Modernizar micros que usan el MC68000
El procesador de Motorola "68000" fue todo un avance cuando se lanzó al mercado a finales de 1979. Era un procesador con registros de 32 bit y un bus de 16 bit. Optimizado para ejecutar código escrito en C y capaz de direccionar 16 Mbyte de memoria. Sin duda pensado para una larga carrera de mejoras futuras y una gran vida comercial útil, como así ha sido. Las primeras versiones se fabricaron con teconología HMOS, encapsulado DIP de 64 patillas y velocidades de 4, 6, y 8 MHz. Este formato DIP64 se mantuvo en producción hasta finales de los 90, aunque Hitachi continúa su producción. La serie 68000 sigue viva bajo la forma de los modernos micro controladores "Dragonball". La compañía que actualmente desarrolla esta y otras familias de procesadores es Freescale Semiconductors, empresa "spin-off" de Motorola. A mediados de los 80 aparecieron las versiones con tecnología CMOS del 68000, diseñadas por Hitachi. Los 68000 con tecnología CMOS son totalmente compatibles con los circuitos diseñados para el 68000, pero con la ventaja de consumir alrededor de 4,5 veces menos a 12 MHz. Un 68000 HMOS original consume 1,35W a cualquier velocidad, mientras que un CMOS consume 0,13W a 8 MHz, 0,23W a 16 MHz y 0,38W a 20 MHz.
En este artículo voy a centrarme sobre modelos Mephisto y Fidelity, aunque todo lo dicho aquí es válido para cualquier Novag o CXG que use un 68000 DIP64 HMOS o un CMOS acelerado.
H+G (MEPHISTO)
En 1983 la empresa alemana Hegener+Glaser, propietaria de la marca Mephisto, comenzó a utilizar el Motorola 68000 a 8 MHz en su producto de alta gama "Mephisto Excalibur". En 1984 salió a la venta el Mephisto "S", con el mismo programa Mephisto III pero usando un procesador Motorola 68000 (MC68000 de ahora en adelante) a 12 MHz. El Mephisto "S" se diseñó como un conjunto de módulos para el sistema modular de Mephisto, compatible con los tableros Modular, Exclusive y München. Quedó empatado en el primer puesto en el campeonato mundial de 1984, en Glasgow.
Placa del Mephisto "S" con 4 EPROM de 16 Kbyte. El procesador es
un Hitachi 68000 12 MHz, con cristal de 12 MHz.
Véase en la parte izquierda los dos chips de SRAM de 8 Kbyte cada uno,
totalizando 16 Kbyte de RAM. Toda una maravilla
tecnológica en 1984, con más poder de proceso y recursos que muchas computadoras
personales
del momento.
En 1985 llegó a Mephisto el programador inglés Richard Lang con su proyecto para el procesador 68000. El primer producto comercial fue el Amsterdam, ganador del mundial celebrado en la ciudad de ese mismo nombre. Mephisto utilizaría en el futuro los nombres de las sedes de los campeonatos mundiales para denominar a sus modelos de gama alta. De hecho basó su estrategia comercial en ganar los mundiales, uno tras otro, siendo el principal patrocinador en casi todos ellos.
Con la Mephisto Amsterdam llegó también una mejora en el diseño de la placa base usada en los módulos con el 68000. Esta modernización consistía en usar 2 EPROM de 32 Kbyte y agregar un convertidor de voltaje directo que podía usarse para conectar el alimentador DC 8V. Esto permitía resolver incompatibilidades con tableros antiguos. También se sustituyó el plástico que cubría la parte visible del módulo por una placa metálica con ranuras para una mejor disipación y ventilación. Un diseño superior, con menos componentes y más fiable.
Placa del Mephisto Amsterdam con el nuevo diseño con 2 EPROM de
32 Kbyte. Véase la toma DC en la parte inferior derecha.
El procesador es un Rockwell (véase el logotipo y el inicio del
código con la letra R). Modelo R68000P10. P10 significa que está diseñado para
10 MHz, aunque pueda soportar 12 MHz. 8527 nos dice que se fabricó en la semana
27 del año 1985. A la derecha podemos ver el cristal de cuarzo de 12 MHz. Las
dos EPROM son muy rápidas, de 20 nanosegundos. Junto a cada EPROM vemos los
chips de SRAM de 8 Kbyte y 12 nanosegundos de velocidad. Aquí vemos que Mephisto
siempre hizo diseños de muy buena calidad, con excelentes componentes,
diferenciándose de todas las marcas competidoras.
