Analizador lógico: Análisis de ROM de Atari 2600

TUTORIAL PRÁCTICA 1 Analizador lógico: Análisis de ROM de Atari 2600 1. Introducción a la práctica Los sistemas digitales tienen muchas señales, por lo que probar su buen funcionamiento en el laboratorio requiere conocer muchos valores binarios. El instrumento que realiza esta labor es el analizador lógico, al cual se dedica esta práctica. Como sistema bajo test (SUT: System Under Test) se dispondrá de unas placas consistentes en un contador de 12 bits que direcciona una ROM de 4kx8 bits. La placa ya está construida y el alumno solamente tendrá que insertar una ROM en el zócalo adecuado. Para hacer funcionar a la placa se deberán generar tres señales, una de reloj y las otras, de alimentación y masa. En esta tarea el alumno utilizará el instrumental electrónico habitual: fuente de alimentación, generador de señales y osciloscopio. La ROM utilizada en esta práctica contiene un juego del antiguo Atari 2600. El analizador lógico permite capturar el contenido de ese juego y, con ayuda de un programa de emulación, se podrá jugar con él en el PC del laboratorio. Este tutorial está organizado de la siguiente forma: En el apartado 2 se describe el circuito de la placa, se recuerda cómo alimentarla y se sugiere qué hacer para comprobar que funciona con el osciloscopio. En el apartado 3 se introduce el analizador lógico y sus principales formas de funcionar. En el apartado 4 se muestran los pasos para hacer la emulación del juego y poder jugar. 1 Esta práctica se debe fundamentalmente al trabajo de David Guerrero Martos, profesor del DTE. 23-feb-15 Rev. mv2

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 2 2. Sistema bajo test (SUT) Para realizar la práctica se han hecho diversos modelos de placas, con ligeras diferencias de uno a otro. La Fig. 1 muestra un esquema del circuito montado en una de las placas. Vcc GND La placa recibe del exterior alimentación, masa y reloj. PLACA A 11 :A 0 El Cont[12] es un contador ascendente de 12 bits construido mediante conexión en cascada de 3 contadores de 4 bits (74191). Los 12 bits de salida del contador se usan Ckext Cont [12] Arari ROM 4kx8 D 7 :D 0 para direccionar la ROM de Atari. El detalle de este circuito se muestra abajo. Cada flanco de subida del reloj externo causa un nuevo valor de cuenta con lo que se accede a una nueva palabra de ROM. FC 2:0 La placa genera como salidas los 12 bits de direcciones A 11 :A 0, los 8 bits del contenido de la palabra de ROM direccionada, D 7 :D 0, y las tres señales de Fin de Cuenta, FC 2:0, cada una de uno de los tres contadores de 4 bits. Figura 1. Circuito de la placa para leer ROM de Atari.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 3 En el circuito mostrado en la figura, el contador ascendente de 12 bits está construido por tres contadores de 4 bits 2 conectados en cascada. Los dos menos significativos (74191-0 y 74191-1) se han conectado en modo síncrono y son disparados por el flanco positivo del reloj externo CLK (también referido como Ckext), mientras que el tercero y más significativo, 74191-2, se ha conectado en modo ripple con el 74191-1. Por su parte, la ROM está siempre seleccionada, por lo que el contenido de la palabra direccionada aparecerá siempre en sus salidas D 7 :D 0. Los 12 bits del estado de cuenta forman la dirección A 11 :A 0 de la palabra de ROM. Como el contador construido opera cíclicamente, esto es, está contando siempre (mod. 2 12 ), se están recorriendo las 4k palabras de ROM continuamente por lo que se accede a toda la información almacenada en ella. Para hacer funcionar la placa basta insertar la ROM en el zócalo correspondiente y hacerle llegar las señales de alimentación y de reloj (5V, GND; cuadrada 0-5V y 25 khz). Antes de conectarla al analizador lógico deberá comprobarse que opera correctamente. Después, con el instrumental apagado, deberá conectar la placa al analizador lógico. Siga los siguientes pasos: Procedimiento de puesta en marcha de la placa, su comprobación y su conexión: 1. Tras recoger el material (placa de circuito, cartucho juego Atari y sistema de captura e interfaz del analizador lógico), extraiga la ROM del juego e insértela en el zócalo de la placa. La ROM tiene que ser insertada adecuadamente. En el zócalo se ha incluido un tope y se ha hecho una hendidura en la plaquita de ROM para ayudar a conectarla bien. La cara con el chip de la ROM debe estar orientada hacia los pines de datos D 7 :D 0. 