Cartucho Atari 2600: mudança automática de jogos (projeto)

Os cartuchos do Atari 2600 foram a principal forma de distribuição de jogos para o console, sendo que cada cartucho armazenava um único jogo em uma EPROM ou ROM dedicada.

Durante a era de ouro do Atari 2600, os fabricantes elaboraram formas diferentes de distribuir cartuchos com vários jogos. A forma mais comum era colocar chaves nos cartuchos, para que o jogador pudesse escolher qual jogo do cartucho ele gostaria de jogar. Outros, mais raros e caros, mudavam o jogo conforme o jogador ligava e desligava o videogame.

Este projeto tem justamente um modelo para o segundo tipo: um cartucho que comuta os jogos automaticamente, conforme o jogador liga e desliga o console, capaz de alternar entre diferentes jogos sem a necessidade de botões no cartucho, possibilitando uma solução mais elegante e prática, além de não conter partes móveis que se deterioram com o tempo.

Sempre fui fascinado pelos cartuchos do Atari 2600. Desde pequeno, trocar os jogos manualmente fazia parte da experiência, principalmente minha curiosidade inexperiente e como um cartucho poderia conter mais de um jogo.

Cartucho Atari 4 jogos típico: com chavinhas

O Atari foi o início de tudo em minha vida para a a Eletrônica, e neste artigo, após 40 anos, pela primeira vez tentarei projetar um cartucho de Atari que contenha mais de um jogo e que não tenha 'chavinhas" externas, deixando a carcaça mais limpa e profissional Se você é um entusiasta do Atari 2600 ou simplesmente um curioso, este projeto pode ser uma maneira empolgante de reviver o clássico console com um toque moderno.

Teoria do funcionamento do cartucho

O circuito é baseado em uma EPROM 2764 (8KB) ou 27128 (16KB), que podem armazenar mais de um jogo. A seleção dos jogos é feita eletronicamente, utilizando um contador binário (4040). Um inversor do sinal Chip Select (CS) do Atari é implementado com um transistor BC548.

Principais Componentes

• EPROM 2764/27128: Armazena os jogos do Atari 2600.
• Contador 4040: Responsável por chavear entre diferentes jogos, alternando os endereços superiores da EPROM.
• Transistor BC548: Atua como um inversor, pois o sinal de Chip Enable do Atari 2600 é invertido em relação ao Chip Enable da EPROM.
• Diodo 1N4148: Permite a alimentação do 4040 sem interferir na alimentação geral do cartucho.
• Capacitor de 220µF: Mantém temporariamente a alimentação do 4040 após o desligamento do cartucho, permitindo que o contador registre a mudança.
• Capacitores e Resistores auxiliares: Filtram ruídos, garantem a estabilidade do sistema e polarizam o inversor a transístor.

Análise do Esquema Elétrico do cartucho

No esquema elétrico, podemos observar que o conector EDGE24M (CN1), que na verdade é as trilhas do cartucho, é o ponto de interface com o console, conectando a EPROM (CI1) diretamente aos barramentos de endereço e dados do Atari 2600. O contador 4040 (CI2) é o componente que faz a "mágica" que troca os jogos armazenados na EPROM.

O circuito integrado (CI) 4040 é um contador binário de 12 estágios que realiza divisões binárias até 4.096. Ele pode ser aplicado em diversos modelos de placa e em diversas áreas, como automotiva, eletrônica médica e industrial. Suas principais características são:

• Tem uma entrada de dados, 12 saídas e dois sinais de controle.
• Realiza a contagem em binário a cada transição de clock.
• A frequência máxima de entrada é de alguns megahertz.
• O sinal deve ser retangular livre de repiques.
• Pode ser alimentado por tensões de 5 a 15 V.

As aplicações mais comuns do CI 4040 estão nas áreas de eletrônica automotiva, eletrônica médica e industrial, e seu funcionamento também permite a combinação com portas lógicas para divisão de números que não sejam potências de 2.

Informações adicionais

• O CI 4040 é um CI do tipo CMOS 
• Ele é um dispositivo que irá produzir uma saída de frequência atrasada calculada em resposta a cada pulso aplicado em sua entrada de clock 
• Como se pode notar nesta primeira versão do esquemático, espero algumas modificações ao longo do projeto. Por isso o endereçamento pode ou não conter o endereço A11: depende do jogo (jogos de 2KB ou de 4KB).
• Este cartucho não prevê jogos com mais de 4KB: este será um outro projeto! 😃

As principais conexões do chaveador 4040 no cartucho possuem as seguintes funcionalidades:

• Pino 10 do 4040 (CLK) conectado diretamente à alimentação do cartucho, incrementa o contador sempre que o console é rapidamente ligado e desligado.
• Pino 11 do 4040 (RESET) ligado ao pino 5 do 4040 (Q4) serve para reiniciar o contador. Este reset efetivamente é o que limita a quantidade de jogos de acordo com a EPROM.
• Pino 6 (Q3) e Pino 7 (Q2) conectados aos endereços superiores da EPROM, selecionam os jogos efetivamente.

A sequência de funcionamento, teoricamente, segue estes passos:

1. Enquanto o cartucho está ligado: O clock do 4040 permanece em nível alto, impedindo a contagem.
2. Quando o console é desligado: O capacitor de 220µF mantém a alimentação do 4040 por um curto período.
3. A transição do clock para nível baixo (0V), quando o videogame é desligado, é percebida como uma borda de descida, fazendo com que o 4040 incremente a contagem e altere os bits de endereço da EPROM.
4. Ligando-se nevamente o console: o novo jogo inicia no Atari. O capacitor C1 mantém o 4040 energizado por um curto espaço de tempo para permitir esse chaveamento.

Este projeto demonstra uma solução criativa para armazenar e alternar jogos em um único cartucho do Atari 2600, sem necessidade de modificações no console. Com pequenas melhorias, como o ajuste da capacidade do capacitor ou a adição de um sistema mais avançado de seleção de jogos, o cartucho pode ser aperfeiçoado para maior confiabilidade.

Vamos dar continuidade, nos próximos artigos, à execução deste projeto, inicialmente em uma protoboard. Funcionando ou não funcionando, ficaremos sabendo se é possível este projeto com os componentes eletrônicos atuais. Como próxima verificação, vamos analisar o uso da Flash Eprom ATMEL AT28C64 ao invés da EPROM 27C64. Ainda que eu tenha ambas no museu, a Flash Eprom da Atmel tem vantagens extensas sobre a 27C64, principalmente referente à facilidade de regravação.

Até a próxima!

Bibliografia

• Texas Instruments. CMos Ripple-Carry Binary Counter/dividers. datasheet. Disponível em: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4024b.pdf. Acesso em: 15 de Fev. de 2025.
• Braga, N.C. Usando o 4040 (IP694). Instituto Newton C. Braga. disponível em https://www.newtoncbraga.com.br/ideias-dicas-e-informacoes-uteis/43-circuitos-integrados-cmos/6960-usando-o-4040-ip694.html. Acesso em: 15 de Fev. de 2025.
• National Semiconductor. 27C64 65,536-Bit (8,192 x 8) UV Erasable CMOS PROM Military Qualified. datasheet. Princeton University. Disponível em https://www.princeton.edu/~mae412/HANDOUTS/Datasheets/27C64.pdf. Acesso em: 15 de Fev. de 2025.