Placa de un Roma 68000 actualizado desde un Amsterdam. En este
caso lo sé porque el módulo de teclado aún lleva la pegatina "Amsterdam" y tiene
el mismo número de serie que el módulo de proceso. Lo sabría igualmente porque
el 68000 es de la semana 3 de 1986, bastante anterior a los módulos Dallas y más
viejo aún que los Roma de 1987. Es un modelo MC68000L12. Ignoro la diferencia entre un
L12 y un P12, pero lo cierto es que los "P" son los procesadores "normales" y
otros códigos pueden indicar versiones de menor coste. Agradecerá mucho el
cambio a un 68HC000P16.
Placa de un Dallas 68000. El procesador
es un MC68000P12, perfecto para las especificaciones del Dallas a 12 MHz. Vemos
que está fabricado en la semana 34 de 1986.
Las EPROM tienen en el centro una ventana de material transparente que permite
la llegada de luz al impreso interior. Esto es porque las EPROM son "Erasable"PROM,
borrado que se hace con luz ultravioleta. Por este motivo veremos siempre las
EPROM con una etiqueta sobre ellas, tapando la entrada accidental de luz UV que
pueda
dañar irreversiblemente la información contenida. Normalmente se aprovecha esa
etiqueta para escribir alguna descripción útil acerca del contenido.
Hay que tener en cuenta el elevado precio de los módulos de gama alta en aquellos años (1983-1992). El Exclusive Amsterdam se vendía en Alemania por 2998 Marcos en 1986. Esto equivale aproximadamente a unos 1100€ (unas 185.000 Pesetas), pero de 1986, una fortuna. Al ser productos tan caros, era muy habitual que los clientes actualizaran el programa por un coste mucho menor. El resultado es la existencia de modelos Mephisto de 16 bit en el mercado de segunda mano que usan los dos tipos de placa base. Para diferenciarlos visualmente basta con ver si el módulo de proceso (el que no lleva teclado) tiene o no la toma de DC y las ranuras. Si no las tiene, es una placa tipo "S" actualizada.
Izquierda: Dallas 68000 con toma DC y ranuras de ventilación.
Derecha: Roma 68000 actualizado desde un módulo original tipo "S", sin toma DC y
sin ranuras.
Aunque apenas se aprecia en la imagen, la placa del Dallas es metálica, mientras
que el módulo Roma tiene una etiqueta de plástico cubriendo el módulo.
Placa metálica con las ranuras y el hueco para la toma DC del
módulo Amsterdam.
Mephisto no modificó la placa usada en los módulos 68000 hasta la aparición del Roma II y del Almeria 68000. La nueva placa del Almeria se usaría sin cambios en los modelos Portorose, Lyon y Vancouver.
Placa del Roma II. En 1989 se unificó el conjunto Roma 68000 en
un único módulo. Se utilizó un procesador CMOS a 9,83 MHz que igualaba el
rendimiento del 68000 12 MHz del conjunto antiguo debido a la supresión de los
estados de espera o "wait states". Roma II apenas se calentaba por su 68000 CMOS.
Soportaba una aceleración a 20 MHz sin problemas de funcionamiento y sin
excesivo calentamiento del procesador. En mi caso, hice unas ranuras al módulo
para ventilar mejor, similares a las de los módulos 68020. Años después volví a
colocar el cristal original de 9,83 MHz al conseguir un Roma 68020, con lo que
tener un 68000 acelerado ya no tenía sentido y lo prioritario era su buena
conservación. Mondial 68000XL y Montreal 68000 reducen los estados de espera
también. En esos modelos se dejó la velocidad en 12 MHz, consiguiendo un 20% más
de velocidad que los Dallas y Roma 68000 originales.
Placa del Almeria 68000. Monta un Motorola (MC) 68HC000FN12, es
decir, un 68000 CMOS diseñado para 12 MHz, fabricado en la semana 44 de 1988.
Arriba a la izquierda vemos los 4 x 128 Kbyte de SRAM, totalizando 512 Kbyte.
