Signetics 2650

El Signetics 2650 fue un microprocesador de 8 bits presentado en julio de 1975. ^{[ 1 ]} Según el libro de Adam Osborne , An Introduction to Microprocessors Vol 2: Some Real Products , era "el microprocesador más parecido a una minicomputadora " de los disponibles en ese momento. Una combinación de funciones faltantes y un acceso a la memoria peculiar limitaron su atractivo, y el sistema tuvo poca acogida en el mercado.

En 1972, Jack Curtis de Signetics ^{[ a ]} contrató a John Kessler de IBM para dirigir el diseño de una nueva CPU de un solo chip destinada a competir con los sistemas de minicomputadoras . Kessler seleccionó la IBM 1130 como modelo para el nuevo diseño. La 1130, lanzada en 1965, era una minicomputadora de 16 bits que compartía muchas características de diseño con otras minicomputadoras de la época. ^{[ 2 ]}

Mientras que Kessler diseñó la arquitectura, Kent Andreas diseñó la CPU utilizando un proceso NMOS de implantación iónica de reciente desarrollo . A diferencia del proceso PMOS , mucho más común en aquella época, el NMOS consumía menos energía y disipaba menos calor. Esto permitía que el chip funcionara a velocidades superiores a las de los diseños de CPU PMOS, y los primeros 2650 funcionaban a la misma velocidad de 1,25 MHz que los modelos contemporáneos del 1130. ^{[ 2 ]} 

Cuando se diseñó en 1972, el 2650 se encontraba entre los diseños más avanzados del mercado, superando con creces en rendimiento y características a los Intel 4004 y 8008 de la misma época. A pesar de ello, el diseño no se lanzó a producción. En aquel momento, Signetics estaba muy involucrada con Dolby Laboratories , desarrollando circuitos integrados que implementaban el conjunto de sistemas de reducción de ruido de Dolby . La producción del 2650 se retrasó y la CPU no se presentó formalmente hasta julio de 1975. Para 1975, se habían presentado varias CPU nuevas, diseñadas desde el principio como máquinas de 8 bits en lugar de imitar un diseño anterior, y las ventajas del 2650 ya no eran tan convincentes. ^{[ 2 ]}

En 1975, Philips compró Signetics, y desde ese momento se pueden encontrar versiones del 2650 con la marca Signetics o Philips. ^{[ 2 ]}

En marzo de 1976, Signetics llegó a un acuerdo de proveedor secundario con Advanced Memory Systems (AMS). En aquel entonces, la mayoría de las empresas de CPU eran muy pequeñas y nadie compraría un diseño de una compañía que pudiera quebrar. El proveedor secundario era una garantía importante de que el diseño seguiría estando disponible en tal caso. AMS ya actuaba como proveedor secundario para el RCA 1802 , un diseño CMOS avanzado . El NMOS 2650 se consideraba un complemento útil que no competiría directamente con el 1802. Desafortunadamente, en noviembre, AMS fue adquirida por Intersil , que tenía su propio Intersil 6100 , una versión de un solo chip del PDP-8 mini. Intersil dejó de producir el 2650. ^{[ 2 ]}

Signetics lo intentó de nuevo con National Semiconductor en 1977, que planeaba lanzar versiones en el último trimestre del año. Por razones desconocidas, esto parece no haber sucedido nunca, y solo se ha encontrado un único ejemplar de una versión de NS, procedente de Francia. ^{[ 2 ]}

Signetics continuó el desarrollo del 2650, presentando dos nuevos modelos en 1977. El 2650A era una versión modificada del diseño original, con el objetivo de mejorar el rendimiento y, por lo tanto, reducir el costo. La velocidad se mantuvo sin cambios en 1,25  MHz para el modelo base y 2  MHz para las versiones -1. El 2650B se basó en el A, añadió dos nuevas instrucciones y mejoró el rendimiento de varias instrucciones existentes. ^{[ 2 ]}

El diseño general del 2650 se basó en el IBM 1130. Por lo tanto, el 2650 tiene varias características que eran comunes en las minicomputadoras de la década de 1960 , pero que rara vez se encontraban en los microprocesadores de nuevo diseño de la década de 1970. Entre estas, por ejemplo, estaban los bits de estado del procesador que se usaban para rastrear el estado de los dispositivos de entrada/salida , lo que simplificaba la escritura del código de interfaz. ^{[ 2 ]} Otra característica similar a la de las minicomputadoras era su uso de interrupciones vectorizadas , que permitía a los dispositivos llamar al código del controlador de interrupción correcto colocando su ubicación de memoria en el bus de datos y luego forzando una interrupción. Esto evita la necesidad de escribir un controlador de interrupción centralizado que lea datos adicionales del bus, determine qué controlador de dispositivo se está invocando y luego lo llame; el 2650 puede saltar directamente al código correcto, potencialmente almacenado en el propio dispositivo.

