MOS Technology 6502 250pxMikroprozessor MOS 6502 im Plastikgehäuse (40-Pin-DIP) Hersteller MOS Technology, Rockwell, Synertek, UMC Produktionsbeginn 1975 Technologie NMOS Transistoren 3510 Gehäuse 40-Pin-DIP Max. Taktfrequenz 1 MHz bis 2 MHz Datenbus 8 Bit Adressbus 16 Bit Adressraum 64 KiB (Memory Mapped I/O) Befehlssatz 56 Befehle (MOS 6502) Register A Akkumulator X, Y Indexregister S Stapelzeiger P Statusregister PC Programmzähler Interrupts IRQ, NMI, Reset, BRK (Software) Der MOS Technology 6502 ist ein 1975 eingeführter 8-Bit-Mikroprozessor, der durch seine aggressive Preisgestaltung und Effizienz die Heimcomputer- und Spielkonsolen-Ära maßgeblich einleitete. Entwickelt von einem Team um Chuck Peddle bei MOS Technology, durchbrach der Baustein den damaligen Marktpreis etablierter Konkurrenzmodelle von rund 300 US-Dollar mit einem Einführungspreis von lediglich 25 US-Dollar. Trotz eines im Vergleich reduzierten Befehlssatzes überzeugte der Entwurf durch leistungsfähige Adressierungsarten und gute Echtzeit-Eigenschaften. Dies machte ihn zum zentralen Baustein wegweisender Systeme wie dem Apple II, dem Commodore 64, dem BBC Micro sowie dem Nintendo Entertainment System.
Die Architektur war so einflussreich, dass sie die Entwicklung der späteren ARM-Architektur inspirierte und von der Fachzeitschrift IEEE Spectrum in die „Chip Hall of Fame“ aufgenommen wurde. Bis heute bleibt der 6502 durch eine aktive Retro-Computing-Szene präsent. Während eine modernisierte Variante als Ersatzteil oder Basis für neue Hardware-Projekte wie den Commander X16 dient, sichern präzise FPGA-Realisierungen den Fortbestand der 6502-Logik in der modernen Digitaltechnik.
Geschichte Entwicklung Ende der 1960er-Jahre entwickelte Chuck Peddle während seiner Tätigkeit bei General Electric (GE) das Konzept der „verteilten Intelligenz“. Als das Geschäft von GE zur Vermietung von Rechenzeit auf Großrechnern eingebrochen war, begann er sich für die Modernisierung von Kassensystemen zu interessieren. Dabei entwickelte er die Idee intelligenter Terminals, die mit einem Minicomputer verbunden sein sollten und deren Funktionsumfang deutlich über dem der damals üblichen Großrechner-Terminals lag. Nachdem General Electric 1970 den Ausstieg aus dem Großrechnergeschäft beschlossen hatte, verließ Peddle gemeinsam mit zwei Kollegen das Unternehmen. Ihr Versuch, das Konzept der „verteilten Intelligenz“ eigenständig weiterzuentwickeln, scheiterte jedoch an fehlendem Kapital. Während dieser Phase gelangte Peddle zu der Erkenntnis, dass für die praktische Umsetzung der geplanten Terminals ein neuer technologischer Baustein entscheidend war: der Mikroprozessor.
Als Peddle 1973 durch einen Headhunter von der Entwicklung des Motorola-6800-Mikroprozessors erfuhr, die zu diesem Zeitpunkt bereits seit eineinhalb Jahren lief, nahm der das Angebot an, das Entwicklungsprogramm zum Abschluss zu führen. Der leitende Entwickler Tom Bennett bat Peddle, die weitere Entwicklung an den Anforderungen für Kassensysteme auszurichten, wie Peddle sie zuvor definiert hatte. In der Folgezeit bei Motorola machte Peddle immer wieder die Erfahrung, dass potenzielle Kunden zwar vom 6800 beeindruckt waren, den angestrebten Preis von 300 US-Dollar jedoch als zu hoch empfanden. Während Bennett den Mikroprozessor architektonisch am PDP-8-Minicomputer von DEC orientiert hatte, forderten die Kunden für preisgünstige Produkte eher einen Mikrocontroller – einen Prozessor mit reduziertem Funktionsumfang zu niedrigen Kosten.