Placa del Lyon 68000. Con toda seguridad se trata de un Almeria
actualizado a Lyon.
Placa del Vancouver 68000. Este módulo lo aceleré a 20 MHz hasta
que conseguí un 68020. Fue necesario colocar un disipador sobre los 4 chips de
SRAM
porque se calentaban en exceso. Una vez vuelto a los 12 MHz originales, dejé el
añadido sin modificar. Siempre viene bien una mejor refrigeración. Esta placa
tiene ligeras diferencias respecto del Almeria, pero las EPROM son
intercambiables y no supone una evolución como tal.
El metal proviene de un disipador de Pentium, recortado con una
sierra de metales, acoplado sobre silicona refrigerante y fijado con unas gotas
de cyanoacrilato.
En los primeros años (1983-1987) los procesadores tenían aún un elevado precio debido a su aún reciente lanzamiento en 1979. Un procesador 68000 capaz de soportar 12 MHz era muy caro en comparación con los más normales de 8 MHz, ampliamente usados en computadores como los Atari ST y algunos modelos de Apple y Amiga, entre otros. Por este motivo, era muy habitual utilizar un 68000 de 10 MHz acelerado a 12 MHz, con lo que se abarataba el diseño a costa de su fiabilidad, aunque el fabricante del procesador tolerara esa velocidad y el fabricante del micro dedicado cubriera la correspondiente garantía. Esta práctica era aún más habitual con los procesadores 6502 de 8 bit, usando los modelos "P4" de 4 MHz en placas a 5 y 6 MHz.
Placa "S" actualizada a Roma. Monta un procesador Rockwell 68000 de
10 MHz, con un cristal de 12 MHz, fabricado en 1984.
Procesadores HMOS originalmente instalados en las placas de "S" y
Roma 4x16Kb.
68000 HMOS (arriba). El más alto de su gama, fabricado en la
semana 42 de 1989. Vemos que está marcado para soportar 16 MHz, aunque es un
P12"Fast".
68000 CMOS (abajo). Es mucho más moderno, de la semana 44 de 1995. El código P16
nos dice que su diseño nativo es para 16 MHz.
Actualmente es posible conseguir procesadores 68000 con tecnología CMOS y diseñados para velocidades de 16 MHz por unos 25-40 € (más gastos de envío). Los Motorola más veloces del tipo HMOS fueron los MC68000P12F, aptos para 16 MHz. Los modelos CMOS MC68HC000P16, diseñados para 16 MHz, se encuentran fácilmente en tiendas de electrónica en Europa y USA. El modelo MC68HC000P12F también es perfectamente válido para el propósito buscado y es más barato y fácil de encontrar que el MC68HC000P16.
Sustituir los 68000 HMOS originales por 68000 CMOS modernos tiene dos beneficios importantes. El primero es que ponemos un procesador apto para 16 MHz a sólo 12 MHz, con lo que su funcionamiento queda por debajo de sus especificaciones teóricas y eso disminuye notablemente su degradación por el uso. El segundo beneficio es una mucho menor cantidad de calor disipado, con lo que todo el conjunto soporta una temperatura más baja. Con los costes actuales de un 68000 CMOS, está plenamente justificado el sustituir los procesadores y alargar la vida de nuestras queridas computadoras de ajedrez. Recurrir a los modelos HMOS P12F sólo aportará la ventaja de tener un procesador superior a la velocidad utilizada realmente, pero no mejorará el aspecto de la temperatura. La ventaja, su menor coste frente al modelo CMOS.
Veamos el procedimiento, muy sencillo, aunque requiere un cierto método y cuidado.
Los procesadores nuevos vienen con las patillas en ángulo abierto hacia el exterior. Esto aumenta la presión del contacto al introducirlo en el zócalo con la herramienta adecuada, que no tenemos. Por esto hay que corregir ligeramente ese ángulo antes de proceder a sustituir el procesador.