Los registros del procesador 2650 estaban divididos en conjuntos, con un único registro global R0 utilizado como acumulador y dos conjuntos de tres registros de índice , denominados R1, R2 y R3, para un total de siete registros. ^{[ 3 ]} Para mayor claridad, al segundo conjunto a veces se le denominaba R1', R2' y R3' ("primo"). En cualquier momento, la CPU podía acceder a uno de los dos conjuntos de índices. El conjunto visible se controlaba mediante un bit en el registro de estado , PSW. Era posible alternar fácilmente entre los dos conjuntos de registros con una sola instrucción. ^{[ 4 ]} Esto permitía un cambio rápido de valores durante las llamadas a subrutinas, los cambios de sistema operativo o el manejo de interrupciones. A diferencia del 1130, los registros eran de solo 8 bits en lugar de 16 bits, pero el 2650 tenía dos conjuntos en lugar de uno como el 1130. ^{[ 2 ]}

Otra de sus características similares a las de un mini-procesador fue el amplio soporte para el direccionamiento indirecto en la mayoría de las instrucciones. Muchas instrucciones requieren que se lean datos de una ubicación en la memoria; en la mayoría de las CPU de la época, esto sería un solo byte de datos almacenado en la memoria, referenciado por una ubicación de 16 bits. En el 2650, el bit más significativo de esa ubicación de 16 bits indicaba la indirección, lo que significaba que los datos no se encontraban en esa ubicación de la memoria, sino en la codificada en los 15 bits restantes de la dirección. ^{[ 4 ]} Este estilo de acceso permitía acceder a bloques de datos con mayor facilidad que en los sistemas que proporcionaban indirección únicamente mediante instrucciones especiales o registros de índice. Se podía recorrer la memoria incrementando el valor de la dirección almacenado en esa única ubicación de la memoria. Esto también resultó en la aplicación de un número considerable de instrucciones matemáticas a las direcciones, y para mejorar el rendimiento de estas operaciones, el 2650 incluyó una segunda unidad aritmético-lógica dedicada exclusivamente a los cálculos de direcciones. ^{[ 3 ]}

La desventaja de este enfoque era que el bit más significativo ya no formaba parte de la dirección, lo que significaba que el espacio de direcciones era de solo 15 bits, y la máquina solo podía acceder a un total de 32  KB de memoria. El espacio de direcciones se veía aún más limitado por el uso de otros dos bits de la dirección para indicar el modo de indexación para todas las instrucciones lógicas y aritméticas (es decir, sin bifurcación). Estos bits controlaban funciones como si la dirección debía incrementarse o decrementarse previamente, lo cual es extremadamente útil para construir bucles. Pero con todos estos bits ya contabilizados, solo 13 estaban disponibles para direcciones en estas instrucciones, lo que significaba que solo  se podían direccionar directamente 8 KB. Esto significaba que la memoria principal se dividía en cuatro  bloques de 8 KB. ^{[ 3 ]} Para acceder a la memoria fuera de los 8  KB donde se encontraba la instrucción, los bytes de datos a los que apuntaba debían contener una dirección indirecta, apuntando a alguna otra ubicación en la memoria. ^{[ 4 ]} Hacer esto forzaba otro ciclo de lectura de memoria, lo que ralentizaba el rendimiento.

Cuando se diseñó el 2650 en 1972, estas limitaciones en el espacio de direcciones no eran significativas debido al pequeño tamaño y al alto costo de la memoria RAM estática que se usaba habitualmente con estos procesadores. En aquel entonces, las máquinas solían tener 2 o 4  KB de RAM. Pero con el uso cada vez mayor de la RAM dinámica a partir de mediados de la década de 1970, las máquinas con 8 y 16  KB de RAM, y finalmente con 64  KB, se volvieron comunes y el sistema de direccionamiento del 2650 se convirtió en un obstáculo importante.

El 2650 también contenía una pila de llamadas en el chip , en lugar de la solución más común que reserva una ubicación en la memoria para almacenar la pila. El puntero de pila se almacenaba en tres bits en el PSW. Una pila en el chip es mucho más rápida, ya que se puede acceder a los datos directamente sin esperar a que se lean de la memoria externa, pero también ocupa espacio en el chip y siempre está limitada en tamaño debido a compromisos prácticos. En el 2650, la pila de direcciones de retorno tenía ocho entradas de 15 bits de profundidad. ^{[ 3 ]} Esto permitía a los programas anidar subrutinas hasta ocho niveles.

