Videospiele: Details von Pong-Chips nach 46 Jahren enthüllt

Spiele-Hardware war schon immer komplex: Das zeigen alte Pong-Chips, die mehr können, als zwei Schläger und einen Ball darzustellen.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Colecos Telstar Arcade hatte schon austauschbare Spielemodule, in denen sich jeweils ein MOS Technologies 7600 befindet.
Colecos Telstar Arcade hatte schon austauschbare Spielemodule, in denen sich jeweils ein MOS Technologies 7600 befindet. (Bild: Doug Kline/CC-BY 2.0)

Es ist eine Reise in die Anfangstage der Spielekonsolen: Drei Blogger, die in ihrer Freizeit alte Hardware analysieren, haben sich Chips der 7600-Reihe von MOS Technology angesehen. Die hat das Unternehmen 1976 für Klone von Pong hergestellt – neben dem bekannteren Prozessor 6502, der in vielen Heimcomputern wie dem Apple I und II verbaut war.

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Am Anfang stand für Cameron Kaiser die Frage: Sind die 7600-Chips vollwertige Mikrocontroller oder sind die jeweiligen Spiele – bis zu drei pro Chip – fest als Hardware realisiert? Kaiser betreibt ein Blog zu alten Spielekonsolen und schrieb einen langen Artikel über die gemeinsamen Erkenntnisse. Den Aufbau des Chips analysierte Ken Shirriff anhand von Bildern, die Sean Riddle bereits 2018 angefertigt hatte.

Dabei fanden sie einen 512 Codeworte fassenden ROM, der Programme speichert. Die insgesamt sechs Varianten des Chips waren also programmierbar. Neben dem ROM identifizierte Shirriff mehrere Blöcke programmierbarer Logik (Programmable Logic Array, PLA). Die geben vor, welche Formen wie auf den angeschlossenen Fernseher ausgegeben werden (Shape und Video PLA), welche Töne der Chip erzeugen kann (Sound PLA) und bestimmen die nächste Anweisung im ROM (Address PLA).

Programmierung bleibt rätselhaft

Kaiser zufolge bleiben allerdings Teile der Funktion des Chips rätselhaft. Zwar konnten die Blogger analysieren, dass ein 9-Bit-Prozessor integriert ist, der 13 Bit lange Befehle verarbeitet. Der ist allerdings lange verschollen, vor der Analyse des Chips versuchte Kaiser vergeblich Datenblätter zu finden. Hier konnte er mit Shirriff lediglich etwas Licht ins Dunkel bringen, sie fanden beispielsweise heraus, dass der Prozessor der 7600-Familie mindestens sechs Sprungbefehle unterstützte.

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Ebenso bleibt die genaue Funktion der Bilderzeugung unklar. Sicher sind sich Kaiser und Shirriff, dass der Prozessor hier nur eine Nebenrolle spielt. Die angezeigten Formen, die Schläger (Paddles) bei Pong oder Rennwagen in einem Rennspiel verorten sie in einem der PLAs. Anders als ein ROM lässt sich das allerdings nicht einfach auslesen, da es aus vielen Eingangssignalen binäre Ausgangswerte erzeugt. Um hier mehr zu erfahren, müsste man den Schaltplan des Chips vollständig analysieren.

Eine exotische Architektur

Eines lässt sich aber mit Sicherheit sagen: Die 7600-Chips sind wahre Exoten. Mit heutigen Mikrocontrollern sind sie schwer vergleichbar, sie verfügen über keinen RAM, zumindest nach heutigem Verständnis. Stattdessen finden sich diverse Schieberegister, die zum Zwischenspeichern von Daten dienen. Sie waren beim PMOS-Fertigungsprozess, in dem der Chip hergestellt wurde, günstiger als Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder Register. Für jedes Bit werden sechs Transistoren benötigt, außerdem entfällt die Logik für den Adressdecoder.

Als Zustandsspeicher des Spiels scheint das mit 72 Bit größte Register zu dienen, hier konnte zumindest ein Bit des Punktestands identifiziert werden. Allerdings haben Schieberegister einen Nachteil: Sie speichern und lesen lediglich ein Bit pro Takt, sind also sehr langsam. Zudem müssen Daten in der Reihenfolge verarbeitet werden, in der sie herauskommen. Für einige Anwendungen eignen sie sich allerdings gut, im Apple I beispielsweise dienten Schieberegister zum Speichern der auszugebenden Zeichen zwischen Prozessor und Grafikeinheit.

Gaming-Hardware war schon früher komplex

Zu moderner Spielehardware haben die Pong-Chips übrigens eine interessante Verbindung: Auch sie waren für ihre Zeit ziemlich komplex. Ken Shirriff schätzt, dass die 7600-Serie 16.000 Transistoren auf einem Chip integrierte, fast doppelt so viele wie Zilogs Z80, ein beliebter und leistungsfähiger zu Intels 8080 kompatibler Prozessor. Um den Chip dennoch günstig zu halten, griff MOS Technology zu allerhand Tricks wie den Schieberegistern und fertigte mit älteren Verfahren.

Auch die Maskenprogrammierung des ROMs und der PLAs drücken die Kosten, da die einzelnen Chips der Familie sich nur in den Kontakten zwischen Leitern und Transistoren unterscheiden. Die meisten Belichtungsmasken sind daher bei allen sechs Varianten gleich. Allerdings bedeutet Maskenprogrammierung auch: Die gespeicherten Programme lassen sich nicht ändern: Neue Spiele lassen sich den alten Chips also nicht beibringen.

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