MOS Technologies 6502

Der MOS Technology 6502 ist ein 8-Bit-Mikroprozessor von MOS Technology, Inc., der 1975 auf den Markt kam. Aufgrund seiner Unkompliziertheit und vor allem des im Vergleich zu den etablierten Intel- und Motorola-Prozessoren sehr niedrigen Preises bei großer Leistungsfähigkeit wurde er in vielen Heimcomputern (z. B. dem Commodore VC-20 und seinem Vorgänger PET 2001, dem Atari 800 XL, Apple I, Apple II und BBC Micro), zahlreichen Schachcomputern (z. B. dem Mephisto Polgar mit 5 oder 10 MHz) und Peripherie-Geräten verbaut.

Auch andere Mitglieder dieser Prozessorfamilie waren sehr erfolgreich, so der 6510, ein Bestandteil des Commodore 64, und der 6507 in den Atari-Spielkonsolen. Hauptkonkurrent war damals der Zilog Z80, der z. B. in den Sinclair- und Schneider-Computern sowie in CP/M-Rechnern zu finden war. Der Prozessor wurde unter der Leitung von Chuck Peddle entwickelt.

MOS-6502-Prozessor

Allgemeines

MOS-6502-Prozessor Keramik weiß

Das Design des 6502 wurde an den Motorola 6800 angelehnt (nicht zu verwechseln mit dem jüngeren Motorola 68000). Der Befehlssatz ist ähnlich, aber statt eines 16-Bit Index-Registers werden zwei 8-Bit Index-Register verwendet, deren Wert auf eine im Speicher (auch im Programmcode) vorgegebene 16-Bit-Adresse addiert wird. Deswegen haben 6502-Programme einen anderen Stil: Für Arrays, die größer als 256 Bytes sind, muss ein zusätzlicher Programmieraufwand betrieben werden. Andererseits geht die Manipulation von 8-Bit-Werten auf einem 8-Bit-Mikroprozessor erheblich schneller vonstatten. Anders als 16-Bit-Register des 6800 oder etwa Z80, welche eine absolute Adresse darstellen, stellen die 8-Bit-Register des 6502 lediglich einen Array-Index dar, und in manchen Fällen kann ein einziger 8-Bit-Increment- oder Decrement-Befehl sowohl das Zählen der Adressen als auch das Setzen der Bedingung für den Schleifenabbruch bei index=0 leisten, was zu kompakten und schnellen Schleifen führt. Der einfacher gehaltene Befehlssatz führt allerdings dazu, dass 6502-Programme im Normalfall deutlich mehr Speicher brauchen als das gleiche leistende 6800- oder Z80-Programme; zudem sind standardkonforme Compiler für höhere Programmiersprachen wie etwa Pascal oder C auf dem 6502 deutlich schwieriger implementierbar als auf anderen 8-Bit-Prozessoren. Die Ursache hierfür ist vor allem die auf 256 Bytes beschränkte Größe des Hardware-Stapelspeichers im 6502.

Technisch war der 6502 durchaus innovativ:

• Er war der erste Mikroprozessor mit rudimentärer (zweistufiger) Pipeline-Architektur, d. h. wenn nur noch interne Schaltschritte für einen Befehl notwendig waren, konnte der nächste Befehl bereits gleichzeitig aus dem Speicher geholt werden. Eine echte Pipeline mit Überlappung der Lese- und Schreibzugriffe mehrerer Befehle gab es aber noch nicht.
• Sein Befehlssatz kann – zumindest im Vergleich zur direkten Konkurrenz Intel 8080 – als „fast orthogonal“ angesehen werden.

Varianten des 6502-Prozessors werden heute (Stand 2008) unter anderen in folgenden Geräten eingesetzt:

• Prozessorkern der Mikrocontroller Mitsubishi/Renesas (38000/740 Series)
• VMC Scal von Micronas Intermetall (eingesetzt in Automotive- und Fernseh-Technik)
• Taschenrechnern wie HP-35s
• Controller in verschiedenen PC-Tastaturen

Als Cross-Compiler wurde häufig der cc65 eingesetzt.