Aunque existían nueve modos de direccionamiento diferentes , la falta de registros de 16 bits y el espacio de direcciones de 13 a 15 bits impidieron su uso generalizado. A pesar de esto, estaba disponible un sistema operativo ("2650 DOS") ^{[ 5 ]} , junto con intérpretes BASIC de  8 KB y 12  KB (vendidos por Central Data Corporation USA) y muchos juegos del estilo Hunt the Wumpus . La mayoría de los programas estaban escritos en lenguaje ensamblador .

Signetics vendió placas de desarrollo de microprocesadores basadas en el 2650 , primero la PC1001 ^{[ 6 ] [ 7 ]} y luego su sucesora, la PC1500 "Adaptable Board Computer", con precios que oscilaban entre 165 y 400 dólares australianos. El chip por sí solo se vendía por unos 20 dólares australianos. Se publicaron varios proyectos de construcción de hardware y artículos de programación en revistas como Electronics Australia y Elektor , y los kits relacionados se vendían en tiendas de electrónica. Estos factores propiciaron su uso por parte de numerosos aficionados en muchos países como Australia, Estados Unidos ^{[ 8 ]} , Reino Unido, Países Bajos ^{[ 9 ]} y Alemania ^{[ 10 ] .}

Dos tipos de consolas de videojuegos utilizaban el Signetics 2650 o 2650A. El primer grupo de consolas se basaba en el controlador de pantalla de vídeo Signetics 2636 ; la Interton Video Computer 4000 (1978) y variantes del 1292 Advanced Programmable Video System (1979) pertenecen a este grupo. El segundo grupo de consolas se basaba en el Signetics 2637 como controlador de pantalla de vídeo ; la Emerson Arcadia 2001 , lanzada en 1982 y que utilizaba un Signetics 2650 a 0,895 MHz como CPU, pertenece a este grupo junto con muchas otras compatibles por software (Leonardo, Hanimex MPT-03, etc.). ^{[ 11 ]} 

Al menos seis videojuegos que funcionaban con monedas se lanzaron en la década de 1970 que usaban la CPU 2650: Atari's Quiz Show , Meadows Games 3D Bowling , Gypsy Juggler y Lazer Command , Cinematronics Embargo y un clon de Space Invaders de 1978 de la compañía italiana Zaccaria llamado The Invaders (el original de Taito usa una CPU Intel 8080 ). Al menos dos videojuegos que funcionaban con monedas se lanzaron en la década de 1980 usando la 2650: Hunchback y Hunchback Olympic .

Zaccaria también lanzó 28 máquinas de pinball basadas en la CPU 2650. Su sucesora, MrGame, lanzó cuatro máquinas de pinball adicionales que utilizaban la 2650. Al parecer, Zaccaria también cedió la licencia de su diseño a Technoplay, y se lanzaron varias máquinas de pinball más utilizando variaciones de los diseños de placas de circuito de Zaccaria.

El procesador también se utilizó en el Signetics Instructor 50 , que era un pequeño ordenador diseñado para enseñar el uso y la programación de la CPU 2650.

El 2650 también se utilizó en algunos equipos de gran tamaño, como el Tektronix 8540, un sistema de desarrollo de software para microprocesadores que admitía diversas tarjetas de emuladores en circuito , memorias de traza y analizadores lógicos para la depuración en tiempo real de sistemas de microprocesadores, tal como se practicaba en la década de 1980. El 2650 proporcionaba las funciones básicas del sistema operativo, la transferencia de datos y la interfaz con un ordenador anfitrión o un terminal serie.

El procesador era el más adecuado como microcontrolador, debido a su amplio soporte de E/S:

• Pines de entrada/salida de un solo bit en el procesador (bits de detección/bandera)
• Señales para direccionar directamente dos puertos de E/S de 8 bits (puertos de control y de datos) mediante instrucciones de un solo byte ( E/S de puerto ). Esto evitó el complejo hardware que otros sistemas necesitaban para la E/S mapeada en memoria.
• Señales para direccionar otros 256 puertos de E/S usando una dirección de 8 bits e instrucciones de dos bytes, lo que nuevamente limita la cantidad de hardware (decodificación de direcciones) requerido. Philips enfatizó este uso como microcontrolador con un programa de demostración que mostraba el 2650 controlando un sistema de ascensor inteligente. Además, en ferias comerciales mostraron el 2650 controlando un robot miniatura de "clasificación y apilamiento".