Da Motorola Peddles Vorschlag ablehnte, einen Mikrocontroller zu entwickeln, suchte er nach Möglichkeiten, die Geschäftsidee eigenständig umzusetzen. Dabei traf er auf John Paivinen, seinen ehemaligen Vorgesetzten bei GE und Mitgründer sowie Präsident von MOS Technology. Das Unternehmen war auf integrierte Schaltkreise für Taschenrechner spezialisiert und belieferte unter anderem Commodore. Peddle und Paivinen einigten sich darauf, bei MOS Technology einen preisgünstigen Mikroprozessor zu entwickeln und zu vermarkten. Als Motorola im August 1974 die Markteinführung des 6800 ankündigte, verließen Peddle und sieben seiner Kollegen das Unternehmen, um noch im selben Monat bei MOS Technology zu beginnen. Zu dieser Gruppe gehörten neben Peddle Wil Mathys, Terry Holdt, Rod Orgill, Ray Hirt, Mike Janes, Harry Bawcom und Bill Mensch.
Nach ihrer Ankunft bei MOS Technology teilte sich die Gruppe um Peddle informell auf. Peddle, Mathys und Orgill waren für den initialen Entwurf der beiden zunächst geplanten Mikroprozessoren 6501 und 6502 zuständig. Der 6501 war dabei als pin-kompatibler Ersatz für den Motorola 6800 konzipiert – ein Umstand, gegen den Motorola später erfolgreich gerichtlich vorging.
mini|Struktur des Mikroprozessors MOS 6502 auf dem Halbleiter mit einem eingezeichneten rekonstruierten Schaltplan Rückblickend unterteilt Mathys den Entwurf eines Mikroprozessors in fünf Phasen. Zuerst wird die Architektur festgelegt, wozu die Register und Hilfsregister, der Befehlssatz, die Handhabung von Unterbrechungen (Interrupts) sowie Datenbusse für den Informationstransfer zählen. Danach wird die Befehlsausführung entworfen. Dies geschieht durch die Definition aller Datentransfers zwischen Registern innerhalb des Mikroprozessors sowie mit externen Bausteinen. Anschließend wird die Befehlsausführung durch logische Gleichungen ausgedrückt, um damit einen vollständigen Schaltplan (Logikdiagramm) zu erstellen. Dieser muss jedes Bauteil – jeden Transistor, jeden Bus und jede Teilschaltung – enthalten. Sobald der Schaltplan fertiggestellt ist, übernehmen spezialisierte Schaltungsentwickler und Layout-Zeichner dessen Umsetzung in eine Struktur, die später auf dem Halbleiter als Teil der Produktion des Mikroprozessors hergestellt wird.
In dieser finalen Entwicklungsphase waren Bill Mensch und Ray Hirt für den Schaltkreisentwurf zuständig, während Harry Bawcom, Sydney Anne Holt und Mike Janes daraus das zweidimensionale Layout des Mikroprozessors auf dem Halbleiter erstellten, indem sie Polygone manuell auf Mylarfolien zeichneten. Die Einhaltung der Fertigungsregeln zur Vermeidung von Fehlfunktionen wurde durch eine wochenlange Präzisionsarbeit sichergestellt, indem die Abstände der Polygone zueinander überprüft wurden. Schlussendlich wurde das Layout durch eine Digitalisierung in einzelne Ebenen zerlegt, um die Fotomasken für die Halbleiterfertigung herzustellen. Im Juni 1975 war der Entwurf abgeschlossen.
Markteinführung Im September 1975 stellte MOS Technology den 6502 auf der Fachmesse Western Electronic Show and Convention (Wescon) in San Francisco vor. Da die Messeleitung den Direktverkauf vor Ort untersagte, mietete das Team um Chuck Peddle eine Suite im nahegelegenen St. Francis Hotel an. Um die sofortige Lieferfähigkeit zu demonstrieren, bot das Unternehmen den 6502 dort in einer großen Glasvase zum Kauf an. Flankiert wurde die Offerte von zwei Handbüchern zur Systemintegration und Programmierung, die in Fachkreisen später aufgrund ihrer Verständlichkeit gelobt wurden. Zusätzliche Bausteine mit Speicher und Ein-/Ausgabe-Schnittstellen sowie Entwicklungssysteme wie der KIM-1 rundeten das Angebot ab, um das Interesse der Entwickler zu wecken.
