Este console possui dois processadores de propósito geral.
Primeiramente, temos um Motorola 68000 rodando a ~7.6MHz, um processador popular já presente em muitos computadores da época, como o Amiga, o Macintosh (original), o Atari ST... Curiosamente, cada um desses computadores sucedeu um "antecessor 6502", e apesar do Master System (antecessor do Mega Drive) não ter usado uma CPU 6502, o NES usou (e de certa forma, o objetivo da Sega era conquistar os consumidores da Nintendo). De modo geral, é possível ver uma correlação entre a evolução dos computadores e a tecnologia de consoles de videogame.
Voltando ao assunto, o processador 68k tem o papel de CPU "principal" e vai ser usado para a lógica do jogo, gerenciação da E/S e cálculo dos gráficos. Ele tem as seguintes capacidades :
- 68000 ISA: Um novo conjunto de instruções com muitos recursos, incluindo um conjunto de códigos de operação de multiplicação e divisão. Algumas instruções possuem 8 bits de comprimento (byte), outras possuem 16 bits (word) e o restante possui 32 bits (long-word).
- Registradores de 32 bits: este é um avanço significativo, considerando que tanto o processador 6502 quanto o Z80 possuem apenas registradores de 8 bits.
- Unidade de lógica e aritmética (ALU) de 16 bits: Significa que é necessário ciclos extras de CPU para calcular operações aritméticas em números de 32 bits, mas funciona bem em números de 16 bits e de 8 bits.
- Barramento de dados externo de 16 bits: Observe que, embora este processador tenha alguma capacidade de 32 bits, ele não foi projetado para ser uma máquina de 32 bits completa. A largura desse barramento sugere um melhor desempenho ao mover dados de 16 bits.
- É curioso notar que a Motorola lançou uma CPU de 32 bits completa, o 68020, quatro anos antes do lançamento deste console. Imagino que os custos teriam disparado se a Sega tivesse escolhido chip mais novo.
- Barramento de endereços de 24 bits: Significa que até 16 MB de memória podem ser acessados. Os endereços de memória ainda são codificados com valores de 32 bits internamente na CPU (o byte mais significativo é simplesmente descartado). Dito isso, o barramento está fisicamente conectado a :
- 64 KB de RAM de propósito geral.
- A ROM do cartucho (até 4 MB).
- Dois controles.
- Os registradores, as portas e o DMA do Video Display Processor (VDP).
- Os registradores da placa-mãe (identificam o console).
- As portas de expansão (usadas para acessórios "futuros").
- A memória RAM da segunda CPU, intermediada pelo árbitro de barramento.
(Se você estiver se perguntando o motivo de utilizar endereços de 24 bits com uma CPU capaz de lidar com palavras de 32 bits, eu duvido que nos anos 80 muitos desenvolvedores estivessem pedindo para gerenciar 4 GB de RAM, além do fato que adicionar linhas não utilizadas é caro em termos de desempenho e de dinheiro).
Em segundo lugar, há outro processador instalado neste console, um Zilog Z80 com velocidade de ~3,5 MHz. Este é o mesmo processador encontrado no Master System e é principalmente utilizado para controle de som. Ele possui :
- Z80 ISA: uma extensão da ISA Intel 8080, que manipula palavras de 8 bits.
- Registradores de 8 bits e barramento de dados de 8 bits: nenhuma surpresa aqui.
- ALU de 4 bits: isso pode ser um pouco surpreendente, mas ele consegue lidar com operações de 8 bits sem problemas, mas leva o dobro de ciclos para serem processadas.
- Note como o 6502 roda a ~2 MHz em alguns sistemas, enquanto este quase chega a 4 MHz: A velocidade do clock por si só não torna o Z80 mais rápido, mas ajuda a equilibrar a falta de transistores em algumas áreas do chip.
- Barramento de endereços de 16 bits com o seguinte mapa de endereços :
- 8 KB de RAM.
- Dois chips de som.
- A memória RAM do 68000 (novamente, manipulada pelo árbitro do barramento).
Por fim, ambas as CPUs rodam em paralelo.
Memória disponível
A CPU principal possui 64 KB de memória RAM dedicada para armazenamento de dados de propósito geral e o processador Z80 possui 8 KB de RAM para operações relacionadas ao som.
Intercomunicação
A Sega escolheu dois processadores independentes que não têm conhecimento um do outro, então como os jogos podem gerenciar ambos ao mesmo tempo? Bem, o programa principal é executado no 68000 e esse processador pode escrever na RAM do Z80. Então, o 68000 pode enviar um programa para a RAM do Z80 e instruí-lo a carregar esse programa (enviando um sinal de reinicialização para o Z80) . Uma vez que o Z80 está sob controle, ele pode ser usado para gerenciar o sub-sistema de som e manipular a memória usando o método descrito anteriormente, tudo isso enquanto o 68000 está cuidando de outras operações.
Arquitetura de memória do Mega Drive/Genesis.
Devido uma CPU ter que entrar no barramento da outra e ambas não poderem usá-lo simultaneamente, há um componente extra chamado árbitro de barramento que deve ser ativado para parar cada um dos processadores, então a memória pode ser escrita sem problemas.
É importante destacar que esse design pode afetar negativamente o desempenho se não for gerenciado adequadamente, portanto, os jogos precisam ter um cuidado especial com o árbitro de barramento e cuidar para não parar uma CPU por mais tempo do que o necessário.