Durante un breve período a partir de 1979, Philips vendió una computadora modular 2650 llamada 'IMS' – Industrial Microcomputer System, ^{[ 12 ]} basada en el formato Eurocard en un rack de 19". Incluía módulos de CPU , PROM, RAM , entrada, salida y teletipo. Este sistema fue concebido como un controlador lógico programable más inteligente . Para su desarrollo, posteriormente se añadieron los módulos DEBUG, DISPLAY, INTERRUPT y MODEST (programador de (E)PROM). 

El modelo 2650 se suministraba en una carcasa DIL de plástico o cerámica de 40 pines . Requería una señal de reloj externa monofásica y una única fuente de alimentación de 5 V.

El 2650 tenía muchas características inusuales en comparación con otros microprocesadores de la época:

• Se trataba de un microprocesador NMOS de 8 bits totalmente estático. Su naturaleza estática era inusual para la época y permitía detener el procesador simplemente interrumpiendo la señal de reloj. Los programadores aprovechaban esta característica para ejecutar un programa paso a paso, utilizando un interruptor de botón para generar los pulsos de reloj.
• La característica distintiva de la pila de 8 niveles y 15 bits de ancho para las direcciones de retorno de subrutinas e interrupciones era su integración en el procesador. El puntero de pila utilizaba 3 bits del registro de estado superior. Esto significaba que las subrutinas e interrupciones solo podían anidarse hasta 8 niveles de profundidad.
• El procesador solo disponía de 13 líneas de dirección reales; otras 2 estaban conectadas a un registro de página de 2 bits, lo que resultaba en un espacio de direcciones de 32 KB. El registro de página se activaba al ejecutar una instrucción de salto absoluto (directo), que utilizaba una dirección completa de 15 bits. Todas las instrucciones lógicas y aritméticas utilizaban una dirección de 13 bits, incrementada por el contenido del registro de página, lo que limitaba su alcance a una página de 8 KB. Estas dos líneas de dirección superiores también se utilizaban (multiplexadas) para seleccionar el puerto de E/S adecuado durante las operaciones de E/S (puerto de control, puerto de datos o puerto extendido).
• Aunque el 2650 solo tenía una entrada de interrupción, esta era una interrupción vectorizada: el dispositivo que generaba la interrupción debía colocar un desplazamiento relativo a cero en el bus de datos, que se usaría como operando de una instrucción ZBSR (salto a subrutina relativo a cero) para saltar a la rutina de interrupción especificada. Por lo tanto, usando direccionamiento indirecto, se podían almacenar un máximo de 30 vectores de interrupción en los primeros 64 bytes de memoria. (Los primeros tres bytes eran necesarios para almacenar un salto incondicional a la rutina de reinicio). Esta interrupción vectorizada también recuerda a la minicomputadora PDP-11 .

Aunque el 2650 es básicamente un microprocesador de 8 bits, hasta tres bits de las direcciones se utilizaban junto con las instrucciones de 8 bits para formar códigos de operación más largos. 64 códigos de operación tienen 9 bits de longitud, y otros 32 tienen 11 bits. De los 128 códigos de operación de 8 bits restantes, se implementan 124 (126 en el 2650B), lo que da un total de 444 (446) instrucciones.

Se dispone de muchas más instrucciones, ya que el comportamiento de las instrucciones estándar puede modificarse activando o desactivando los bits de estado: WC (con o sin acarreo) y COM (comparación lógica o aritmética). Esto duplicó el número de instrucciones de rotación, suma, resta y comparación.

El conjunto de instrucciones es fuertemente ortogonal : todas las instrucciones lógicas y aritméticas pueden utilizar los nueve modos de direccionamiento:

• registro
• inmediato
• PC relativo y PC relativo indirecto
• absoluto y absoluto indirecto
• indexación absoluta, indexación absoluta con autoincremento e indexación absoluta con autodecremento, tanto directa como indirecta.

La parte más significativa de todas las direcciones relativas y absolutas se utiliza para indicar la indirección .

Las únicas excepciones se dan cuando los códigos de operación de operaciones sin sentido se utilizan para otros fines:

• El código de operación para AND registro cero con registro cero se utiliza para la instrucción HALT.
• El código de operación para almacenar el registro cero en el registro cero se utiliza para la instrucción NOP .

Aunque la LODZ R0instrucción (cargar registro cero con registro cero) es compatible con el ensamblador de Signetics, su codificación binaria no está permitida. En su lugar, el ensamblador sustituye la instrucción semánticamente equivalente por la binaria IORZ R0.

