PLACARD: Un ordenador de 8 bits basado en lógica programable

Justin Davis ha concebido PLACARD, un ordenador de 8 bits que se distingue por su arquitectura. A diferencia de la mayoría de los proyectos de computación que utilizan microprocesadores existentes, FPGAs o una gran cantidad de chips lógicos discretos, PLACARD integra su CPU y el hardware gráfico a partir de PLDs, dispositivos que eran comunes en los inicios de la computación personal.

Según informa Hackster.io, PLACARD se compone de 20 PLDs modelo ATF22V10C y 13 chips lógicos y de memoria convencionales. Todos los componentes son de montaje through-hole en formato DIP y se encuentran actualmente en producción. La idea inicial de Davis era utilizar únicamente chips lógicos de la serie 7400, pero la complejidad del diseño lo llevó a optar por los PLDs.

La CPU personalizada de 8 bits de PLACARD opera a una frecuencia de 25.175 MHz. Dispone de un bus de direcciones de 16 bits y sus instrucciones se ejecutan entre dos y cuatro ciclos de reloj. Se estima que su rendimiento medio alcanza aproximadamente los siete millones de instrucciones por segundo (MIPS), superando las capacidades de diversos ordenadores comerciales más antiguos.

En cuanto a sus capacidades gráficas, PLACARD genera una señal VGA de 640×480 píxeles a 60 Hz. Es compatible con múltiples modos de visualización, desde gráficos monocromáticos de alta resolución hasta salida de 256 colores con 80 píxeles por línea, los cuales pueden combinarse libremente en pantalla. La circuitería de vídeo gestiona automáticamente el acceso a la memoria, pausando brevemente la CPU solo cuando necesita recuperar datos para la pantalla, lo que simplifica la programación al eliminar la necesidad de sincronización manual con la señal de vídeo.

El sistema está equipado con 64 KB de RAM, ROM conmutada por bancos, audio de 8 bits y diversas interfaces de conexión, incluyendo puertos de teclado y ratón PS/2, dos puertos para controladores SNES y una interfaz para tarjetas SD compatible con sistemas de archivos FAT16 y FAT32. Además, dispone de cuatro ranuras de expansión y una interfaz de cartucho para cargar software.

Davis ha desarrollado una biblioteca ROM que provee funciones de gráficos, sonido, almacenamiento, entrada y cálculo matemático. El software de demostración incluye un juego de plataformas con parallax scrolling, un raycaster estilo Wolfenstein que opera a 60 fotogramas por segundo, fractales de Mandelbrot y el Juego de la Vida de Conway. Las pruebas de rendimiento revelan que esta CPU personalizada procesa 1.000 dígitos de pi en 69.9 segundos, frente a los 295.57 segundos de un Commodore 64. En el Juego de la Vida, maneja 1.000.000 de celdas por segundo, comparado con las 2.250 celdas por segundo del Commodore 64.

Actualmente, PLACARD existe como una implementación completamente funcional en FPGA, sin ser aún un sistema físico basado en PLDs. Davis ha recreado los chips individuales en VHDL y ha verificado el diseño en una placa de desarrollo Digilent Basys 3, con salida VGA operativa. El diseño de la placa base y las placas de cartucho asociadas se ha realizado en KiCad. La siguiente fase contempla la fabricación de las PCBs y las pruebas del hardware físico, con la expectativa de que el PLACARD físico funcione de manera idéntica a su implementación en FPGA.