Nintendo Entertainment System (NES)
Autores
Leonardo Gonçalves Machado - 211029405
Arthur Marmo Cathalá - 211043610
Introdução
O que é o NES?
Segundo o artigo, Nintendo Entertainment System Documentation, O Nintendo Entertainment System (NES) é um console de videogame doméstico lançado pela Nintendo em 1983, no Japão, sob o nome Famicom (Family Computer), mostrado da figura 1. Posteriormente, em 1985, foi lançado nos Estados Unidos com o nome NES. No contexto histórico, a criação do NES teve um impacto extremamente positivo na indústria de consoles, especialmente, porque os anos 1980 foram um período desafiador para o desenvolvimento dos videogames. Em 1983, segundo o artigo Abordagem histórica dos consoles de videogames e o crash de 1983, a indústria enfrentou um colapso causado por uma saturação de consoles e jogos de baixa qualidade, o que resultou na perda de confiança por parte dos consumidores e em enormes prejuízos financeiros para as empresas do setor. Nesse cenário, o Nintendo Entertainment System (NES) destacou-se como o console que revitalizou o mercado ao trazer jogos de alta qualidade, com controles sobre o software e o hardware, os quais restauraram o interesse pelos videogames.
Figura 1 - Famicom original lançado no Japão
Figura 2 - Modelo do NES comercializado nos EUA e no Brasil
Com isso, o NES introduziu uma série de inovações que definiram o padrão para consoles futuros, como o uso de cartuchos para armazenar os jogos, os controles ergonômicos com botões e a padronização de um modelo de negócios que equilibrava o hardware com jogos de alta qualidade quando comparado com os outros de sua época. Além disso, ele também trouxe ao mercado títulos icônicos que moldaram a cultura pop e estabeleceram franquias populares, como Super Mario Bros., The Legend of Zelda e Metroid.
História do NES
De acordo com Nintendo Entertainment System Documentation e com o livro The NES Encyclopedia: Every Game Released for the Nintendo Entertainment System, o desenvolvimento do Nintendo Entertainment System (NES) ocorreu em um momento crítico da história dos videogames, como foi explicado no tópico anterior. Após o colapso da indústria em 1983, causado pela saturação do mercado e pela baixa qualidade de muitos produtos, quando a indústria de videogames estava em crise após a falência de várias empresas de consoles e a má reputação dos jogos de baixa qualidade lançados no Atari VCS, a Nitendo assumiu um papel crucial na revitalização do mercado de videogames com o lançamento do NES.
Unidade de processamento - CPU
Visão Geral
Um dos principais objetivos da Nintendo ao desenvolver o NES era utilizar um hardware mais barato que os concorrentes. Para isso, optou-se por utilizar um processador 8-bit, mesmo já existindo processadores 16-bit disponíveis comercialmente. Dessa forma, a Unidade Central de Processamento (CPU) do console seria uma variante do processador 6502, criado pela MOS Technology em 1975.
Entretanto, a CPU não seria capaz de gerar as imagens, então foi necessário usar um chip dedicado para a parte gráfica, chamado de Picture Processing Unit (PPU). Abaixo há uma imagem da placa mãe indicando a CPU e a PPU
Figura 3 - Placa Mãe NES
Ricoh 2A03
Com base no artigo NES Architecture Overview, a versão do 6502 usada no NES foi ligeiramente modificada e chamada Ricoh 2A03 .Este processador é um microprocessador de 8 bits, com um barramento de endereçamento de 16bits, capaz de acessar até 64KB de memória.Além disso, a CPU do NES tem 2KB de RAM interna, além de acesso ao PPU (Picture Processing Unit) para manipulação gráfica e ao APU (Audio Processing Unit) para gerenciamento de áudio.
Características principais
• Clock: 1.79 MHz (NTSC) e 1.66 MHz (PAL).
• Barramento de endereçamento: 16 bits, permitindo acessar até 64KB de memória.
• Memória: 2KB de RAM interna e 32KB de ROM (com a possibilidade de expansão via MMCs, Memory Mappers).
• Modificado para o NES: O Ricoh 2A03 omite o modo BCD (Binary-Coded Decimal) que estava presente no 6502, provavelmente para evitar o pagamento de royalties à MOS, que tinha a patente dessa funcionalidade.
• Observação: A remoção do BCD não afetou a capacidade do processador para rodar jogos, já que essa funcionalidade não era essencial para a maioria dos jogos de console.