• Versión original 2650 con  una frecuencia de reloj máxima de 1,25 MHz.
• Versión mejorada del 2650A (modificaciones menores en la fabricación para mejorar la estabilidad)  Frecuencia de reloj máxima de 1,25 MHz
• 2650A-1 igual que el 2650A con  una frecuencia de reloj máxima de 2 MHz.
• 2650B
• 2650B-1 igual que el 2650B con  una frecuencia de reloj máxima de 2 MHz.

El modelo 2650B presentó los siguientes cambios y mejoras con respecto al modelo 2650A: ^{[ 13 ]}

• Dos nuevas señales : "Habilitación del bus" en el pin 15 y "Último ciclo" en el pin 25, que marca el ciclo de búsqueda de instrucciones. ^{[ 14 ]} 
• Los bits superiores 3 y 4 de la palabra de estado del programa son indicadores de usuario configurables y comprobables (no se utilizan en el 2650A).
• Two new instructions STPL and LDPL to save and restore the lower status register from memory in order to simplify interrupt processing.
• Las instrucciones del registro R0 de un solo byte se ejecutan más rápido (un ciclo en lugar de dos).

En 1975, Signetics fue vendida a Philips y el 2650 se incorporó posteriormente a la línea de productos de Philips Semiconductors . Fabricaron una versión del 2650 denominada MAB2650A. Valvo, una filial de Philips, vendió el 2650 en Alemania. Valvo también vendió el ordenador 2650 de placa única VA200 (Eurocard) con 4  KB de PROM/EPROM, 1  KB de RAM y cuatro puertos de E/S. ^{[ 15 ]}

Otros productores de copias con licencia del chip fueron Harris e Intersil .

El modelo 2650 venía con un conjunto completo de chips periféricos:

• Codificador de vídeo 2621 (PAL)
• Codificador de vídeo 2622 (NTSC)
• Interfaz de vídeo programable 2636
• Interfaz de vídeo universal 2637
• Interfaz de comunicación programable 2651
• 2652 Circuito de comunicaciones multiprotocolo (incl. control de enlace de datos síncrono (SDLC))
• 2653 Generador/Verificador de polinomios
• 2655 Interfaz periférica programable
• 2656 SMI (Interfaz de memoria del sistema)
• 2657 Acceso directo a memoria
• 2661 Interfaz de comunicación programable mejorada (EPCI)
• Generador de caracteres y gráficos para pantalla 2670
• 2671 Teclado programable y controlador de comunicaciones
• Controlador de temporización de vídeo programable 2672
• 2673 Controlador de atributos de vídeo

Muchos de estos chips periféricos fueron diseñados para que también pudieran usarse con otros microprocesadores; por ejemplo, la hoja de datos del 2672 sugiere usarlo con un microcontrolador Intel 8048 .

La nota técnica 083 de Philips describe cómo conectar el PCI 2651 a varios otros microprocesadores, como el 8080, 8085, Z80, 8048 y 6800.

Los descendientes de los chips de comunicaciones serie 2651/2661 todavía se venden bajo la serie Philips SC26.

El 2656 fue diseñado específicamente para complementar e interactuar con el 2650 y hacer posible una computadora de dos chips. Contenía todo lo que le faltaba al 2650 para ser una computadora completa: ^{[ 16 ]}

• Memoria de programa ROM programable por máscara de 2  KB y 8 bits
• Memoria RAM de 128 bytes y 8 bits
• Generador de reloj con cristal o red RC
• Reinicio al encender
• Ocho pines de E/S de propósito general

Los pines de E/S podían utilizarse como un puerto de E/S de 8 bits o programarse para generar señales de habilitación para memoria RAM, ROM o puertos de E/S adicionales. Esto se logró mediante la programación por máscara de una matriz lógica programable en el microcontrolador 2656.

Para desarrollar y probar el diseño antes de llevarlo a producción, Philips vendió la PC4000, una placa emuladora del 2656 que utilizaba PROMs y FPLAs para emular la ROM y la PLA del 2656.

• 2650 emuladores
• Ficha de datos
• Mundo de las CPU de la familia Signetics 2650
• Instructor 50 Old-computers.com
• Sistema de desarrollo de ordenador de placa adaptable completo con monitor PipBug de 1 KiB y 512 bytes de RAM.
• El 2650 en www.cpu-museum.com (archivado)
• Placa Electronics Australia 2650 en yesterdaystechnology.com
• Signetics 2650: Una retrospectiva de IBM en un chip en el Museo CPUSHACK (16 de octubre de 2016)
• Zaccaria Los Invasores en el Museo del Juego
• Un ensamblador cruzado 2650 está disponible en https://shop-pdp.net/index.php