Technische Daten

Mitsubishi M50747 und M50734 Mikrocontroller, basierend auf 6502

• Technologie: NMOS, HMOS, CMOS
• Anzahl Transistoren: ca. 5000
• Taktfrequenz: traditionell 20 kHz bis 4 MHz; CMOS-Version: 0 bis 14 MHz
• Taktzyklen je Befehl: 2 bis 7
• Adressraum: 64 KByte, dabei kein separater I/O-Adressraum (wie z. B. beim Intel 8080), d. h. alles I/O wird per Memory Mapped I/O realisiert.
• Adressbusbreite: 16 Bit
• Datenbusbreite: 8 Bit
• Interrupts: ein NMI, ein IRQ, sowie Software-Interrupt über BRK-Befehl
• Befehle: traditionell 56, CMOS-Version: 70
• Adressierungsarten: traditionell 13, CMOS-Version: 16
• Byte-Reihenfolge: Little Endian
• Register:
  • Akkumulator, 8 Bit
  • 2 Index-Register (X und Y), 8 Bit, eigentlich ein Offset-Register: es wird zu einer 16-Bit-Adresse addiert, die je nach Adressierungsart im Opcode oder in der Zeropage steht.
  • Stapelzeiger, 16 Bit, allerdings ist das High-Byte konstant auf $01 festgelegt, so dass der Stapel nur 256 Bytes umfasst.
  • Prozessorstatus-Register, 7 Bit (Flags: Carry, Zero, Decimal, Interrupt Disable, Break*, unbenutzt, Overflow, Negative)
  • Befehlszähler, 16 Bit
  • Die Zeropage (Adressbereich $00xx) kann aufgrund ihrer speziellen, schnelleren Adressierungsarten und ihrer Verwendung bei indizierter Adressierung auch als Registerbank oder Register-File angesehen werden

*Hinweis: Das Break-Flag existiert nur auf dem Stack nach einem BRK-Befehl, nicht im Prozessor selbst (es hat keine eigenen Setz- und Testbefehle und wird auch durch die Befehle PLP und PHP nicht verarbeitet).

Befehlssatz

Hier ein paar Beispiele von Maschinenbefehlen, bzw. deren Mnemonics:

LDA #$FF     - lädt ("LoaD") das Register "Akkumulator" mit dem Hex-Zahleninhalt FF (also 255 dez.)

LDA $C000    - lädt den Akkumulator mit dem Inhalt der absoluten Speicheradresse
               HEX C000 (also 49152 dez.)

LDA ($24),Y  - lädt den Akkumulator mit dem Inhalt jener Speicheradresse,
               welche sich ergibt, indem zu der 16-Bit-Zahl in den Adressen HEX 24
               und HEX 25 der Inhalt des Y-Registers addiert wurde.
               Siehe Zeropage, indirekte Adressierung

STA $C000    - speichert ("STore") den Inhalt des Akkumulators (1 Byte) in der Speicheradresse HEX C000

CMP #$7F     - vergleicht ("CoMPare") den Inhalt des Akkumulators mit dem Zahlenwert HEX 7F (127 dez.)
               und setzt die Flags entsprechend

CPX $C0      - vergleicht den Inhalt des Registers X mit dem Inhalt der Speicherzelle HEX C0

CPY #$C0     - vergleicht den Inhalt des Registers Y mit dem Zahlenwert HEX C0

BEQ $FC00    - "Branch if result is EQual" = verzweigt, wenn der vorausgegangene Vergleich
               eine Gleichheit ergab (wird anhand der Flags erinnert). In diesem Fall würde das
               Maschinenprogramm an Adresse FC00 weiterlaufen, andernfalls einfach beim nächsten Befehl.

BNE $FC00    - "Branch if result is Not Equal" = verzweigt, wenn der Vergleich
               eine Ungleichheit ergab.

INX          - "INcrement X" = erhöht den Inhalt des Registers X um 1.

DEX          - "DEcrement X" = verringert den Inhalt des Registers X um 1.

JSR $FC00    - "Jump to SubRoutine": springt zur Subroutine (Unterprogramm) nach HEX FC00.
               Die Rücksprungadresse besteht aus 2 Byte und wird auf dem Stack (Stapel) abgelegt.