Um den Markt zu durchdringen, verfolgte MOS Technology eine aggressive Preisstrategie: Während Konkurrenzprodukte wie der Motorola 6800 oder der Intel 8080 rund 300 US-Dollar kosteten, wurde der 6502 für 25 US-Dollar (und der 6501 für 20 US-Dollar) angeboten. Diese Preisgestaltung war für MOS Technology dennoch rentabel. Nach Bill Seiler beliefen sich die Produktionskosten auf lediglich vier bis fünf US-Dollar, während das Konkurrenzmodell Intel 8080 mit einem Preis von etwa 90 US-Dollar gehandelt wurde. Seiler zufolge war Abnehmern wie Atari dieser enorme preisliche Spielraum nicht bewusst; ermöglicht wurde er vor allem durch eine im Branchenvergleich außergewöhnlich hohe Fertigungsausbeute. Dieser Preissturz machte Mikroprozessoren erstmals für Privatanwender sowie kleine Unternehmen – darunter das von Steve Wozniak und Steve Jobs mitgegründete Apple Computer – erschwinglich und hatte einen erheblichen Einfluss auf die Computerindustrie. Damit schuf der MOS 6502 die ökonomische Basis für die aufkommende Spielkonsolen- und Heimcomputer-Ära, da er leistungsfähige Hardware für Massenmarkt-Produkte wie das Atari 2600 (in Form des preisgünstigeren 6507) und den Commodore VC 20 möglich machte.
Zur Absicherung der Marktakzeptanz lizenzierte MOS Technology den Entwurf an weitere Hersteller (Second Sources). Laut Chuck Peddle war dies strategisch notwendig, da Kunden wie Atari ein Herstellermonopol ablehnten und den Prozessor nur bei garantierter Lieferfähigkeit durch einen Zweitproduzenten einsetzten. Zu den Lizenznehmern gehörten neben Synertek auch UMC und Rockwell. Letzteres Unternehmen bot spezialisierte Varianten des MOS 6502 mit Zusatzkomponenten für industrielle und militärische Anwendungen an. Über zehn Jahre später entstand in Bulgarien mit dem CM630 vom KMT-Prawez ein unlizenzierter Nachbau.
Rezeption Zeitgenössische Kritik Die Fachzeitschrift EDN ordnete den MOS 6502 im September 1975 als Vertreter einer neuen „2,5. Mikroprozessorgeneration“ ein. Diese zeichne sich dadurch aus, dass sie zur drastischen Senkung der Herstellungskosten bewusst technische Kompromisse eingehe, ohne jedoch die Leistung in gängigen Hauptanwendungen zu beeinträchtigen. Tatsächlich übertreffe der 6502 bei einfachen Benchmarks sogar etablierte Prozessoren der zweiten Generation wie den Intel 8080 oder den Motorola 6800. Die Redaktion charakterisierte diese Generation als integrierte Bausteine, die bereits Komponenten wie Taktgeneratoren, I/O-Schnittstellen sowie Arbeits- oder Festwertspeicher enthielten und dadurch besonders einfach in Betrieb zu nehmen seien.
Bei der Realisierung wurde die Verwendung von Lasttransistoren vom Verarmungstyp (Depletion-mode Loads) gelobt. Diese ermöglichten im Vergleich zur vorherigen Generation eine deutlich geringere Leistungsaufnahme, die teils weniger als die Hälfte betragen habe. Zwar wurde der Befehlssatz zur Einsparung von Chipfläche auf 55 (später 56) Instruktionen begrenzt, doch wurde dies laut Chuck Peddle durch effizientere Adressierungsarten im Vergleich zum Motorola 6800 mehr als aufgewogen. Als potenziellen Nachteil in minimalen Systemkonfigurationen sah die Fachzeitschrift die Notwendigkeit von externem Arbeitsspeicher an, da der 6502 im Gegensatz zu einigen Konkurrenzmodellen diesen nicht integriere. MOS Technology beabsichtigte jedoch, diesen Umstand durch einen kombinierten Zusatzbaustein zu kompensieren, um ein wirtschaftlich marktführendes System aus lediglich zwei Bausteinen zu ermöglichen. Im selben Artikel wurde bereits ein technisch verbesserter Nachfolger des Motorola 6800 angekündigt.