Un poco de electrónica digital: Selector entre dos señales, doble CIC en una N64

En los foros de "El otro lado" alguien ha montado un selector de región para la N64 de la forma mas sencilla posible con dos CIC. Os lo cuento un poco.

Nintendo y Sega desde sus primeras consolas quisieron proteger las máquinas y los juegos, de forma que solo arrancaran juegos desarrollados en una zona geográfica determinada en máquinas vendidas en esa zona. Definieron varias zonas, Europa, USA y Japón principalmente, pero conforme avanzaban la expansión de las ventas se definieron otras adicionales como Ásia Pacífico o Latinoamérica.

Nintendo desde el comienzo de la NES usaba la combinación de dos chips, uno en la consola y otro en el cartucho. Al arrancar la máquina el CIC del cartucho envía a la máquina una clave cifrada, el CIC de la consola genera el suyo, los compara y si coinciden la maquina arranca, si no quedaba con pantalla negra. El CIC enviaba una señal de bloqueo a la máquina, pero en los primeros se descubrió que simplemente levantando esa pata no se producía el bloqueo, por lo que en las NES solo hay que cortar una pata del chip,y en las SNES se levanta una pata. Esto fue descubierto relativamente pronto, por lo que algunos juegos usan otro sistema y cuando no reciben una señal adecuada no se ejecutan directamente. En las siguientes máquinas se mejoró bastante, por lo que cada vez era mas difícil el desbloqueo.

Para evitar todos los posibles problemas, lo que se ha echo mas recientemente es, usando ingeniería inversa, decodificar el programa del CIC, y reemplazarlo por otro chip diferente, normalmente un microcontrolador PIC, que se comporte igual y así engañar siempre a la máquina.

Para este montaje es necesario disponer de un poco mas de conocimientos y poder grabar el programa del PIC. Para la N64 se ha descubierto la forma de reemplazar el chip, pero hay aficionados que pensaron otro enfoque, si dispones de una placa japonesa y otra europea por ejemplo, quitas el CIC de la europea y se lo pones a la Japonesa, y mediante unos selectores decides cual de los dos chips quieres utilizar. En la N64por ensayo y error se ha detectado que hay 5 líneas que se comportan diferente según la región, 2, 5, 6, 8 y 28, aunque según otros son 9 líneas 1, 2, 5, 6, 8, 13, 15, 19 y 28, siendo el resto comunes a ambos chips.

Lo que se hace es levantar esas patas del CIC de la placa, y soldar hilos a todas las patas, los 9 necesarios se llevan a una serie de interruptores, y el resto se llevan a las patas del otro CIC. El montaje requiere 9 interruptores de 1 circuito, o 5 de dos circuitos, y aun usando interruptores de 4 circuitos requiere 3, y todos deben estar al mismo lado siempre para que esto funcione. El montaje para cinco líneas sería algo así:


Esto se puede hacer de varias formas usando electrónica digital y un solo interruptor, voy a poner una muy básica, un circuito selector de dos señales con un solo interruptor de dos posiciones un circuito usando dos puertas AND, cuyo resultado se mezcla usando una OR. Solo hay que repetir el resultado para todas las señales que se desee utilizar:

La señal que usaremos son los 5 voltios o la masa, ponemos ambas a los lados del interruptor, y según su posición obtenernos una u otra. Esta señal se invierte a la salida del interruptor, y ya tenemos las dos señales que necesitamos, una con el voltaje o masa, y la otra con su inversa, la que esté a 5 voltios será la activa en cada momento.

Disponemos de las dos señales a seleccionar, 1A y 1B, se une la A con la señal directa en una puerta AND, y la B con la inversa en otra, de esta forma aunque siempre se generan ambas señales, solo una de las dos aparece en la salida de las puertas. Solo resta unir las dos salidas, podemos hacerlo directamente, pero es mejor usar una puerta OR para ello, de esta forma no solo en el punto C tendremos la señal existente en el punto A o el B según la posición del interruptor, sino que mantiene los niveles adecuados siempre, no es buena idea en general unir las salidas de dos puertas directamente para mezclarlas, aunque en este caso solo una de las dos estará siempre activa, por lo que no deben producirse interferencias.