RTS          - "ReTurn from Subroutine": kehrt aus der Subroutine zurück und fährt bei dem Befehl direkt
               hinter dem zuletzt ausgeführten JSR fort. Dabei wird die Rücksprungadresse
               aus dem Stack ausgelesen.

In Assembler-Programmtexten des 6502 haben das Dollar- und Nummern-Zeichen sowie die Klammern folgende Bedeutung:

$ - Der auf das $-Zeichen folgende Wert ist eine in HEX angegebene Zahl. Ohne $ ist bei Ziffern eine Dezimalzahl, bei Buchstaben eine symbolische Konstante gemeint.

# - Der auf das #-Zeichen folgende Wert ist eine direkt zu verwendende („immediate“ auch: „Literal“) Zahl und nicht eine Speicheradresse, deren Inhalt zu verwenden ist.

( ) - Die in den Klammern genannte Speicheradresse ist nicht direkt zu verwenden, sondern enthält selbst wiederum die gemeinte Speicheradresse (indirekte Adressierung: „Pointer“).

Varianten des 6502

Teil einer C64-Platine mit einigen Chips von MOS Technology, u. a. einer 6510-CPU.

• 2002
  • von Yamaha
• 38000
  • Microcontrollerfamilie von Renesas Technology mit 740er Kern. Siehe 740
• 6501
  • Gehäuse- und signalkompatibel (nicht softwarekompatibel) zum Motorola 6800. Musste nach einer Patentverletzungsklage Motorolas eingestellt werden.
• 6502
  • eingesetzt in den Commodore-PET- und -CBM-Modellen PET 2001 bis CBM 8296 sowie im VC20 und den Floppy-Laufwerken 1540 und 1541.
  • eingesetzt im Apple II, im Apple II+, und im nicht erweiterten Apple IIe
  • eingesetzt im Ohio Scientific Superboard II
• 6502A
  • 2 MHz Taktung
  • eingesetzt im Apple III
  • eingesetzt in 8-Bit Atari Homecomputern wie Atari 400, Atari 800 mit 1,79 MHz
• 6502B
  • 3 MHz Taktung
• 6502C
  • extra Pin namens HALT
  • eingesetzt in 8-Bit Atari Homecomputern wie Atari 800XL, Atari 130 XE usw. mit 1,79 MHz Taktung
• 65C02
  • CMOS-Technologie
  • Zusätzliche Befehle und Adressierungsmodi
  • keine illegalen Opcodes
  • Einige Befehle benötigen unter bestimmten Voraussetzungen weniger oder mehr Taktzyklen als im 6502
  • Eingesetzt im erweiterten Apple IIe und im Apple IIc und in einigen frühen Beschleunigerkarten für 6502-Systeme
  • Hergestellt von Western Design Center
• 65SC02
  • Leicht eingeschränkter Befehlssatz (keine Bitbefehle, echte Teilmenge des 65816) gegenüber dem 65C02
  • Eingesetzt im Atari Lynx und Watara Supervision mit 4 MHz-Taktung
  • Hergestellt von GTE und CMD
• 65CE02
  • Zusätzliche 16-Bit-RMW-Befehle
  • Relative Sprünge und Unterprogrammaufrufe mit 16-Bit-Offset
  • Eingesetzt im Commodore C65 (4510) und A2232
  • 3,54 MHz Taktung
• 65C102, 65C112
  • Für Multiprozessorbetrieb ausgelegt, wobei der 65C112 als Slave dient
  • Eingesetzt im BBC Micro
• 6503, 6505, 6506
  • 12 Bit Adressbus (4 KB)
• 6504, 6507
  • 13 Bit Adressbus (8 KB), eingesetzt z. B. in Commodore-Tastaturen (Amiga 1000) und in Floppy-Laufwerken (Atari 1050)
  • 6507 eingesetzt im Atari 2600 mit 1,19 MHz-Taktung
• 6508
  • Eingesetzt im NES
• 6509
  • 20 Bit Adressbus (1 MB) durch internes Bankswitching
  • Eingesetzt in den Commodore-PET-II Modellen (CBM 500, 600 und 700).
• 6510
  • 6502 mit zusätzlichem 6-Bit-I/O-Port
  • Eingesetzt im C64 mit 985 kHz (PAL-Version) respektive 1022 kHz (NTSC-Version) Takt
• 6511
  • Microcontroller mit I/O-Ports, serieller Schnittstelle und RAM, von Rockwell
• 65F11
  • Variante des 6511 mit integriertem Forth-Interpreter
• 6512 bis 6518
  • Variante des entsprechenden 650x, aber ohne eingebauten Oszillator.
• 65C00/21, 65C29
  • Multiplizier-Befehl
  • von Rockwell
• 6570, 6571
  • Eingesetzt in Amiga-Tastaturen
• 6280
  • Entwickelt von NEC auf Basis der 65SC02
  • incl. MMU (2 MB adressierbar)
  • 6-Kanal PSG
  • Eingesetzt in der PC Engine
• 6702
  • eingesetzt nur im Plug-in Board des Commodore SuperPET
• 740
  • Microcontrollerfamilie von Renesas Technology (vormals Mitsubishi Electric)
  • Basierend auf der 65C02
  • mehr als 100 Varianten
  • bis 60 KB ROM/PROM/Flash onchip
  • bis 2 KB RAM onchip
  • erweiterter Befehlssatz
    • Multiplikation
    • Division
    • Erweiterte Bitbefehle
    • Stop/Wait
  • Neue Adressierungsarten
    • Transfer (Speicher Speicher Befehle)
    • Special Page
    • Bit-Relativ
  • Bis 17 MHz
• 7501
  • 6502 in HMOS-Technologie
  • Eingesetzt im C16 und Plus/4
• 8500
  • 6510 in CMOS-Technologie
• 8502
  • 6510 umschaltbar auf 2 MHz
  • 7-Bit-I/O-Port
  • Eingesetzt im C128
• 65802 (65C802)
  • Variante des 65816, die pinkompatibel zum 6502 ist, Adressraum daher wie dieser nur 64 KB
  • Zum direkten Austausch des 6502 in bereits bestehenden Schaltungen gedacht
  • Bis zu 16 MHz
• 65816 (65C816)
  • Entwickelt von Western Design Center
  • Eingesetzt u. a. im Apple IIgs, Nintendo SNES (als Ricoh 5A22), den meisten Beschleunigungskarten für 6502-Rechner
  • 16-Bit-Register und ALU
  • 24-Bit-Adressbus (16 MB)
  • Bis zu 24 MHz
  • Braucht im Vergleich zum 6502 (wohl wegen des zusätzlichen Adressbytes) für viele Befehle einen Takt länger

