Trabalho 1 - Nintendo 3DS

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I - Descrição do produto

O Nintendo 3DS foi o sucessor da linha Nintendo DS, oferecendo uma grande variedade de novos recursos, games e melhorias de hardware. A principal característica do 3DS eram os recursos 3D, que eram alimentados por estereoscopia para que não fosse necessário usar óculos.[7]
Além de rodar jogos em 3D sem a necessidade de óculos especiais, o aparelho oferece diversas funcionalidades que vão além do entretenimento tradicional. Entre elas, está a possibilidade de criar e organizar pastas no menu inicial, facilitando o acesso a jogos, aplicativos e outros conteúdos[13].
O console também permite o registro de fotos em 3D por meio da câmera externa, proporcionando imagens divertidas e criativas. A loja virtual eShop é outro destaque, oferecendo jogos com preços acessíveis e permitindo a criação de listas de desejos para futuras compras. O sistema exige conexão Wi-Fi e cartão de crédito internacional para realizar as transações[13].
O Nintendo 3DS conta ainda com uma lista de amigos online, onde é possível acompanhar o que cada um está jogando em tempo real. A função Troca-Cartas permite o envio de mensagens escritas à mão, usando a stylus, e o console também vem com um software próprio para gravação e edição de sons. Além disso, é possível configurar a conexão Wi-Fi do aparelho para acessar recursos online, atualizar o sistema e interagir com outros jogadores[13].
Outro recurso importante é o acesso ao Virtual Console, que permite baixar e jogar clássicos do Game Boy e do Game Gear, ampliando ainda mais a biblioteca do usuário. Por fim, a partir da atualização 6.0, o 3DS passou a permitir o backup de dados salvos, garantindo a segurança do progresso nos jogos. Versátil, interativo e com foco em experiências diferenciadas, o Nintendo 3DS consolidou seu espaço como um dos consoles portáteis mais completos do mercado[13].
O Dispositivo em questão é representado pela figura 1x:

Figura 1 - Nintendo3DS

II - Características

Nesta seção, será abordado a respeito das características do 3DS, produto de estudo deste documento. No mesmo, pode-se encontrar:

1 - Unidade de Processamento

O Nintendo 3DS possui duas unidades de processamento, um processador principal, sendo ele um ARM11 mas que difere em relação à versão do console:
Old3DS: Possui 2 núcleos ARM11 MPCore rodando a 268MHz com coprocessador VFPv2 para operações de ponto flutuante.
New3DS: Possui 4 núcleos ARM11 MPCore rodando até 804MHz, também com VFPv2 e um cache L2 de 2MB para melhora de desempenho.
Além disso, possui um processador secundário ARM946 rodando a 134MHz [1].
O modelo de licenciamento tradicional da ARM (baseado na oferta de designs sintetizáveis) permite que a Nintendo molde uma CPU de acordo com suas necessidades, incluindo a instalação em um SoC grande e opaco.
O sistema também conta com um terceiro processador ARM7, que opera apenas caso o usuário esteja jogando um jogo DS ou DSi, o mesmo atua como um coprocessador.[2] Todos os processadores foram fabricados pela ARM[4]. A placa mãe do modelo original pode ser vista nas figuras 2 (visão simples) e 3 (destaque para regiões importantes do hardware), além disso é possível verificar o fluxo da arquitetura do sistema na figura 4.

Figura 2 - Placa-mãe do 3DS - Visão simples

Figura 3 - Placa-mãe do 3DS - Visão em destaque

2 - Memória

Para o desenvolvedor, o sistema oferece 128 MB de FCRAM, que foi produzido pela Fujitsu e denominado MB82M8080-07L na sua versão mais antiga e 256 MB na versão mais recente. O chip Fujitsu MB82M8080-07L contém internamente dois chips, cada um dos quais é denominado MB81EDS516545 e MB82DBS08645.
O chip MB81EDS516545 é uma memória CMOS de acesso aleatório de ciclo rápido (FCRAM) com interface SDRAM de baixa potência e dupla taxa de dados (LPDDR), contendo 512 MB de armazenamento acessível em um formato de 64 bits. O MB81EDS516545 é adequado para aplicações de consumo que exigem alta largura de banda de dados com baixo consumo de energia[1].
A FCRAM é a chamada Fast Cycle DRAM, sendo uma tecnologia alternativa à DRAM, ela se destaca por leituras não contínuas, onde exibe uma latência menor que a DRAM[3]. Isso foi feito para baratear o produto[2]. Tal elemento é utilizado para rodar o sistema operacional do produto[6].
Por razões de segurança, o ARM11 também tem um bloco rápido de 512 KB de SRAM. O ARM9 também conta com um bloco de 1MB de SRAM para os modelos mais velhos e 1,5MB para os modelos mais novos.[2]