Solo hay que repetir las dos puertas AND y la OR para cada señal que deseemos usar, aunque hay chips que ya montan este tipo de multiplexores, electrónica discreta y sencilla, aunque es posible usar una EPROM (aunque sea una memoria, realmente son solo puertas), o una GAL o un CPLD, aunque para todo esto ello hace falta un programador.

Vida antes del Kenbak-1: El Imlac PDS-1, los gráficos no son tan modernos

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Otro mini ordenador, pero que ha pasado a la historia como el primero en incluir una pantalla gráfica de serie. Aunque las primeras pantalla gráficas nacen temprano, y a finales de los 50 el Whirlwind I ya disponía de una, aunque IBM había lanzado en 1964 su terminal gráfico IBM 2250 usado con el Sistema/360, no era un éxito de ventas, y las pantallas gráficas se popularizan a finales de los 60 cuando DEC los lanza para sus PDP, en ese momento muy pocos ordenadores disponían de algún terminal gráfico. El PDP fue usado por Nolan Bushnell, en ese momento estudiante en  la universidad, con el famoso juego Spacewar, y a partir de allí creó Atari.

Un DEC PDP-1 con su terminal gráfico (Fuente: Wikipedia)

En  1970 la empresa Imlac lanza su primer mini, el PDS-1 no es un gran éxito de ventas pero si es la primera máquina en disponer de serie de una pantalla gráfica monocroma vectorial de 14 pulgadas, aunque en disposición vertical en lugar de la actual preferida horizontal. La máquina es muy similar al terminal IBM 2250, pero costaba 30 veces menos. Se compone de tres módulos, la CPU se ubica bajo la mesa, una unidad de control general con botones y luces por un lado, y el terminal con su pantalla y teclado por otro, no dispone de ratón pero si de un lápiz óptico.

Izquierda unidad de control y debajo la CPU, a la derecha la unidad gráfica, detrás un PDP (Fuente: ubanproductions.com)

Las pantallas gráficas del momento usaban gráficos vectoriales, mientras que ahora estamos muy acostumbrados a los gráficos de pixeles, que son muy diferentes. En una pantalla de tubo la línea de barrido recorre la pantalla en líneas horizontales dibujando los puntos, contra mayor sea la resolución mas líneas y mas puntos en cada una, y dibujan una pantalla completa 50 veces por segundo habitualmente, encendiendo y apagando el haz para presentar un punto o un espacio (las de color igual pero con tres haces a la vez). Las pantallas vectoriales no se comportan así, lo que hacen es mover libremente el haz de barrido dibujando con el líneas en la pantalla continuamente. Al no tener que pasar por los espacios pueden hacerlo muy rápido y dar la impresión de continuidad en la imagen si los trazos eran pocos y rectos, pero no así cuando tenía que presentar texto, ya los trazos eran muy numerosos y breves, por lo que tendía a producirse un parpadeo.

Esta máquina disponía de dos procesadores de 16 bits desarrollados por chips discretos, con una configuración muy similar a la de 12 bits del PDP-8, con un juego de instrucciones también muy reducido, carecía por ejemplo de instrucciones para multiplicaciones y divisiones o el manejo de coma flotante, muy usadas en el cálculo de los gráficos. El procesador principal se usaba para las operaciones normales y el secundario solo para las operaciones gráficas, ambos compartiendo la misma memoria de entre 8 y 16 Kb formada con núcleos de ferrita. La CPU estaba formada por una serie de pequeñas placas con unos 12 chips TTL cada una, formado 3 filas de 25 placas, que se intercomunicaban cableándolas manualmente en lugar de mediante ningún tipo de bus.

No disponía de un sistema operativo con entorno gráfico, y no era multitarea, por tanto a diferencia de los mainframes o los PDP solo un usuario podía trabajar con el, se programaba en ensamblador como casi todo en esa época, y se vendió bastante a universidades para sus desarrollos, entre ellos se diseñaron varios sistemas de hipertexto a partir de su procesador de texto y su manejo de gráficos, aunque los textos tendían a parpadear por la cantidad de pequeños trazos necesarios para formarlos, y era famoso por varios juegos, entre otros los de laberintos 2D y 3D, que luego fueron imitados en el Apple II, o por un juego de ajedrez.