2. Genere las señales externas (5V, GND; cuadrada 0-5V y 25 khz), compruébelas con el osciloscopio y conéctelas a la placa. Use el instrumental electrónico (fuente de alimentación y generador de funciones) para generar las señales y el osciloscopio para visualizarlas. Obtenga de la fuente de alimentación las señales de 5 V y GND (no use los bornes de valor fijo de la fuente) y conéctelas a la placa. Obtenga una señal cuadrada entre 0 y 5 V de 25 khz y conéctela a la placa. Con ello el circuito debe estar funcionando. 2 El contador de 4 bits utilizado es el circuito integrado 74191. Aparte de sus 4 salidas de estado (Q) y sus 4 entradas de datos para carga en paralelo (P) dispone de las siguientes señales: CP (Clock Pulse, entrada): es la señal de cuenta y es activa en el flanco de subida. CE (Count Enable, entrada): es la señal de habilitación de cuenta (activa en bajo). PL (Parallel Load, entrada): Cuando vale cero el contador realiza una carga asíncrona en paralelo. U/D (Up/Down, entrada): indica si la cuenta será ascendente (valor 0) o descendente (valor 1). TC (Terminal Count, salida): Indica el fin del ciclo de cuenta (denominada FC en la práctica) y se activa en el estado 1111 si Up y en 0000 si Down). RC (Ripple Clock, salida): Si CE está activada y el contador está en el último estado de cuenta es igual a CP; en otro caso vale 1. En ese último estado, RC genera una subida sincronizada con la subida de CP.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 4 3. Compruebe la placa. Para ello vea en el osciloscopio las señales de la placa siguientes (use los dos canales del osciloscopio y, en cada caso, dispare trigger- el osciloscopio con la señal más lenta): reloj, A 0, A 1, FC 0, FC 1 y FC 2. 4. Apague los instrumentos antes de interconectar la placa con el analizador lógico. Obviamente debe mantener sin modificar los controles del instrumental. 5. Conecte la placa con los canales de la placa de adquisición del analizador lógico. La tabla de conexiones se muestra en la Fig. 2. La placa de esta figura no es el único modelo que hay, por lo que la suya puede ser ligeramente diferente. En todo caso debe seguir la tabla de las conexiones. Importante: La señal del reloj es el cable gris último, nº 31 (y no el 23). 6. Conecte la placa de adquisición del analizador lógico al PC. Encienda el PC (SO Windows XP) y conecte la placa al puerto USB. 7. Haga funcionar al circuito. Conecte la fuente de alimentación y el generador de señales para que funcione el circuito. Visión de uno de los modelos de placas. En este caso cada señal tiene dos terminales donde poder hacer la conexión (en la figura, 2 cuadraditos paralelos para D0, otros 2 para D1, etc.). Analizador Analizador Placa Canal Color Canal Color Placa 0 Marrón D0 12 Verde A4 1 Rojo D1 13 Azul A5 2 Naranja D2 14 Magenta A6 3 Amarillo D3 15 Gris A7 4 Verde D4 16 Marrón A8 5 Azul D5 17 Rojo A9 6 Magenta D6 18 Naranja A10 7 Gris D7 19 Amarillo A11 8 Marrón A0 20 Verde FC0 9 Rojo A1 21 Azul FC1 10 Naranja A2 22 Magenta FC2 11 Amarillo A3 Al final : GND Negro GND 31 Gris CLK Figura 2. Visión de uno de los modelos de placas. Tabla de conexiones con analizador lógico.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 5 3. Analizador lógico LA-2132 El análisis de señales digitales se hace mediante el analizador lógico, instrumento que se presenta en esta práctica. El analizador lógico es un instrumento de laboratorio que permite medir un gran número de señales binarias, lo que facilita enormemente el test de circuitos y sistemas digitales ya que estos poseen un alto número de señales binarias (entradas, internas y salidas). Por ejemplo, una sola memoria de acceso directo de 4kx8 bits tiene 12 líneas de dirección y 8 de datos, además de otras posibles señales de control. Al igual que el osciloscopio, el analizador lógico mide la evolución en el tiempo de señales de tensión, pero entre ambos existen importantes diferencias: El osciloscopio puede medir simultáneamente solo un número reducido de señales (usualmente 2), mientras que el analizador puede leer multitud de ellas (del orden de decenas). Si en el osciloscopio cada señal se capta mediante una sonda, en el analizador cada señal se conduce mediante un canal. El osciloscopio mide niveles continuos de tensión, mientras que el analizador