3 - Sistema Operacional

O Nintendo 3DS possui um sistema operacional proprietário da Nintendo, no qual leva o nome de “Horizon”[5]. O Sistema operacional como um todo contém 4 Firmwares:

• NATIVE_FIRM: Opera o console no modo "nativo" (com a funcionalidade exclusiva do Nintendo 3DS). Aqui, o ARM11 executa o programa principal. Curiosamente, há duas instâncias do NATIVE_FIRM instaladas (chamadas FIRM0 e FIRM1 , respectivamente) caso a primeira seja corrompida, por algum motivo;
• TWL_FIRM: Comanda o Nintendo 3DS se comporta como um Nintendo DSi. Isso ocorre às custas da desativação de todos os recursos exclusivos, mas considerando como uma CPU, uma GPU, ou alguns como E/S estão interligados, TWL_FIRM é realmente uma obra de arte. Consequentemente, o ARM9 e o ARM7 são colocados no primeiro plano (executando o programa principal) [60]. O nome ‘TWL’ vem do codinome do Nintendo DSi;
• AGB_FIRM: Semelhante ao TWL_FIRM, o 3DS agora se torna um Game Boy Advance. Aqui, o ARM7 executa o programa principal;
• SAFE_FIRM: Usado exclusivamente para tarefas relacionadas à manutenção, como atualizações do sistema. Este firmware é basicamente uma revisão inicial do NATIVE_FIRM.

Todos esses firmwares vêm com pares separados para as CPUs ARM11, ARM9 e ARM7. A única exceção é que o ARM7 não estará ativo sob NATIVE_FIRM e SAFE_FIRM [2].

4 - Sensores e Atuadores

Sensores:
O console possui um acelerômetro e um giroscópio internos, permitindo detectar movimentos lineares e rotações no espaço tridimensional, fundamentais para jogos com controle por inclinação. Além disso, a tela inferior é equipada com tecnologia de toque resistivo, onde a entrada é registrada pela pressão que conecta duas camadas condutivas, permitindo controle direto por toque. O dispositivo também possui duas câmeras frontais para captura de imagens e cálculo de profundidade por estereoscopia.

Atuadores:
Utiliza dois alto-falantes estéreo integrados ao hardware, com suporte a reprodução de áudio via canais PCM e ADPCM. Conta também com um motor de vibração embutido, utilizado para fornecer feedback tátil durante a interação com jogos ou notificações do sistema.

Conexão com as unidades de processamento:
Os sensores de movimento (acelerômetro e giroscópio) e a tela de toque são conectados via barramento serial ao processador ARM11 MPCore. Já os alto-falantes são controlados por um subsistema dedicado de áudio, também gerenciado pelo ARM11, enquanto o motor de vibração é ativado por comandos enviados pelo processador para o controlador de periféricos responsável [2].

5 - Interfaces de Comunicação com fio

Conta com um slot físico de cartucho para jogos compatível com Game Cards do próprio 3DS e, em retrocompatibilidade, cartões do Nintendo DS. Possui ainda um leitor de cartões SD (substituído por microSD nos modelos “New”) para armazenamento de dados externos. O console conta com uma entrada de áudio padrão P2 (3.5 mm) e uma porta de carregamento de energia proprietária [2].

6 - Interfaces de Comunicação sem fio

O produto é equipado com um módulo de rede IEEE 802.11b/g integrado para conexão Wi-Fi, utilizado tanto em redes locais quanto para acesso aos servidores da Nintendo. Além disso, dispõe de um sistema de comunicação passiva chamado StreetPass para troca de dados automatizada com consoles próximos e do SpotPass para conexão ativa e sincronização de conteúdo via internet[2].

7 - Unidades de Entrada/Saída (I/O)

As Unidades de Entrada/Saída do Nintendo 3DS abrangem tanto componentes digitais quanto analógicos. Embora o console não disponibilize GPIOs (General Purpose Input/Output) diretamente ao usuário, esses pinos são utilizados internamente para a comunicação entre a Unidade de Processamento e componentes como sensores e atuadores. Entre os recursos de I/O, destaca-se o uso de conversores analógico-digitais (ADC), que são empregados para capturar sinais analógicos de dispositivos como o microfone e os sensores de movimento, incluindo acelerômetro e giroscópio. Esses sinais são digitalizados para possibilitar o processamento interno pelo console. Além disso, a técnica de modulação por largura de pulso (PWM) é utilizada para controlar elementos como o brilho da tela e a vibração do motor, permitindo ajustes contínuos e maior controle da experiência do usuário[18].