Juego de laberinto 3D (Fuente: digibarn.com)

Se mejoró el modelo incluyendo un bus en lugar del cableado manual, y luego en 1974 introdujeron el modelo PDS-4, mas rápido y que evitaba los problemas del parpadeo de los textos. De este modelo se sabe se vendieron unas 700 unidades, todas montadas a mano.

Tras adquirir una unidad para el Xerox Park, sus ingenieros vieron las posibilidades y produjeron su propio ordenador, el Xerox Alto de 1973, para el que desarrollaron el primer entorno gráfico de usuario. Físicamente es muy similar en cuanto a aspecto y dimensiones, con una pantalla vertical de 14pulgadas también, aunque la cambiaron por una de pixeles en lugar de una vectorial, y en lugar de un lápiz óptico usaron un ratón.

Vida antes del Kenbak-1: El Paperclip Computer, o como hacer algo útil con los clips en la oficina

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No me refiero al simpático ayudante para el uso del office que sacó Microsoft en 1997 y que mantuvo hasta 2007 (en el 2003 dejó de aparecer por no instalarse por defecto, pero todavía se podía activar).

Clipo en acción (Fuente: http://mundogeek.net)

Este es otro producto que empezó siendo un libro y se comercializó posteriormente. Los clip de oficina (en inglés paperclip) se usan para hacer pulseras y colgantes cuando te aburres, pero al ser alambres maleables pero resistentes, y al ser metálicos y conductores de la electricidad, se pueden usar para construir interruptores, solo hace falta un poco de habilidad. Con esto y unas cuantas cosas caseras mas, se escribió un libro que describía como fabricar un pequeño ordenador funcional, con su memoria para el programa, su unidad de control, sus pequeñas bombillas para los resultados, etc. El libro lo publicaron en 1967 Edward Alcosser, James P. Phillips y Allen M. Wolk, y se tituló "How to Build a Working Digital Computer" (Como construir un ordenador digital operativo).

Portada del libro "Como construir un ordenador digital operativo" (Fuente: history-computer.com)

El libro ya está en dominio público, y se puede encontrar en archive, en inglés claro, pero si tenéis la misma curiosidad que yo por ver como funciona la idea, aquí está uno de los circuitos, una puerta OR y otra AND para formar el circuito (A OR B) AND C:

Un circuito con una puerta AND y una OR con clips, una madera o cartón de base, una pila, una bombilla y un poco de cable (Fuente: emscdn.com)

Ya sabemos como hacer puertas, pero ¿y la memoria para el programa?, bueno eso también es una maravilla de la simplicidad, en forma similar a una cajita de música, sobre un rodillo se ubican trozos de papel conductor, que al girar hacen contacto con unos clavitos, simple pero efectivo, y no muy diferente de las memorias de tambor magnético de la época.

Unidad de memoria para el programa (Fuente: emscdn.com)

Aunque se conocen varios desarrollos caseros a partir de lo presentado en este libro, esta idea se llevó a la práctica comercialmente un poco mas tarde, y la desarrolló Irving Becker en la empresa Arkay, luego llamada Comspace, lanzando en 1969 el Computer Trainer, model 650 (CT-650), por unos 1.000 dólares de la época, vendiendo unas pocas unidades.

CT-650 original (Fuente: history-computer.com)

Se conocen solo la existencia de tres unidades en colecciones particulares, incluyendo fotos de una unidad un poco diferente en cuanto a la forma de los interruptores, pero con el mismo diseño. Basado en relés y no en clips, la máquina se dividía en 6 bloques diferentes, detrás se ubicaban el bloque de la memoria principal con 20 bits establecidos mediante interruptores, junto al bloque de la memoria del programa con su tambor giratorio. En la parte delantera se ubicaban el bloque de la unidad de entrada que convertía decimal en binario, la unidad aritmética, la unidad de control y la unidad de salida que convierte binario a decimal para ver el resultado. Todo muy sencillo y básico, y muy bien separado en bloques haciendo honor a su denominación de computer trainer (entrenador de computadoras).

