MOS 6502

El 6502 fue diseñado primariamente por el mismo equipo que había diseñado el Motorola 6800. Después de abandonar el grupo Motorola, rápidamente diseñaron el 6501, un diseño totalmente nuevo que era sin embargo compatible a nivel de pines con el 6800. Motorola les demandó inmediatamente, y aunque hoy en día el caso habría sido descartado inmediatamente, el daño a MOS fue lo bastante grande para que acordaran parar la producción de los 6501.

El resultado fue el 6502, el cual no podría causar un litigio legal con Motorola, ya que por un diferente ordenamiento de sus patillas, era inutilizable en una tarjeta madre para el 6800. Sin embargo esto dejó a MOS Technology con el problema de conseguir nuevos desarrolladores para el sistema, así que en respuesta el ingeniero Chuck Peddle diseñó el KIM-1 una computadora en una sola placa. Para su sorpresa, el KIM-1 se vendió en cantidades enormes a los aficionados y a las personas que les gustaba experimentar, y también entre los ingenieros para los cuales fue pensado. El AIM 65, un sistema de control, entrenamiento, y desarrollo, manufacturado por Rockwell también se vendió bien. Otro diseño más o menos similar fue el Synertek Sync.

Publicidad introductoria para los microprocesadores MOS Technology MCS6501 y MCS6502.

El 6502 fue lanzado al mercado en una feria tecnológica en septiembre de 1975. El precio era de US$25 ($125,9 en 2023), mientras que el 6800 y el 8080 se vendían por US$179 ($901,42 en 2023). Al principio, mucha gente pensaba que era alguna clase de fraude, pero antes de que la feria terminara, tanto Motorola como Intel habían bajado sus precios a US$79 ($397,83 en 2023). Ahora el 6502 estaba legitimado y comenzaba a venderse por cientos.

Uno de los primeros usos «públicos» para el diseño fue la videoconsola Atari 2600. Los 2600 utilizaron un descendiente del 6502 llamado 6507, que tenía menos pines y como resultado podía direccionar solamente 8 KB de memoria RAM. Millones serían vendidos en esta forma. El 6502 luego fue usado en la familia del Apple II, y entonces rápidamente apareció en varios computadores personales como el Commodore PET, Commodore VIC-20, la familia Atari de 8 bits, la familia BBC Micro, y un enorme número de otros diseños ahora perdidos en la historia. El 6510, un sucesor directo del 6502, fue la CPU usada en el extremadamente popular computador personal Commodore 64.

Otro uso importante del 6502 fue en el Nintendo Famicom, una videoconsola japonesa. Su equivalente estadounidense y europeo, el Nintendo Entertainment System (NES), también tenía el 6502. El 6502 usado en el NES eran una versión modificada, que fue producida solamente para los Nintendo, llamada 2A03 en las consolas NTSC y 2A07 en las consolas PAL, la diferencia entre los dos era el divisor frecuencias del reloj. El procesador personalizado para el NES careció del modo decimal del 6502 pero agregó 22 registros de memoria mapeada para la generación del sonido, la lectura del joypad (control del juego) y el DMA para los sprites.

El eficiente diseño del 6502 también inspiró a los principales diseñadores del ARM, un procesador RISC, y así se puede decir que la herencia del 6502 ha trascendido la familia original del procesador puesto que su espíritu vive en el diseño del ARM, usado en varios computadores de escritorio así como una plétora de sistemas de mano (hanheld) y de otros empotrados (embedded), y vendido como bloque de IP para ser usado en productos tipo System on a chip.

Troquel del procesador 6502. La sección regular en la parte superior es la ROM de decodificación de instrucciones, la sección aparentemente aleatoria en el centro es la lógica de control y en la parte inferior están los registros (derecha) y la UAL (izquierda). Las conexiones del bus de datos se encuentran en la parte inferior derecha y el bus de direcciones en la parte inferior e inferior izquierda.

Configuración de pines del 6502 (DIP de 40 Pines).