lógico sólo establece si las señales están por encima o por debajo de un determinado umbral. De esta forma el analizador puede indicar el valor lógico de una señal (0 ó 1), pero no puede concretar su valor de tensión. El osciloscopio monitoriza y representa continuamente las señales, en tiempo real. El analizador, por el contrario, sólo examina las señales en ciertos instantes de tiempo para registrar su valor lógico en una memoria interna (la acción de leer y registrar el valor lógico de las señales se denomina captura o muestreo). El analizador sólo puede informar del valor lógico que tienen las señales en los instantes de captura. Para obtener cada captura, un sistema muestrea en un momento dado el valor de tensión de cada señal y determina si supera o no el nivel umbral, otorgándole así el valor 0 o 1. Los analizadores pueden realizar las capturas espaciadas en el tiempo en un periodo seleccionable: Internamente. Para ello disponen de un reloj interno con el que se controla el número muestras (samples) por segundo que capturan usando los múltiplos habituales (p. ej., 1 ksa significa mil muestras por segundo), o en el valor del periodo de muestreo (tiempo que transcurre entre dos muestras consecutivas y que, en el ejemplo anterior, sería 1 ms) o en su concepto inverso, la frecuencia de muestreo (1 khz, en el ejemplo anterior). Externamente. Para ello usan una señal externa, normalmente es el reloj externo, que es conectada al analizador lógico a través de una entrada especial. La captura se realizará en uno de los flancos de esa señal externa, pudiendo elegirse si es el de subida o el de bajada. Importante. Cuando se usa el reloj del sistema bajo test como reloj externo de muestreo, el analizador lógico opera sincronizadamente con el sistema y captura un único valor de datos por ciclo de reloj. Por el contrario, cuando se utiliza el reloj interno para muestrear, las capturas de

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 6 datos no están sincronizadas con la operación del sistema bajo test y, según sea la relación entre las frecuencias del sistema y la de muestreo, podrán capturarse múltiples veces el mismo dato del sistema (frecuencia de muestreo mayor que la del sistema) o, en caso contrario, capturar sólo alguno de los muchos datos que ocurren en los ciclos de reloj. Cada captura conlleva muestrear las señales para adquirir sus valores y almacenarlos en la memoria propia del analizador lógico. En general permite también formas variadas de capturas, desde estar capturando datos continuamente hasta hacer únicamente una captura. Además, el analizador lógico puede configurarse para que empiece a registrar los datos al detectar un determinado patrón en los canales de datos (a este patrón se le denomina palabra de disparo o trigger word). Esto facilita muchas tareas del test de circuitos sobre todo cuando son complejos, como son: aprovechar la memoria de almacenamiento de datos capturados para los que sean de interés, operar con una especie de disparo que estabilice los datos capturados, etc. Una vez capturados los valores, el analizador lógico permite: observar las señales digitales del circuito representándolas en un monitor, facilitar recursos de visualización, hacer medidas temporales y salvar los datos capturados en ficheros externos. En esta práctica de laboratorio disponemos de analizadores lógicos sobre PC, concretamente el modelo LA-2132. Cada LA-2132 consiste en: Una placa de adquisición. Contiene la interfaz entre los canales y las señales a las que se conectarán, el hardware de adquisición de los valores binarios de las señales y el interfaz de conexión con el PC. Un programa sobre PC. El programa realiza la configuración de la placa de adquisición, permite guardar los valores de los datos y hace funcionar el entorno de representación de datos sobre el monitor del PC. El funcionamiento conjunto de ambos componentes opera como analizador lógico.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 7 Procedimiento para el manejo del analizador lógico LA-2132: Antes de ejecutar el software del LA-2132 (disponible en el PC bajo Windows XP) la placa de adquisición tiene que estar conectada al puerto USB del PC. (Los pasos siguientes continúan la lista del procedimiento anterior). 