Los usuarios podían realizar sus propios programas, pero la máquina se acompañaba de unos cuantos ya preparados, en lo que se denominaba Arkay Program Library (Librería de Programas Arkay).

Vida antes del Kenbak-1: El DEC PDP-8, la revolución de las pequeñas cosas

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Este no es un ordenador personal, pero merece una mención especial pues fue no solo el que inspiró que se produjeran los Nova de Data General, que a su vez inspiraron a Wozniak para el Apple I, sino que debe entrar con letras de oro en la historia de la informática.

En ese momento los grandes ordenadores eran lo que imperaban, ya que no parecía posible reducir mas su tamaño, ocupando grandes habitaciones acondicionadas especialmente, pero por debajo empezaron a surgir una serie de máquinas que se denominaron Minis, ya que eran mucho mas pequeñas, y así una CPU pasaba de ocupar el espacio de un armario ropero de varios cuerpos, al tamaño de una nevera, luego al tamaño de una lavadora, y luego se hicieron micros.

En ese momento IBM era el rey indiscutible, pero DEC empezaba a despuntar con sus máquinas, a las que no quiso llamar ordenador pues los inversores no creían que se pudiera vender ordenadores tan económicos, y así nació la gama PDP por Programmed Data Processor (Procesador de Datos Programable), que se abrió camino con fuerza desde el PDP-1 con su pantalla gráfica, el PDP-7 que será recordado por ser la máquina en la que se creó el Unix, mientras que el mejor modelo de la gama fue sin duda el PDP-11 con su sistema operativo el VMS. Pero su máquina estrella fue el PDP-8, el primer mini en alcanzar ventas masivas, se calcula que se vendieron mas de medio millón de unidades, con un precio sobre los 18.000 dólares del momento (hoy día mas del doble), lo que era mucho menos que un mainframe de la época.

La versión inicial de la CPU del PDP-8 (Fuente: smecc.org)

El aparato estaba compuesto de muchas pequeñas placas, ubicadas primero en una caja en forma de cubo que al disponer de un acabado muy atractivo era la portada de los catálogos, arriba dos zonas de placas de diversos colores, mientras que abajo estaba la fuente de alimentación y los botones y luces típicos de la unidad de control general de la época, pero solo era la CPU y necesitaba mas periféricos en otros armarios, quizá por ello la versión posterior denominada PDP-8/S, que fue la mas vendida, estaba formada por dos armarios separados para la CPU, y del mismo tamaño otros armarios para los periféricos.

Una unidad PDP-8/S, de izquierda a derecha teletipo-impresora, cpu en dos armarios, unidades de almacenamiento, unidades auxiliares y terminales (fuente: pdp8.net)

La CPU no usaba un procesador encapsulado ni grandes chips de memoria, sino principalmente transistores, al principio usaba lógica diodo-transistor, aunque luego pasó a TTL, por eso usaba tantas placas independientes, pero el conjunto formaba un potente procesador, aunque con un reducido juego de instrucciones (lo que sería hoy un RISC)  de 12 bits, que soportaba una memoria máxima de 32 K palabras (y no he dicho ni gigas ni megas), un bus formado por 122 líneas que se cableaba manualmente, y un controlador de periféricos con un solo canal DMA.

Los principales lenguajes de programación que se empleaban eran FOCAL, un lenguaje interpretado, cuya sintaxis es similar a la del Basic, aunque se podía escribir los comandos en idiomas diferentes al inglés ya que PDP sacó versiones en lenguajes europeos, además del propio Basic en versiones mono y multi usuario, y el hoy casi desaparecido Fortran (que siempre permanecerá en mi recuerdo pues fue el primero que usé en un gran ordenador a finales de los 70), aunque en esa época era muy normal programar en ensamblador y la estrella era el PAL-8, que era el nombre del ensamblador que incorporaba.