Figura 4 - Processador Ricoh 2A03
O processador possuia as seguintes classes de instruções:
- Load
- Store
- Transferência de registradores
- Operações de Pilha
- Operações Lógicas
- Operações Aritméticas
- Incrementos/Decrementos
- Shifts
- Jumps
- Branches
- Operações de Status de Registrador
- Funções de Sistema
Memória
A memória principal do NES era dividia em três partes: a RAM da CPU, a ROM dos cartuchos, e os registradores de Entrada/Saída. Ligando essas partes, haviam três barramentos. No barramento de endereço, a CPU requisitava um endereço específico de uma parte. O barramento de controle definia se a operação seria de leitura ou escrita. Por fim, o barramento de dados era usado para trafegar dados contidos em um endereço de memória para registradores na CPU, ou para enviar dados dos registradores da CPU para a memória.
Figura 5 - Diagrama de memória da CPU
O barramento de endereço era de 16-bit, permitindo que o processador suportasse até 64KB de memória. Abaixo há uma imagem ilustrando as divisões da memória.
Figura 6 - Divisão da memória principal
Picture Processing Unit - PPU
Visão Geral
Embora a CPU fosse responsável pela execução do código do jogo, ela não era capaz de lidar com os gráficos complexos de forma eficiente. Para isso, o NES usava um chip adicional chamado PPU (Picture Processing Unit). Desse modo, o PPU era responsável por processar os gráficos e exibi-los na tela, o que permitia que a CPU fosse menos sobrecarregada e pudesse se concentrar em outras tarefas, como controle de jogadores e lógica do jogo.
Ricoh 2C02
Dessa maneira, na documentação Nintendo Entertainment System Documentation, na página 15, a PPU (Picture Processing Unit) do NES é o chip Ricoh 2C02. Algumas das características da arquitetura de acordo com esse artigo e com os artigos System Profile of the Nintendo Entertainment System e Proceedings of CA 2004 the Fall 2004 ENGR 3410 Computer Architecture Class são:
• Chip Ricoh 2C02: Ela trabalha de forma independente da CPU e foi projetada para gerar gráficos de 2D para jogos de 8 bits.
• Resolução: A PPU suporta uma resolução de 256x240 pixels, sendo que na prática a resolução utilizável é de 256x224 devido a margens cortadas pelos televisores NTSC. Ela pode exibir até 64 sprites ao mesmo tempo, com 8 sprites por linha.
• Cor e Paleta: A PPU possui uma paleta de 52 cores, sendo que no máximo 16 podem ser visíveis na tela ao mesmo tempo. Cada sprite e tile pode ser configurado para usar até 4 cores diferentes.
• Scanlines: A PPU desenha a tela uma linha de pixel por vez, no processo conhecido como scanline. Durante o desenho da tela, a PPU também gerencia a ordem de renderização dos sprites e do plano de fundo.
Características principais
• Frequência de Clock: 21.48 MHz clock - Frequência retirada de NTSC 2C02 technical reference
• Memória VRAM: A Chip Ricoh 2C02 possui 2 KB de VRAM (Video RAM) para armazenar os tiles e os dados do fundo. Além disso, ela também possui 256 bytes de SPR- RAM para armazenar os atributos dos sprites e 28 bytes de memória para as paletas de cor.
Imagem arquitetura ppu
• Sprites: Sprites são objetos móveis na tela, como personagens ou itens. Eles são limitados a 8x8 ou 8x16 pixels e podem usar até 4 cores. No total, até 64 sprites podem ser exibidos simultaneamente.
• V-Blank: Durante o processo de exibição, existe um período chamado V-Blank, que é a pausa entre a atualização da tela. Esse tempo é utilizado para modificar a VRAM sem afetar a exibição gráfica em curso e o tempo varia de jogo para jogo.
Figura 4 - PPU - chip Ricoh 2C02
Memória da PPU
Leitura e escrita na memoria da PPU pode ser feita usando os registradores de Entrada/Saída $2006 e $2007 da memória principal. Normalmente as operações de leitura e escrita são feitas durante o V-Blank. Como a memória da PPU usa endereços de 16-bit, são necessárias duas operações de escrita nos registradores de Entrada/Saída para definir um endereço.
Figura 7 - Mapa de memória da PPU
Figura 8 - Diagrama PPU - Console
Criação das imagens
Pattern Tables, Name Tables e Attribute Tables
O NES possui duas pattern tables que armazenam as figuras de pixel 8x8 que serão exibidos na televisão. Jogos podem armazenar pattern tables na CHR-ROM dentro do próprio cartucho, porém jogos sem CHR-ROM armazenam as pattern tables na RAM.
Figura 9 - Pattern Tables
As name tables são matrizes de figuras armazenadas nas pattern tables. As name taables apresentam 32x30 figuras ou 256x240 pixels. Cada name table tem uma attribute table associada, sendo que a attribute table é usada para o mapeamento de cores da imagem.