Trivia

• Der fiktive Roboter Bender aus der Zeichentrickserie Futurama hat einen 6502-Prozessor als CPU.

• In dem Spielfilm Terminator (1984) wird aus Sicht des Terminators ein 6502-Assembler-Programm angezeigt (vermutlich vom Apple IIe). Weiterhin wird das Ergebnis des Prüfsummen-Programms Key Perfect (in der Version 4.0), das im Nibble magazine veröffentlicht wurde, angezeigt.

Literatur

• Bagnall, Brian: On The Edge: The Spectacular Rise and Fall of Commodore, ISBN 0973864907
• Rodnay Zaks: Programmierung des 6502. Jetzt auch mit 6510, 65C02, 65SC02, ISBN 3887456009
• Lance A. Leventhal: 6502. Programmieren in ASSEMBLER, ISBN 3921803101
• Ekkehard Flögel: Programmieren in Maschinensprache mit dem 6502, ISBN 3921682614

Weblinks

• 6502.org – Informationen zum 6502-Prozessor
• Western Design Center – Entwickler der 65C02/65816
• DEMA – Distributor für WDC in Deutschland

• Datenblatt von Dema

• CCOM – Commodore Computer Online Museum
• 6502-Seite von Homecomputermuseum.de
• 6502 Prozessoren und Varianten: Bilder und Beschreibungen auf cpu-collection.de
• CPU-World – Überblick über die verschiedenen Hersteller