Se podían elegir varios Sistemas Operativos para la máquina, el habitual era de multitarea cooperativa, inicialmente se llamaba MS/8 y luego PS/8, pero acabó llamándose OS/8 que es como se le conoce, al arrancar ocupaba 128Kb en el banco 0 de la memoria RAM, y disponía de un nutrido grupo de comandos que podía ejecutar, siempre almacenados en disco para evitar ocupar memoria. También disponía de otros mas específicos, como uno para tiempo real y otro en modo multitarea apropiativa, y como curiosidad disponía de una versión del CP/M del que podía leer y grabar discos, e incluso ejecutar algunos programas del mismo con un emulador del Z80.

Vida antes del Kenbak-1: El Digi-Comp I, otro juguete u otro ordenador, tu decides

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Volvemos a otro magnífico juguete, que era a su vez un entrenador para una parte de un ordenador, por tanto tu decides si es un juguete o es un ordenador. La empresa E.S.R. Inc. fue un fabricante de juguetes que comenzó en los 1960 y finalizó sus actividades a mediados de los 1970. En 1963 lanzó al mercado un gran éxito, por 4'99 dólares de la época podías adquirir el Digi-Comp I, vendido como un computador mecánico.

El aparato, en la caja dice que es "un ordenador binario que puedes programar" (fuente: smithsonian )

Estaba fabricado en poliestireno (un tipo de plástico que todavía se usa bastante), con algunos alambres y piezas metálicas, que formaban un conjunto de tres flip-flop mecánicos, que es la unidad básica de memoria que almacena un solo bit en su interior, de forma que se podían manejar mediante unos alambres verticales, los cuales que se podían conectar de forma que fueran empujados o bloqueados por unas clavijas cilíndricas. El conjunto se podía mover mediante una palanca, de forma que se podía efectuar una configuración que ejecutase un circuito combinacional digital.

La máquina presentaba el estado en tres indicadores numéricos como cero o uno, y era capaz de realizar operaciones aritméticas sencillas, como sumas y restas, pero también operaciones lógicas, por ejemplo se podía jugar al Nim. Aquí podéis ver la máquina en funcionamiento contando de cero al siete en binario.

Las máquinas de estados usan los flip-flop como elementos básicos para mantenerse en un estado u otro, por tanto era un complemento ideal del Geniac, aunque mas orientado a operaciones binarias.

Si queréis uno lo podéis encontrar aquí, ya que la empresa mindtoys ha lanzado una reproducción y así podréis conseguir este curioso aparato, ya que es casi idéntica al original. O si lo preferís, podéis montar una reproducción con lego:

Mas adelante E.S.R. sacó el Digi-Comp II, ideado por John Thomas Godfrey, que aunque mantenía el nombre no tenía nada que ver funcionalmente con el anterior, era una máquina de estados binaria muy simple y completamente manual, no programable, no disponía de elementos de memoria, pero se podía ver como se realizaban operaciones artiméticas y lógicas binarias de forma muy sencilla, moviendo bolas pequeñas que actuaban en función de unos basculantes, pudiendo sumar, restar, multiplicar, dividir, contar en binario y decimal, y algunas operaciones adicionales.

El original (Fuente: oldcomputermuseum.com)

Esta máquina también está hoy día a la venta en una reproducción por Evil Mad Scientist que se puede conseguir por internet. Y por youtube circulan vídeos de como funciona, y por supuesto de una reproducción con lego de la máquina.

El Digi-Comp II en una reproducción moderna (Fuente: EvilMaidScientist)

 

Lanzaron otras máquinas similares aunque reducidas y mas específicas, como una para jugar al Nim. Como vemos, las máquinas de estados, base de la informática, han sido llevadas varias veces al campo de los juguetes.

Vida antes del Kenbak-1: El Minivac 601, un entrenador para máquinas de relés

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Hoy día hay en el mercado muchos entrenadores de electrónica digital, todos con unos cuantos chips de puertas y/o flip-flop, unos led, una pila, se cablea y probamos nuestros circuitos. Pero en los 60 no había nada de eso.

