pocket Color son marcas registradas de SNK. ↩
-
Nintendo Game Boy es una marca registrada de Nintendo Entertainment ltd. ↩
-
Se conoce como onda cuadrada una señal que pasa entre dos valores, sin pasar por valores intermedios. Se suele utilizar en electrónica y en corriente alternas. ↩
-
Sonido PCM (modulación por impulsos codificados). Es un procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica (sonido) en una secuencia de Bits. ↩