Figura 10 - Attribute Table
Scrolling
Na maioria dos jogos, a imagem pode se deslocar horizontalmente e/ou verticalmente. Dessa forma, a imagem exibida na televisão é uma composição de duas name tables.
Figura 11 - Composição das Name Tables
Figura 12 - Imagem final mostrada na televisão
Sistema Operacional
De acordo com o artigo I Am Error, o NES não possui Sistema Operacional, nem mesmo uma BIOS. O console executa diretamente o código contido nos cartuchos para apresentar os jogos.
Sensores e Atuadores
O console não apresenta qualquer sensor ou atuador em sua estrutura.
Interfaces de Comunicação
O NES, de acordo com o manual, vem com um cabo coaxial que pode ser conectado a uma televisão. Quando conectado e com ambos aparelhos ligados, o console irá converter seus sinais de audio e vídeo em frequências de rádio analógicas (sinal RF), e mandar pelo cabo, e, chegando na TV, o sinal será convertido novamente para sinais de aúdio e vídeo.
Unidades de Entrada/Saída
Unidade de Entrada
Os dispositivos de entrada usavam um conector de 7 pinos conectado às portas I/O do console ($4016 para a primeira porta e $4017 para a segunda).De acordo com o artigo, o Control Pad do NES, o dispositivo principal de entrada, funcionava através de um sistema de leitura sequencial dos botões conectado diretamente às portasde entrada e saída (I/O) do console. O NES utilizava mapeamento de memória para acessar os sinais de entrada e a leitura era feita em ciclos, onde o console lia o estado de cada entrada de forma sequencial, na ordem predefinida. Além disso, o processo de leitura podia ser reiniciado manualmente ao usar o método de strobing, segundo o artigo no qual o console escrevia um valor "1" seguido de "0" na porta correspondente, o que resetava o ciclo de leitura. Essa funcionalidade foi essencial para garantir que os estados dos botões estivessem sempre atualizados.
Figura 13 - Diagrama de memória da CPU
Unidade de Saída
A memória principal do console apresenta uma série de registradores de saída para se comunicar principalmente com a PPU, e da PPU a imagem é convertida em sinal analógico para a televisão. Detalhes sobre a formação de imagem na televisão serão abordados na seção de Interface com o Usuário.
Fonte de Energia e Sistema de Alimentação
O NES utilizava uma fonte de alimentação direta por meio de um adaptador de corrente alternada. Alguns cartuchos também possuiam chips (como o MMC1) com bateria para alimentar uma memória SRAM, permitindo o salvamento do progresso do jogador.
Figura 14 - Chip MMC1
A memória RAM interna e a memória RAM dos cartuchos sofriam com estados instáveis na inicialização, porém permaneciam inalterados em resets. A SRAM de chips como o MMC1 e outras memórias RAM com baterias geralmente eram instáveis apenas após a primeira inicialização, se mantendo inalteradas em resets e inicializações subsequentes, mas ainda com alguma chance de corrupção em caso de perda de energia ou outros fatores externos (como bugs, cheats e etc).
Firmware e Atualizações
O NES não possui nenhum firmware ou outros softwares que possam ser atualizados remotamente.
Unidade de Proteção e Segurança
Lockout Chip
De acordo com os artigos Nintendo Entertainment System e Nintendo Entertainment System (NES) Architecture, o lockout Chip do NES, conhecido também como CIC (Checking Integrated Circuit), foi uma solução implementada pela Nintendo para controle de qualidade e para proteção contra pirataria. Como foi explicado anteriormente, o Crash dos Videogames de 1983 resultou em uma inundação de jogos de baixa qualidade no mercado. Devido a isso, o Lockout Chip veio como resposta. Isso porque a Nintendo, liderada por Hiroshi Yamauchi, buscou garantir que apenas jogos aprovados por ela fossem lançados para o NES. Com isso, o funcionamento do Lockout Chip envolvia dois componentes: um no console e outro no cartucho. Assim, durante o uso, o chip no console enviava um número de identificação entre 0 e 15 para o chip no cartucho. Ambos os chips processam o número, e, se os resultados não coincidirem, o console entra em um loop infinito de reinicialização, o que gerava o famoso "piscar de tela". Além disso, o Lockout Chip do console controlava o botão de reset, tornando-o indispensável para o funcionamento completo do sistema.
Chip 10NES
Na página 3 do artigo System Profile of the Nintendo Entertainment System, de Dominic Arsenault, no tópico Games library, é explicado que a principal característica dos cartuchos do NES era que cada um vinha com um chip de proteção denominado 10NES, um sistema de bloqueio que impedia a execução de jogos não licenciados. Isso garantiu que apenas jogos oficiais da Nintendo ou de seus parceiros licenciados fossem executados no console, o que protegia a empresa do mercado da pirataria.