A principios de los años 1960 el profesor del MIT Claude Shannon, el padre de la "Teoría matemática de la información" (publicada en 1948), diseñó un aparato que le permitiera experimentar con la lógica computacional, que fue mejorado por el personal de la empresa Scientific Development Corporation y puesto a la venta como un kit educativo para experimentar con los circuitos digitales el 1 de octubre de 1961, aunque mas pretenciosa que funcionalmente se vendía como un "ordenador digital".

El nombre de Minivac 601 se creó para sonar parecido a Univac, la empresa líder en USA en ese momento en informática, aunque poco después fue superada por IBM y no volvió a recuperar el liderato.

El Minivac 601 (Fuente: Wikipedia)

Era un aparato sencillo que permitía experimentar con lo que se usaba como puertas en ese momento, los relés y los interruptores. Disponía de una fuente de alimentación de 12 voltios, y estaba dividido en 6 bloques operativos, a la izquierda de arriba a abajo un bloque de 6 bombillas para ver los resultados, el principal formado por 6 relés, un bloque de interruptores y otro de pulsadores, y a la derecha dos bloques, arriba  un bloque de contactos formando un cuadro de 3x3 y abajo un conmutador rotativo decimal con valores de 0 a 15, que se podía mover manualmente pero también estaba motorizado para hacerlo automáticamente. Cada uno de estos elementos disponía de varios conectores para que se pudieran cablear entre sí y formar circuitos lógicos binarios. Su mejor acierto fue el motorizar el conmutador rotativo decimal, lo que le permitía actuar como máquina de estados.

Esta máquina se vendía por 85$ del momento, lo que hoy sería unos 600€, y se ofrecía a las empresas como un entrenador digital para sus empleados, pero su aspecto de juguete no gustaba, por lo que en 1962 cambiaron la calidad de los componentes, el color azul de la caja pasó a un gris con apariencia mas profesional, y lo llamaron Minivac 6010. Se sabe que este aparato se llegó a usar como control numérico para las máquinas en algunas empresas industriales.

Junto a la máquina se suministraban unos manuales bastantes completos, en los que se describía las funciones del aparato y se proponían montajes, desde las sencillas puertas AND y OR a un flip-flop, o usando el motor del selector rotativo una máquina de estados para jugar al tres en raya, en el que era invencible.

Si queréis ver un vídeo con una explicación y el aparato en funcionamiento, os dejo este creado por Adolfo García, disponible junto a los manuales del aparato en ccapitalia.net

Mayo de 2016, cumplo 6 años con record de visitas

Este mes hace poco más de 6 años que comencé con este blog, el 05/04/2010 fué la primera entrada, y el mes de mayo de 2010 logré el gran récord de haber registrado cero visitas ese mes. En Mayo de 2012 logré lo que para mi fue un gran record de visitas, llegando a 5.800, y mas o menos se mantiene desde entonces la media en torno a ese valor, con entre 4.000 y 7.500 visitas mensuales, algún mes de 8.000, y un máximo con un gran salto en marzo de 2014 con 10.500, logrando casi doblar mi anterior record, lo que nuevamente pesaba no lograría superar.

Pues bien, este mes he conseguido superar todos mis récord de visitas, y al terminar el mes he alcanzado las 13.542 visitas.

Aunque no es mi objetivo vivir del blog, ahora romper el record va a costar mucho mas. Mirando las entradas mas populares tengo unas que lo son habitualmente, últimamente la mas visitada ha dejado de ser la de la Game Gear y ha pasado a ser la del cargador de baterías, y pensaba que las entradas sobre programación del Spectrum serían populares, pero aparece en la lista una muy reciente, se ve que las entradas de historia de la informática hablando de aparatos curiosos y poco conocidos están gustando.

El Geniac debía estar disponible en las universidades para el estudio de las máquinas de estados, algo fundamental cuando se estudia teoría de autómatas, y es muy empleado en temas como compiladores o criptografía. Creo que se aprende mejor cuando mueves los círculos de un Geniac, que cuando esto se estudia en un libro y se practica en un papel, y luego como mucho se prueba con algún programa que las simulan.