El 6502, un microprocesador de 8 bits con un bus de dirección de 16 bits, fue lanzado en septiembre de 1975 por MOS Technology. La lógica interna corre a la misma velocidad que la frecuencia del reloj externo, pero las aparentemente lentas velocidades de reloj, normalmente 1 MHz, eran realmente competitivas con otras CPU corriendo cuatro veces más rápido, porque el 6502 era un procesador pipeline, y los otros de su época fueron microcodificados y tenían velocidades comparables con la del 6502. El reloj del Z80, por ejemplo, necesita 4 ciclos para leer una instrucción. Aunque esto puede sonar como un «truco», el 6502 tenía el efecto secundario de bajar los requerimientos de velocidad de los periféricos unidos a la CPU, bajando de esta manera el coste total del sistema, un importante factor para conseguir un diseño ganador en los muy sensibles mercados de las consolas de juegos y los computadores personales. Cuenta con 3510 transistores.

A diferencia del Intel 8080 y de similares microprocesadores, el 6502 tenía muy pocos registros. En ese tiempo, la memoria RAM era más rápida que las CPU, así que tenía sentido optimizar el acceso a RAM más que aumentar el número de registros en el chip. Dentro del 6502 había un registro acumulador «A» de 8 bits, dos registros índice «X» e «Y» de 8 bits, un registro de estado «SR» de 8 bits, un puntero de pila «SP» de 8 bits, y un contador de programa «PC» de 16 bits. El espacio de dirección de la pila para llamadas a subrutinas o almacenamiento temporal estaba fijado por hardware a la página $01 de la memoria, es decir la gama de direcciones $0100-$01FF (256-511). El acceso del software a la pila se hacía mediante cuatro instrucciones con modo de direccionamiento implícito cuya función era colocar o retirar un elemento en la pila (Push o Pop). Había instrucciones Push y Pop para el contenido del acumulador o para el registro de estado del procesador.

El chip utilizó los registros del índice y de la pila efectivamente con varios modos de direccionamiento, incluyendo un rápido modo de «página directa» o «página cero» que accedía a posiciones de memoria de las direcciones 0 a 255 (00 a FF hexadecimal) con una sola dirección 8 bits (no tenía que leer un segundo byte para la dirección). El código para el 6502 utilizaba mucho la página cero, tanto como el código para otros procesadores habrían usado sus registros. En la mayoría de los microcomputadores basados en el 6502 con un sistema operativo, el sistema operativo en sí mismo utilizaba casi completamente la página cero, dejando quizás un puñado de localizaciones para el usuario.

Los modos de direccionamiento también incluían:

• implied (instrucciones de 1 byte)
• absolute (3 bytes)
• relative (2 bytes)
• acumulador (1 byte)
• indirect, x e indirect, y (2 bytes)
• immediate (2 bytes)
• indexado, X e indexado, Y (2 o 3 bytes, dependiendo de que la base esté en la página cero o no)

El modo absoluto era un modo de uso general. El modo relativo era usado para instrucciones de bifurcación condicional que podrían mover el contador de programa hasta 128 bytes adelante o atrás. El modo acumulador usó el acumulador como una dirección efectiva, y no necesitaba ningún dato de operando. El modo inmediato utilizaba un operando literal de 8 bits.

Los modos indirectos eran útiles para procesamiento de vectores y otras operaciones repetitivas con bucles. Con el modo indirecto, y el registro Y, de 8 bits, era agregado a una base de 16 bits localizada en la página cero de la memoria (un byte en el opcode denotaba la localización de página cero). Los registros de 8 bits X e Y eran usados como offset (desplazamiento) más que su uso 'normal' como registros índice. El incremento de X o Y para caminar por la matriz era una operación de 8 bits de dos ciclos, aunque la matriz pudiera estar situado en cualquier parte del espacio de dirección 16 bits (obteniendo la base de 16 bits leída de la página cero). Aquí es donde el 6502 se diferencia más del Motorola 6800. Un superficial vistazo en las especificaciones del 6502 mostrando que había solamente registros de índice de 8 bits es absolutamente engañoso.