8 - Fonte de Energia e Sistema de Alimentação

O Nintendo 3DS é alimentado por uma bateria de íons de lítio removível, cuja capacidade varia conforme o modelo: 1300 mAh no modelo original e 1750 mAh na versão XL. O carregamento é realizado por meio de um adaptador AC proprietário. Internamente, o console conta com um circuito integrado de gerenciamento de energia (PMIC), responsável por distribuir a energia de forma eficiente entre os diversos componentes do sistema. Esse gerenciamento é crucial para garantir o bom funcionamento do dispositivo, evitando sobrecargas e otimizando o consumo energético. Além disso, o 3DS incorpora circuitos de reset, fundamentais para garantir a inicialização correta do sistema após desligamentos inesperados ou falhas críticas. Supervisores de energia também são empregados para monitorar continuamente os níveis de voltagem. Em casos de quedas de tensão, esses dispositivos são capazes de reiniciar automaticamente o sistema, prevenindo possíveis danos ao hardware ou à corrupção de dados[2].

9 - Firmware e Atualizações

O gerenciamento de Firmware do Nintendo 3DS é baseado em uma estrutura proprietária desenvolvida pela própria Nintendo. Ele é dividido em múltiplas camadas e modos operacionais, incluindo o NATIVE_FIRM (firmware principal que executa o sistema do 3DS), o SAFE_MODE_FIRM (utilizado para o modo de segurança), o TWL_FIRM (compatível com jogos do Nintendo DSi) e o AGB_FIRM (responsável pela execução de jogos do Game Boy Advance via Virtual Console). Essa arquitetura modular permite ao 3DS manter compatibilidade com gerações anteriores de consoles da Nintendo, além de garantir estabilidade e segurança no ambiente de execução. Adicionalmente, o 3DS possui suporte a atualizações de firmware via internet, conhecidas como Over-The-Air (OTA). Quando conectado a rede Wi-Fi, o console pode baixar e instalar atualizações automaticamente, o que permite à Nintendo distribuir correções de segurança, melhorias de desempenho e novos recursos. Essas atualizações são armazenadas temporariamente no cartão SD do dispositivo antes de serem aplicadas ao sistema, e requerem espaço disponível para a instalação. Esse mecanismo de atualização foi um passo importante para garantir a longevidade e a segurança do console ao longo dos anos[1].

10 - Unidade de Proteção e Segurança

Para a segurança contra pirataria e uso de aplicações não autorizadas pela Nintendo, o console conta com o processador ARM9 capaz de realizar operações de criptografia. Além disso, o cartucho do jogo possui um bloco de memória em formato protegido chamado de NCSD (Nintendo Citrus Standard Disk), que é usado pelo sistema operacional para validar o Cartucho inserido. [2]

11 - Armazenamento Externo

O console portátil conta com alguns meios de armazenamento externo, sendo eles o cartucho de jogo, que possui uma memória NAND capaz de armazenar os dados criptografados dos códigos necessários para rodar o jogo. Além disso, o console também pode contar com um cartão SD/microSD que pode ser usado para armazenar os dados de usuário e as fotos tiradas com o console, tudo criptografado. [2]

12 - Interface com o Usuário (UI)

Para comunicar-se com o usuário, o Nintendo 3DS conta com telas horizontais, dispostas verticalmente em cada metade do console. Sendo que a tela superior é uma tela LCD com resolução de 800 x 240 pixels e é capaz de alternar entre uma imagem 3D e 2D, bastando usar o botão deslizante ao lado e sem precisar de óculos [11], e a tela inferior, embora seja somente 2D, é Touch Screen [11].
Além disso, o console também possui 2 sets de 4 botões em cada lado, um botão analógico no lado esquerdo, e mais 2 botões. Esses conjuntos de botões são usados pelo usuário para submeter comandos para o jogo. [11]
Para botões de sistema, o console conta com o botão de desligar, 3 botões na parte inferior da tela e outro para alternar entre 2D e 3D na tela superior. Por fim, o console também conta com uma caneta que é encaixada dentro dele, e é capaz de ser usada na tela Touch do Nintendo 3DS. [11]

Figura 4 - Diagrama de arquitetura do hardware do 3DS

III - Artigos Acadêmicos

Nesta seção, será abordado a respeito dos artigos acadêmicos que se relacionam com o produto escolhido. Os itens 1 à 4 referem-se aos artigos que detalham uma ou mais de uma das principais tecnologias que viabilizam a existência do produto. Já os itens 4 à 8 são aqueles que compreendem o uso ou aplicação do produto.