8. Ejecutar el software pulsando sobre el icono LA-2132 disponible en el escritorio. Se abre una ventana de aplicación similar a la mostrada de fondo en la Figura 3. A grandes rasgos, presenta un marco superior que contiene los distintos menús (File, View, Timing,...), una fila de comandos u opciones que se pueden ejecutar (Go, Stop,...) y una ventana dividida en dos partes: La parte superior contiene los controles de los cursores/marcadores del sistema, los controles de zoom y una barra para desplazarnos a lo largo de las capturas. La parte inferior está dedicada a presentar los datos capturados en los distintos canales de adquisición (Timing view 1 en la Figura 3). 9. Configurar la captura. Antes de adquirir y visualizar las señales de la placa deben configurarse los parámetros de captura. Aquí se mostrarán los pasos para realizar el punto 4 del Estudio experimental. 9.1. Pulsando en el botón derecho sobre la ventana inferior (Timing view 1), aparecerá una ventana emergente llamada Parameters (mostrada en la figura 3). En esta ventana deberán realizarse las siguientes acciones: Menús Comandos Cursores Presentación de datos Figura 3. Ventanas superpuestas de la aplicación LA-2132.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 8 9.1.1. Configurar la palabra de disparo cuando FC 2 :FC 0 = 111. En la entrada Trig Word (donde aparecen los canales en el orden 31, 30, 29,, 0), se escribe 1 en las posiciones correspondientes a los canales 20, 21 y 22, tal como aparece en la Figura 3. Según la tabla de conexiones de la Figura 2, esos canales se han conectado a las señales de fin de cuenta, por lo que el analizador comenzará a capturar muestras cuando el estado de cuenta sea $FFF (fin del ciclo del contador). En el punto 9.2 se completa este proceso eligiendo el instante de disparo. 9.1.2. Capturar los datos con el flanco de bajada del reloj externo, Ckext. En la entrada Source se selecciona External falling. Así se establece que la adquisición de datos esté sincronizada con el flanco de bajada del canal 31 que, en esta práctica, se ha conectado al reloj de la placa Ckext. 9.1.3. Seleccionar el número de capturas. En la entrada Memory se selecciona que el tamaño de la captura sea de 8K. 9.1.4. Seleccionar la repetición que tendrá la adquisición. En la entrada Acquire se selecciona Single para realizar una sola captura. 9.1.5. Cerrar la ventana Parameters. Si se deja la configuración tal y como está, el analizador comenzará a capturar cuando las tres señales de fin de cuenta valgan uno, es decir, cuando en las líneas de dirección haya $FFF. En esta práctica interesa más que empiece en la siguiente (la $000) por lo que hay que seguir 9.2: 9.2. Capturar cuando la condición de disparo pase de ser cierta a ser falsa. Para ello se pulsa en Trigger (del menú principal) y, en la ventana recién aparecida (también llamada trigger), en la fila Level 0 se cambia a la opción Exit (inicialmente estaba marcada Enter). Tras esto cerramos la ventana trigger. 9.3. Establecer la agrupación de canales. En menú principal: View Group edit. Aparecerá la ventana Group Setup (ver figura 4), sobre la cual se definirán los grupos de canales deseados. Para cada grupo de canales hay que establecer/escribir: 9.3.1. El número del grupo. Comienza por el grupo 0 y, para cambiar, se pulsa sobre las flechas de la parte superior de la ventana. Figura 4. Agrupación de canales. 9.3.2. Su nombre, en la entrada Name. 9.3.3. La base en la que se visualizará el valor de sus canales eligiéndola en la entrada Base. 9.3.4. El número de canales que lo forman (entrada Number) y cuáles son, en concreto, dichos canales (entrada Channel combination). Debe elegirse ese número entre los del desplegable que muestra el entorno (no lo escriba con el teclado). 9.3.5. Se crearán los siguientes cuatro grupos: Grupo 0, que se llamará Contenido, estará constituido por las salidas D 7 :D 0 de la ROM (según la tabla de conexión de la Figura 2 corresponde a los canales del 0 al 7 del analizador lógico). Deberá mostrarse en hexadecimal. Grupo 1, que se llamará Direccion, estará constituido por las 12 entradas de dirección A 11 :A 0 de la ROM y se mostrará también en hexadecimal. Grupo 2, que se llamará Fin Cuenta, contendrá las señales de fin de cuenta FC 2:0 y se mostrará en binario. Como ejemplo, la Figura 5 muestra cómo quedaría la ventana Group Setup tras configurar el grupo 2. Grupo 3 y último grupo, que se llamará Reloj, contendrá únicamente la señal Ckext y se mostrará en binario.