Figura 15 - Chip 10NES
O 10NES atuava como uma forma de "chave de segurança", ao exigir que os cartuchos carregassem um código específico para serem reconhecidos pelo NES. Ao inserir um cartucho, o NES procurava por esse código de segurança, e ,somente se ele fosse encontrado, o jogo seria iniciado. Caso contrário, o sistema não rodava o jogo.
Armazenamento Externo (Cartuchos)
De acordo com o artigo sobre o Nintendo Entertainment System (NES) chamado deProceedings of CA 2004 the Fall 2004 ENGR 3410 Computer Architecture Class, de Franklin W. OlinCollege of Engineering, cada cartucho do NES continha um chip ROM (Read-Only Memory) com o código do jogo. Assim, o hardware era projetado para permitir que a CPU do NES, o chip 2A03, acessasse e executasse o código armazenado no cartucho. Assim,diferentemente da RAM, que podia ser modificada pelo processador durante a execução do programa, a ROM era apenas de leitura, ou seja, uma vez que os dados eram gravados na ROM durante a fabricação do cartucho, esses dados não podem ser alterados. Com isso, é importante ressaltar que cada cartucho continha dois tipos principais de memória ROM: Character ROM (CHR-ROM) e Program ROM (PRG-ROM).
Figura 16 - Estrutura Interna do Cartucho de NES
Em Nintendo Entertainment System (NES) Architecture, um dos assuntos discutidos é sobre a memory mapper nos cartuchos do NES, que era um chip adicional que ampliava as capacidades do console, permitindo jogos maiores e mais complexos do que o limite original de 49,97 KB. Isso porque os jogos de NES eram distribuídos na forma de cartuchos, e os barramentos do cartucho se conectavam diretamente à CPU.
Assim, sem um mapper, o NES só podia acessar até 49,97 KB diretamente, mas com um, os jogos podiam ter centenas de kilobytes, como Super Mario Bros. 3, que possui 384 KB de dados. Para fazer isso, eles reorganizavam e expandiam o acesso à memória através de uma técnica chamada "bank switching" ao dividir os dados em bancos de memória. Assim, a CPU podia acessar dois bancos por vez, enquanto o mapper gerenciava qual parte do jogo está ativa.
Interface com o Usuário
Control Pad
Apresentado em Nintendo Entertainment System Documentation, o Control Pad foi o principal meio de interação com o NES. Seu design retangular apresentava simplicidade e eficiência, com quatro botões e uma cruz direcional de quatro direções, como é possível observar na figura abaixo. Cada botão no controle (A, B, Select, Start, Up, Down, Left, Right) era representado por um bit de dados enviado ao console. Quando o jogador pressionava um botão, o circuito interno do controle fechava, gerando um sinal elétrico que indicava ao console qual botão estava ativo.
Figura 17 - Control Pad
Em Nintendo Entertainment System, é mostrado que o Famicon e o NES apresentavam algumasdiferenças em relação aos pinos, algo que foi complementado em Nintendo Entertainment SystemGame Pak:Famicom: Utilizava cartuchos de 60 pinos, que são menores em tamanho. Assim, o resultadoera um design mais compacto e leve. Esse formato foi usado para acomodar o design original do Famicom, que não possuía o sistema de trava (lockout) presente no NES. Além disso, o conector de 60 pinos permitia que os cartuchos incluíssem chips de expansão sonora, uma característica importante em muitos jogos japoneses.
Televisão
O NES mostra as imagens geradas pela PPU em uma televisão. Por essa razão, existem diferentes versões do console para dois formatos de televisão, sendo eles NTSC e PAL. De maneir geral, a imagem da televisão consiste em um canhão de elétrons disparando elétrons da esquerda para a direita contra a superfície interna da tela, formando os pixels. Ao terminar a formação dos pixels de uma linha, o canhão de elétrons move-se levemente para baixo e retrocede totalmente para a esqerda para formar a próxima linha da imagem. Ao atingir a posição mais baixa, o canhão move-se para cima até voltar para a posição mais superior da tela, e retrocede para a esquerda, assim começando o processo de formação de uma nova imagem. O tempo para retroceder o canhão para a esquerda é conhecido como Horizontal Blank (H-Blank), e o tempo para retornar o canhão para o topo da tela é conhecido como Vertical Black (V-Blank).
Figura 18 - Televisão de tubo
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Figuras 19 e 20 - TurboGrafx-16 e PC Engine
Esse console era promovido como um sistema para jogos em 16 bits, ele usava um processador de 8 bits e um processador gráfico de 16 bits. Ele também utiliza o processador HuC6280, que é uma evolução proprietária do processador usado como base para o encontrado no NES.
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Figura 21 - Super Nintendo
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Figura 23 - Game Boy
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Bibliografia
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