1 - Process and device technologies for high-performance 0.13 μm FCRAM

Este artigo especifica as tecnologias utilizadas nos núcleos DRAM aplicados ao FCRAM que permitiram com que seu tamanho diminuísse drasticamente e por consequência aumentasse sua performance. A primeira tecnologia consistia em uma atualização no capacitor, no qual atende à forte necessidade de combinar um material de alta constante dielétrica com uma estrutura de eletrodo tridimensional, tal atualização utiliza um capacitor metal/isolante/metal, conhecido como MIM, permitindo uma capacitância em torno de 30fF/célula. A segunda tecnologia reduz a temperatura para prevenir a degradação dos materiais envolvidos.
Essa tecnologia é importante para um sistema embarcado pois é uma estrutura responsável por armazenar elementos cruciais para um sistema em um ambiente mais próximo ao processador além de permitir que as operações sejam efetuadas de maneira mais rápida. Esta inovação da Fujitsu permite com que essas operações fossem feitas muito mais rapidamente em um ambiente que necessita de muita velocidade e memória, como é o caso de um console. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

2 - An SoC with 1.3 gtexels/S 3D graphics full pipeline for consumer application

Esse artigo científico de 2006 aborda SoC (System on a Chip) capazes de processar gráficos 3D, dentre eles o processador ARM11 utilizado no Nintendo 3DS. Além disso ele aborda outros processadores disponíveis para os eletrônicos comercializáveis, seja de consoles de jogos até DVD players. Ele também aborda como esses processadores lidam com o uso de memória, que é considerávelmente maior doque para processamento de gráficos 2D. Neste caso, é necessário otimizações no “pipeline” do processador para que o uso de memória seja reduzido. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

3 - Brain Analysis While Playing 2D and 3D Video Games of Nintendo 3DS Using Electroencephalogram (EEG)

Este artigo investigou as diferenças na atividade cerebral durante a jogatina em modos 2D e 3D do console Nintendo 3DS. O objetivo principal foi analisar como o cérebro humano percebe e processa estímulos visuais em ambos os modos, utilizando eletroencefalografia (EEG) para registrar os sinais elétricos cerebrais. O uso do 3DS foi vantajoso por conta da alteração simples entre os modos 2D e 3D. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

4 -Forensic Analysis of the Nintendo 3DS NAND

O artigo detallha o uso de métodos forenses para extrair e analisar dados do armazenamento interno NAND do console Nintendo 3DS com o objetivo de desenvolver uma abordagem forense, utilizando técnicas de segurança abertas e publicamente disponíveis, para acessar informações como imagens deletadas, histórico de navegação, listas de amigos, números de série do console e outros dados sensíveis. A metodologia empregada incluiu o uso de ferramentas como o flashcart R4i+ 3DS/DS e softwares como o boot9strap e o Decrypt9WIP, que permitiram a extração física da NAND. Além disso é detalhado também características do funcionamento desse componente e detalhes de sua arquitetura. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

5 - 3D without four Eyes

Esse artigo aborda o uso da tecnologia de 3D implantada no Nintendo 3DS. Essa tecnologia permite que o usuário enxergue gráficos 3D sem a utilização de óculos (“Four eyes”). Dessa forma, o artigo publicado em uma revista, aborda o uso dessa tecnologia e como ela funciona. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

6 - The Teardown - Novo console de jogos Nintendo 3DS XL

Este artigo investiga elementos como a utilização do 3D na utilização do Nintendo3DS, com isso, ele possibilita o usuário a entender como funciona o seu rastreamento facial, e assim ele pode ter mais direção em casos de problemas de usabilidade do produto. Pode ser encontrado em: Link para o artigo

7 - "The Teardown: The Nintendo 3DS games console"

Publicado na revista Engineering & Technology, este artigo examina o design e os componentes internos do Nintendo 3DS, com foco na tela autostereoscópica que permite visualização 3D sem óculos. Ele também discute o núcleo gráfico PICA200 e outras inovações tecnológicas relacionados ao uso no dia a dia do console. Link para o artigo

8 - "A Forensic Methodology for Analyzing Nintendo 3DS Devices"

Este estudo apresenta uma metodologia forense para análise de dispositivos Nintendo 3DS, destacando técnicas para extração e interpretação de dados armazenados. É relevante para entender aspectos de segurança e privacidade relacionados ao uso do console. Link para o artigo

IV - Produtos Relacionados

Nesta seção, serão listados os produtos relacionados com o objeto de estudo, seja na mesma geração ou de uma geração diferente. A modo de comparação, a tabela 1 lista as especificações dos aparelhos escolhidos em relação ao objeto de Estudo:

Tabela 1: Comparação entre Nintendo 3DS e dispositivos relacionados.
Fonte: Adaptado de Rodrigo Copetti Análises Técnicas.