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 9 Figura 5. Ventana Group Setup tras formar el Grupo 2. 10. Realizar la adquisición de datos, verlos y comprobarlos. 10.1. Captura de datos. Pulse el botón GO. La adquisición de datos comienza según se haya configurado (en el punto 9.1.2). 10.2. Pantalla de visualización. Al finalizar la captura, aparecerán actualizados en la pantalla los datos capturados. 10.2.1. Para ver el listado de muestras seleccione View State of logic analyzer. 10.2.2. Pulse sobre el botón T (Trigger) situado a la izquierda de las muestras para situarse en la muestra donde se produjo el disparo. Apunte algunas de las direcciones y el contenido de memoria que aparecen en la pantalla alrededor de la $000. 10.2.3. Practique el uso de la pantalla de visualización: moverse por ella, valores, modificar la presentación (lista/cronograma), hacer zoom (opción Magnify ), 10.3. Comprobación. Con la configuración señalada en el punto 9.1.2 se capturarán las señales en cada flanco de bajada del reloj externo, por lo que cada captura corresponde a un único estado del contador y, por tanto, una dirección y un Byte de la ROM. Para comprobar si la captura es correcta, compruebe lo siguiente: 10.3.1. El valor de las líneas A 11 :A 0 (grupo Direccion) debe ser el de un contador creciente. Sus formas de onda deben ser señales cuadradas, cada una de ellas de frecuencia mitad (periodo doble) a la anterior. Para verlo con claridad maneje el zoom adecuadamente. 10.3.2. El grupo Fin Cuenta debe valer 111 únicamente cuando el contador esté en el último estado de cuenta (Direccion valdrá $FFF). 10.3.3. Para validar que la captura del analizador lógico ha sido correcta no es necesario tener en cuenta el valor concreto de los datos D 7 :D 0 almacenados en la ROM porque estos son específicos del juego concreto utilizado. Ahora bien, si la captura ha sido

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 10 correcta, dado que se ha leído toda la ROM de Atari 2600, también se comprobará si consigue jugar (ver la sección Jugando con el antiguo Atari 2600). 3 11. Completar el estudio experimental. 11.1. El punto 5 del Estudio experimental dice Capturar las señales con el reloj interno del LA- 2132 a 100 ksa (10us) 4. Verifique la coherencia con los puntos 2.3 y 2.4 de su estudio teórico. Esto significa que el analizador lógico debe realizar las capturas a una frecuencia cuatro veces superior a la del reloj de la placa (que es de unos 25 khz). Para ello (recuerde el punto 9.1): Abra de nuevo la ventana Parameters y, en Source, seleccione Internal y, en Rate, 100KSa(10us). Mueva el cursor Trigger para ver cuántas veces se repite cada muestra. El reloj interno de adquisición y el externo de la placa ni están sincronizados ni su valor es exactamente 4 veces uno del otro. Esto quiere decir que es posible que no siempre se tomen 4 capturas de cada dato. Verifíquelo. 11.2. El punto 6 del Estudio experimental dice Medir los retrasos del circuito. Para ello, capture las señales con el reloj interno a 250 MSa (4 ns) y utilice los cursores para medir aproximadamente Rc y Rr contando, desde que subió el reloj de la placa Ckext, el número de muestras con valores incorrectos en las direcciones y en los datos antes de estabilizarse en ese ciclo de reloj. Transcurre 4 ns entre cada muestra. Proceso similar al caso anterior. 