Кен Ширрифф, компьютерный историк и любитель восстанавливать старое железо, поделился в своём твиттере новым проектом по реверс-инжинирингу рождественского чипа



Праздничное вскрытие крохотного чипа, играющего рождественскую мелодию. Чип UM66T выглядит как транзистор, но внутри у него ПЗУ на 64 ноты и контур управления динамиком. Его разрабатывали специально для музыкальных открыток и игрушек. Давайте посмотрим, что у него внутри.

Я растворил корпус чипа в кипящей серной кислоте, чтобы добраться до находящегося внутри кремниевого кристалла размером 1,8×1,8 мм. Я впервые вскрывал чип при помощи кислоты, и всё прошло хорошо, хотя на кристалле остались царапины. Под микроскопом можно разглядеть КМОП-структуру чипа.


UM66T01A 9249


Диаметр монеты 19 мм


Розовый кристалл с зеленоватыми и голубоватыми участками. Сверху всё вместе соединяют металлические проводники.

64 ноты хранятся в ПЗУ размером 64×6. Каждая нота хранит 4 бита частоты и 2 бита длительности. Меняя металлический слой, можно программировать исполнение чипом различных песен, и продавать разные варианты. Сверху ПЗУ расположился двоичный декодер. Обратите внимание на последовательность 8,4,2,1.


ПЗУ, сетка транзисторов. Активацией конкретных транзисторов заведуют металлические проводники.

Следующее ПЗУ определяет частоты 16 нот. Таймер на 32 кГц делится для генерации импульсов. Вместо счётчика деление осуществляется регистр сдвига с линейной обратной связью. В ПЗУ содержатся псевдослучайные значения, инициирующие регистр сдвига.


ПЗУ задания частоты


Регистр сдвига состоит из 7 похожих ступеней

Каждая ступень регистра сдвига представляет собой триггер, состоящий из 26 транзисторов. Инверторный контур удерживает бит, пока не передаст его на следующую ступень. Благодаря использованию регистров сдвига вместо обычных счётчиков удалось сэкономить несколько транзисторов.


Ступень регистра сдвига на кристалле. Кучка красноватых транзисторов, соединённых металлическими проводниками.


Схема соответствующей ступени

Я отметил функциональные блоки на фото кристалла. Схема музыкального чипа минималистична. В ней используются только триггеры и вентили, и никакого микроконтроллера. У чипа 3 контакта, однако на кристалле 8 контактных площадок. Остальные предназначены для проверки чипа.



Для генерации тактовой частоты в 32 кГц у чипа есть простой генератор резистор-конденсатор-инвертор. Белый прямоугольник – это конденсатор. Зелёный зигзаг – резистор. Сопротивление можно регулировать, закоротив часть резистора в металлическом слое. Белые зигзаги – базы транзисторов.



R-C генератор на чипе дешёвый и неточный, в отличие от кварцевых. При изменении напряжения меняется и частота. На следующем видео я искажаю звук мелодий, поднимая и опуская напряжение.



Круто у них получилось впихнуть всё сразу на один музыкальный чип. Остаётся только добавить батарейку и динамик. Для открытки, конечно, больше подойдёт компактный пьезоизлучатель. После подачи питания чип воспроизводит мелодию от начала до конца и останавливается. Думаю, что такой чип впервые появился в 1990-м.





Чип создан на основе самых современных интегральных схем – КМОП. А вот инвертер – слева p-канальный МОП, справа – n-канальный. p-канальный МОП включается при подаче 0 на вход, подтягивая выход вверх. n-канальный включается при поступлении 1, подтягивая выход вниз. Получается инвертер.



Для выходных высокотоковых контактов используются гораздо более крупные транзисторы. Зигзагообразная структура на вентиле транзистора позволяет расположить все элементы более эффективно.



Надеюсь, этот тред создаст вам праздничное настроение. :-)