• Los 6502 son notorios por tener una variedad de instrucciones indocumentadas, que variaban de un diseño al siguiente. La decodificación de instrucciones en el 6502 está implementada por medio de una matriz lógica fija implementada en hardware (similar a un PLA) definido solamente para los opcodes válidos. Los aproximadamente 32 opcodes indocumentados accionan varias instrucciones válidas a la vez, conduciendo a resultados inesperados. En las versiones CMOS (65Cxx) estos códigos se ejecutan como NOP, pero de número de bytes y ciclos variables según el código.
• La instrucción de salto indirecto del 6502, JMP (xxxx), tenía un defecto. Si la dirección era xxFF hexadecimal, el procesador no tendría acceso a la dirección almacenada en xxFF y xxFF+1, sino en xxFF y xx00. El 6510 no corrigió este error, ni fue corregido en cualquiera de las otras versiones NMOS del 6502 como el 8502 y el 2A03. Bill Mensch en Western Design Center fue el primero en corregirlo, en el derivado CMOS 65C02, pero a costa de un ciclo de reloj más. Posteriormente diseñó el procesador 65816, un sucesor de 16 bits del 65C02 como también un descendiente híbrido llamado 65802 que era un 65816 con un espacio de dirección de 64 KB y un encapsulado compatible a nivel de pines con el 65(C)02.

Muchos usuarios de sistemas basados en 6502 de 1 MHz pronto deseaban que sus computadoras pudieran ir más rápidamente. Varias compañías vendieron hardware de reemplazo para acelerar esos sistemas. Generalmente, los aceleradores de los sistemas 6502 fueron basados en:

• Chips 6502 o 65C02 que cuentan con una velocidad de reloj más rápida.
• Chips 65C816 en modo de emulación del 6502, que cuenta con una velocidad de reloj mucho más rápida (hasta 20 MHz).
• Procesadores Zip Chip de 4 MHz y 8 MHz, hechos por Zip Technology, y Rocket Chips de 10 MHz, hechos por Bits and Pieces, todos usando caché RAM incorporado en la placa para acelerar el proceso de datos frecuentemente accesados mientras se permanecía compatible con una placa madre de 1 MHz. Finalmente, la patente n.º 4.794.523 de Zip Technology fuerza a Bits and Pieces a cesar de manufacturar el Rocket Chip.

MOS Technology licenció pronto su 65xx, entre otras, a las siguientes compañías:

• Rockwell Semiconductor
• Synertek
• AMI
• ITT
• UMC
• NTE

El procesador MOS 6502 y sus variantes fueron usados, entre otros equipos, en:

• Apple I, Apple II, Apple III
• Commodore PET, Commodore VIC-20
• Atari 400/800/400XL/600XL/800XL/1200XL/65XE/130XE/XG/XGS, consola Atari Lynx 1 y 2
• MOS Technology KIM-1
• Ohio Superboard, Ohio Superboard II, Ohio Challenger (Ohio Scientific)
• Acorn Atom, BBC Micro, Acorn Electron
• Oric 1, Oric Atmos
• Nintendo Entertainment System (consola)
• PC-Engine (TurboGrafx-16) (dos CPU's 6502)

• En la película de ciencia ficción Terminator (1984), protagonizada por Arnold Schwarzenegger, la audiencia en determinados momentos ve a través del ojo/cámara del Terminator T-800 Model-101 algunos fragmentos de programa en lenguaje ensamblador/máquina del 6502, haciendo en la pantalla scroll hacia abajo. También se muestra la salida de una ejecución, en un computador Apple II, de un programa de suma de verificación llamado KEY PERFECT 4.0, publicado por la revista Nibble.
• Bender, un androide «robot industrial» manufacturado en el 2998 DC, protagonista de la serie de TV de dibujos animados Futurama, en el episodio «Fry y la fábrica Slurm», se reveló que tenía una CPU 6502 como su «cerebro», es curioso señalar que en el mercado se encuentran CPU producidos en México y esto es consistente con la afirmación de que Bender es mexicano tras mostrar el sello de «Hecho en México» que trae de manera interna en el tórax.
• Los Furbys funcionan con un procesador 6502 contenido en su cuerpo.

• MOS 6501
• MOS 6510
• W65C02

Otros microprocesadores de la época

• Intel 8080
• Intel 8085
• Zilog Z80
• Motorola 6800

Computadores prototipo y para experimentación

• KIM-1
• AIM 65
• SYM-1

Microcomputadores

• Apple I
• Apple II
• Apple III
• Commodore PET
• Commodore VIC-20
• Familia Atari de 8 bits

• Esquema interno del 6502
• www.6502.org
• Simulador para Windows
• KIM-1, esquemático
• 6502 images and description at cpu-collection.de
• List of 6502 software emulators
• Apple I Owners Club
• 6502 accelerator information (apple2history.org)
• 6502 acceleration article (C=Hacking)