11.3. El punto 7 del Estudio experimental dice Aumentar la frecuencia de Ckext hasta obtener la frecuencia máxima de operación de la placa. Se trata de aumentar la frecuencia de Ckext hasta comprobar que la placa deja de funcionar. Para ello: 11.3.1. Cambie de nuevo el modo de adquisición para que la captura se realice en los flancos de bajada del reloj de la placa (Parameters Source External falling). 11.3.2. Seleccione Parameters Acquire Normal, para que el analizador realice cíclicamente capturas sin detenerse. 11.3.3. Pulse GO para iniciar las capturas y aumente poco a poco la frecuencia del reloj de la placa justo hasta que los datos antes obtenidos dejen de capturarse correctamente. 11.3.4. Calcule el periodo del reloj de la placa y compruebe si se cumple la desigualdad del apartado 3 del estudio teórico. 3 Importante: La práctica no se acaba al jugar sino al completar todo el estudio experimental y el test. 4 El término ksa representa a kilosamples (1000 muestras por segundo); el símbolo u es usado a veces en vez de μ para evitar errores en los caracteres de texto. Así, 10 us = 10 μs indica que se toma una muestra cada 10 microsegundos; por tanto, equivale a cien mil muestras en un segundo (100 ksa).

EdC-IC Práctica Analizador lógico. Atari 11 Jugando con el antiguo Atari 2600 Los datos almacenados en la ROM corresponden a un juego de Atari 2600. Para jugar deberán guardarse los datos capturados y, en el formato adecuado, pasárselos a un emulador. En lo que sigue se explica este proceso (comenzando la numeración por 1) ya que puede realizarse en diferentes momentos del estudio experimental. Punto de partida: Los datos han sido capturados uno por ciclo (condiciones recomendadas como las explicadas en el punto 9.1.2: placa operando con Ckext a 25 khz y captura con el flanco negativo de Ckext). 1. Guardar las capturas del analizador en un fichero. Se recomienda guardarlo en la carpeta raíz del disco local C: y darle un nombre simple y personal con extensión nombre.dso (en el ejemplo que sigue se generaría el fichero C:\ mvb.dso), haciendo lo siguiente: a. En el menú del analizador lógico: File Save data Save data as b. Seleccionar la carpeta raíz del disco local C: (pulsando sobre el icono Mi PC), dar el nombre.dso (p.ej., mvb.dso) y pulsar Guardar. Se creará el archivo mvb.dso en C:\. 2. Extraer de dicho archivo los valores correspondientes a las líneas de datos y grabarlos en un fichero binario legible por el emulador. Para ello: a. Abrir una ventana de línea de comandos. Puede usar cualquiera de las opciones siguientes a partir del menú de inicio de Windows: Inicio Ejecutar cmd Inicio Todos los programas Accesorios Símbolo del sistema b. Seleccionar la carpeta sobre la que trabajaremos. Para ello, en la línea de comandos, se usa: cd nombre_directorio (cd viene de change directory). Como directorio se selecciona la carpeta de trabajo (en el punto 1 ha sido recomendada la carpeta raíz del disco local C; con ello, sería cd C:\). c. Convertir el archivo.dso a uno.bin. Para ello, en la línea de comandos, se usa: dso2bin nombre.dso nombre.bin Esto se muestra en la Figura 6 para convertir un fichero llamado captura.dso en otro llamado juego.bin. 3. Emular el juego. Para ello se utilizará el emulador Stella siguiendo los pasos siguientes: a. Pulsar sobre el icono Stella que encontrará en el escritorio del PC. b. Hacer doble click sobre el fichero nombre.bin previamente creado. c. Jugar. Las teclas básicas son F2 (start, comienzo de partida), espacio (disparo), y los cursores. Figura 6. Ventana de comandos de Windows.