Apoyando contra una superficie plana y aplicando fuerza con los dedos, muy lentamente, iremos corrigiendo el ángulo en ambos lados, hasta que las dos hileras de patillas sean casi paralelas. Siempre sin prisas y sin brusquedades. Si se dobla accidentalmente una patilla, podemos ponerla bien con unas pinzas, siempre con cuidado de no doblar por otro punto y acabar teniendo una patilla en forma de S. Si tenemos tendencia a sudar, utilizamos unos guantes desechables finos, como los usados en el sector sanitario. Como siempre que se opera con electrónica, antes hay que "descargarse" de estática tocando algo metálico. Ojo con los destornilladores imantados, hay que evitarlos.
Placa del Roma 4x16Kb (ex "S") tras extraer el procesador. Un destornillador plano, palanqueando con torsión combinada, suavemente por ambos extremos, es una herramienta adecuada para sacar el procesador sin doblar las patillas. Normalmente es bastante con tres ciclos de palanqueo. El punto ideal para palanquear es junto a la patilla primera del procesador en cada esquina, aplicando la torsión de manera que un lado de la pala apoye contra la parte gruesa externa del zócalo y la otra contra el procesador, sin apoyar en los travesaños. Es fácil partir un travesaño del zócalo, que es más delgado, si aplicamos la presión contra él y el procesador está muy apretado. No pasa nada si se parte un travesaño ya que todo el zócalo está soldado, pero mejor si lo evitamos. Lo ideal es que vaya saliendo al mismo ritmo en ambas hileras de patillas. Si sale antes de un lado y lo notamos aún agarrado por el otro, hay que extremar las precauciones con el último palanqueo o doblaremos las patillas. Si sucede, recurrimos a las pinzas para dejarlas bien antes de guardar el procesador clavado en una esponjilla para proteger las patillas.
Aseguramos bien que todas las patillas están en el agujero correcto y rectas antes de aplicar la presión final.
Conviene tomar una fotografía para no confundir la posición del procesador. Si no, no funcionará, aunque no se estropeará la placa, pero es mejor hacerlo bien a la primera y evitar el riesgo de una segunda extracción. Si una patilla se rompe, podemos despedirnos del procesador. Hay que ir con mucho cuidado y revisar bien que todas las patillas están perfectamente alineadas antes de introducir el procesador y que todas entran bien en su correspondiente agujero antes de presionar definitivamente. No hay que forzar. Si no hemos conseguido el ángulo adecuado de las patillas para que se sitúen bien, repetimos la maniobra explicada antes y lo solucionamos. Todo el tiempo dedicado a verificar es una buena inversión en este tipo de trabajos.
Ya tenemos la placa del Mephisto "S" con el procesador CMOS instalado.
Cerramos el módulo y lo ponemos a pensar en nivel infinito unas 4-5 horas.
Apagamos, sacamos y abrimos rápidamente el módulo. Observaremos al tacto que las EPROM están más calientes que el propio procesador, así que misión cumplida. No
es necesario comprobar esto en otros módulos porque sabemos ya que el efecto es
el deseado. Si no disponemos de un 68000 CMOS, sustituir el original por un HMOS
MC68000P12F no reducirá la temperatura. Pienso que no es un cambio lo bastante
beneficioso salvo que el original no sea un P12 y vaya forzado. En mi caso, como
no tenía suficientes 68000 CMOS, usé un MC68000P12F para la placa del Roma 4x16Kb. Uso
menos ese módulo en favor del Roma 68000 2x32Kb, más eficiente y compatible con
todos los tableros. El módulo Roma 4x16Kb se bloqueaba tras horas de uso, sin
duda por excesivo calentamiento de su procesador "P10", problema
solucionado con un P12F mientras espera la posible llegada de un CMOS. Todos los
coleccionistas tenemos una parte "irracional", y prefiero usar el Roma 68000 al
Roma II, aunque sean programas idénticos. "No es lo mismo" ver los dos módulos
originales de 16 bit puestos en el tablero que el "soso" Roma II, aunque su
placa base sea la más avanzada de los tres Roma 68000.
Placa del Amsterdam con el MC68HC000P16 instalado. Tras más de 8 horas
analizando, el procesador no se percibe caliente al tacto.
La diferencia de
temperatura es muy considerable en comparación con el procesador HMOS original.
FIDELITY ELECTRONICS
Fidelity Electronics, de U.S.A., introdujo el 68000 en el año 1987, en su modelo Excel 68000, luego denominado Excel 68000 Club para diferenciarlo del modelo Excel 68000 Mach II. Excel 68000 contaba con un 68000 a 12 MHz, 64 Kbyte ROM y 16 Kbyte RAM.
Parte de la placa del Fidelity Excel 68000 Club, en este caso con
el programa "B". El procesador es un Hitachi (HD) CMOS (HC), modelo
HD68HC000P12.
Hitachi diseñó la versión CMOS del 68000 que luego también fabricó la propia Motorola. Vemos que Fidelity también utilizó buenos componentes en sus productos. Las EPROM son de 15 nanosegundos, muy rápidas, igual que los dos chips de SRAM (2x8Kb) de 10 nanosegundos.
En 1988 salió al mercado el modelo Excel 68000 Mach II, que incorporaba idéntico programa que Excel 68000 Club "B" pero con 128 Kbyte de memoria con chips "Dynamic"RAM en lugar de los habituales "Static"RAM. Fidelity apostó por este tipo de memorias pero de manera irregular. Los modelos Elite 680x0 usaban DRAM mientras que Designer 2265 utilizaba SRAM por su menor coste. Excel 68000 ya se benefició de un 68000 CMOS, el modelo MC68HC000P12, el adecuado para la frecuencia de 12 MHz.
En el caso de Fidelity, el Designer 2265 de 1989 ya utiliza un MC68HC000P12F apto para 16 MHz, aunque sea un P12. Fidelity no usa zócalos en ese modelo, con lo que el procesador y las EPROM van soldados a la placa.
Detalle de la placa del Designer 2265. Vemos el MC68HC000P12F y
el cristal de cuarzo de 16 MHz.
A su izquierda las dos EPROM de 32 Kbyte, dos chips de SRAM CMOS de 32 Kbyte
(los 64 Kbyte para hash tables)
y otros dos de 8 Kbyte (los 16 Kbyte de SRAM para el propio programa).
Elite Avantagrde V2 monta un 68000 a 16 MHz con 128 Kbyte de DRAM. Se fabricó la V5, con dos procesadores 68000. Uno se ocupa de analizar mientras que el otro gestiona el resto de trabajos, como manejo de displays, interacción con el usuario, etc. El resultado es una ganancia de velocidad de casi un 50%, pero no es realmente un sistema de multiproceso simétrico. Las versiones 3 y 4 utilizan el 68000 a 16 MHz, pero se diferencian de la V2 en la cantidad de RAM, contando con 512 Kbyte y 1024 Kbyte respectivamente. Doblar la RAM en estos modelos aporta teóricamente un 8% de incremento de velocidad en ritmo de torneo 40/2. Así, la V4 es un 24% más rápida que la V2.
Placa del Elite Avantgarde V2. Han borrado los datos del 68000,
pero por su baja temperatura debe ser un "68HC000xxx".
En la zona central vemos los 4 zócalos para los "SIMM" de memoria DRAM diseñados
por la propia Fidelity. Son chips DRAM
muy rápidos, tanto como los SRAM. Los SIMM tan rápidos no se encontraban en el
mercado convencional, motivo por el que
Fidelity debió fabricarlos. A la izquierda del 68000 vemos dos EPROM de 64 Kbyte
cada una, dos chips EEPROM de 8 Kbyte
y dos chips de memoria SRAM de 8 Kbyte cada uno.
Los procesadores 6502 también se prestan a mejoras importantes, pero es muy difícil conseguirlos por encima de modelos P4. Su impacto en la historia electrónica no ha sido comparable al del 68000 y hay menos unidades a la venta como resto de serie. Las Mephisto Milano utilizan un P8 puesto a 4,91 MHz. Si estamos muy desesperados, podemos recurrir al desguace de una Milano o a intercambiar su procesador con el de la máquina a mejorar. El problema habitual es sufrir bloqueos de máquinas tras muchas horas de funcionamiento por calentamiento excesivo del procesador. Esto se soluciona usando un modelo diseñado para más MHz. Cuando un procesador sufre de sobre calentamiento, su temperatura siempre será más elevada desde ese momento, entrando en una espiral que suele acabar con la vida del procesador si no se toman medidas para mejorar la refrigeración.
Veremos en otro artículo las opciones que hay para los 68020 y 68030.
Álvaro
Benlloch
ANACA Digital - Julio 2011