V - Referência Bibliográfica

[1] 3DBREW. Hardware. Disponível em: https://3dbrew.org/wiki/Hardware. Acesso em: 11 abr 2025.
[2] COPETTI, Rodrigo. Nintendo 3DS Architecture. Disponível em: https://www.copetti.org/writings/consoles/nintendo-3ds/. Acesso em: 11 abr 2025.
[3] EETIMES. FCRAM 101 Part 1: Understanding the Basics. EE Times, 19 Mar 2002. Disponível em: https://www.eetimes.com/fcram-101-part-1-understanding-the-basics/. Acesso em: 11 abr 2025.
[4] ARM. Documentation – Arm Developer. Disponível em: https://developer.arm.com/documentation. Acesso em: 11 abr 2025.
[5] ROUSSEL-TARBOURIECH, Gauvain Tanguy Henri Gabriel Isidore et al. Methodically defeating Nintendo Switch security. 2019. Disponível em: https://arxiv.org/abs/1905.07643. Acesso em: 11 abr 2025.
[6] SCIRE, Michael; MEARS, Melissa; MALONEY, Devon; NORMAN, Matthew; TUX, Shaun; MONROE, Phoebe. Attacking the Nintendo 3DS Boot ROMs. 2018. Disponível em: https://arxiv.org/abs/1802.00359. Acesso em: 11 abr 2025.
[7] PAES, João e HUNTER, Noah. Todos os consoles da Nintendo: toda a história de lançamentos de hardware da casa do Mario. IGN Brasil, 5 Abr 2025. Disponível em: https://br.ign.com/nintendo-switch-2/138486/feature/todos-os-consoles-da-nintendo-toda-a-historia-de-lancamentos-de-hardware-da-casa-do-mario. Acesso em: 11 abr 2025.
[8] https://www.ps2-home.com/forum/app.php/page/ps2-vs-psp-specs. Acesso em: 20/04/2025.
[9] https://www.psdevwiki.com/psp/Hardware. Acesso em 20/04/2025.
[10] https://www.hardstore.com.br/shop/products/sony-psp-3000-core-memoria-stick-4gb. Acesso em 21/04/2025.
[11] Site do fabricante com especificações técnicas de vários consoles, incluindo o Nintendo 3DS. Disponível em: https://www.nintendo.com/pt-pt/Consolas-e-acessorios/Historia-da-Nintendo/Nintendo-3DS/Nintendo-3DS-636017.html. Acesso em 21/04/2025.
[12] Donghyun Kim et al., "An SoC with 1.3 gtexels/s 3-D graphics full pipeline for consumer applications," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, no. 1, pp. 71-84, Jan. 2006, doi: 10.1109/JSSC.2005.859330.
[13] TECHTUDO. Nintendo 3DS: veja o guia completo de dicas para o portátil. Disponível em: https://www.techtudo.com.br/noticias/2014/06/nintendo-3ds-veja-o-guia-completo-de-dicas-para-o-portatil.ghtml. Acesso em: 22 abr 2025.
[14] COPETTI, Rodrigo. PlayStation Vita Architecture (Part 1). Disponível em: https://www.copetti.org/writings/consoles/playstation-vita/. Acesso em: 15 abr 2025.
[15] WILSON, R. The teardown: the Nintendo 3DS games console. Engineering & Technology, v. 6, n. 4, p. 82-83, 2011. Disponível em: https://digital-library.theiet.org/doi/10.1049/et.2011.0813. Acesso em: 25 abr. 2025. [16] HOANG, Vinh Thai; ABU BAKAR, Muhammad Azfar; HOH, Jan Shen. A forensic methodology for analyzing Nintendo 3DS devices. Digital Investigation, v. [17], p. S62-S70, 2016. Disponível em: https://www.academia.edu/51952991/A_Forensic_Methodology_for_Analyzing_Nintendo_3DS_Devices?uc-g-sw=11355049 Acesso em: 25 abr. 2025. [17] HUANG, Y. et al. Investigation of autostereoscopic displays based on various display technologies. Nanomaterials, v. 12, n. 3, p. 429, 2022. DOI: 10.3390/nano12030429. Disponível em: https://www.mdpi.com/2079-4991/12/3/429. Acesso em: 25 abr. 2025 [18]: INVENSENSE. MPU-6050 Product Specification. Disponível em: https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf.