Videoconsolas y PC
Las consolas clásicas en un vistazo
Las primeras videoconsolas de cierta potencia, capaces de mostrar un plano de scroll y sprites con un mínimo de detalle, como la NES o la Master System, eran en su esencia muy parecidas a los ordenadores de la época, como el Spectrum, Amstrad o Commodore, y estaban constituidas principalmente por:- Una CPU de modesta potencia (hoy día, de ínfima potencia, desde luego)
- Una pequeña cantidad de memoria RAM, de la cual parte estaba dedicada a tareas gráficas y parte estaba dedicada a propósitos generales
- Uno o varios coprocesadores diseñados para realizar tareas relativas al juego (vídeo y audio, generalmente). Sin esta ayuda, la CPU hubiera sido incapaz de manejar los juegos que lo hacían estas consolas. Tendrían que haber sido más sencillos, como los de Atari o Amstrad. Pero hasta la fecha los videojuegos han tendido al perfeccionamiento, y éste fue un paso importante.
La carrera de los bits y los megahercios
- 1. La carrera de los bits y los megahercios
- 2. Videoconsolas y PC
- 3. Cómo juegan los PCs y las consolas
- 4. La madurez del 3D: Xbox, GameCube y PS2
- 5. La nueva generación: Xbox 360 y PlayStation 3
- 6. Volviendo la vista atrás: la Dreamcast
- 7.1. Volviendo la vista adelante: la Wii
- 7.2. Volviendo la vista adelante: la Wii (y II)
NES | Master System | PC modesto de la época (1990) | |
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CPU | 6502 8 bits 1.7MHz | Z80 8 bits 3.5MHz | 386 32 bits 25MHz |
RAM principal | 2Kb | 8Kb | 4Mb |
RAM de vídeo | 2Kb | 16Kb | 512Kb |
Procesador de vídeo | PPU Chip diseñado en exclusiva | VDP Chip diseñado en exclusiva | VGA (con suerte) |
Procesador de audio | No disponible* | Integrado en el VDP | – |
Tamaño máximo de memoria manejable | 64Kb | 64Kb | 4Gb** |
Tamaño máximo de un juego | 1Mb | 512Kb | En principio, mucho :-)*** |
Otros | – | – | – |
* La CPU se encargaba de esta tarea, para lo que se modificó la CPU 6502 original.
** Máxima cantidad de memoria RAM que puede usar (sin contar memoria virtual).
*** Limitado por el tamaño máximo de memoria virtual, que es un Terabyte. Lógicamente, la verdadera limitación era el tamaño del disco duro y la memoria RAM instalada. En aquella época los discos duros rondarían los 100 ó 200Mb, y sobra decir que ningún juego de entonces ocupaba esa monstruosidad.
Las consolas de 16 bits: el auge de las 2D
Las consolas de 16 bits, Mega Drive y Super Nintendo, pueden verse como una evolución de la arquitectura de sus predecesoras más que como una revolución. No constituyen en sí un cambio radical de concepto, sino que amplían el esquema de las 8 bits con más potencia. Con ellas llegamos a la época dorada de los juegos en 2D.SNES | Mega Drive | PC modesto de la época (1993) | |
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CPU | 65816 16 bits 3.5MHz | Motorola 68000 16 bits 7.5MHz | 486DX2 32 bits 50MHz |
RAM principal | 128Kb | 64Kb | 8Mb |
RAM de vídeo | 64Kb | 64Kb | 1Mb |
Procesador de vídeo | 2 PPU* Chips diseñados en exclusiva | VDP** Chip diseñado en exclusiva | VGA o SVGA |
Procesador de audio | Dos chips de Sony, con capacidad de sonido digital | Un chip de Yamaha Otro chip integrado en el VDP*** | Sound Blaster 16 |
Tamaño máximo de memoria manejable | 16Mb | 16Mb | 4Gb |
Tamaño máximo de un juego | 4Mb | 4Mb | – |
Otros | – | Coprocesador Z80 a 3.5MHz | – |
* Se llaman igual que el de la NES, pero no tienen nada que ver. PPU significa chip de imagen (Picture Processor Unit), y así es como lo llamó Nintendo. En la SNES son mucho más potentes.
** Igual, es una versión mejorada y ampliada del VDP de la Master System. VDP es el nombre que eligió SEGA para el chip gráfico y significa Video Display Processor.
*** El que está integrado da la funcionalidad de sonido que tenía ya la Master System. El Yamaha es el que expande la potencia sonora de la Mega Drive.
Llegan las 3D: entendiendo el cambio que ello supone
A partir de ahora me referiré a las videoconsolas de 32 bits en adelante, es decir, las de la era 3D.Aplicaciones estáticas y aplicaciones multimedia.
En primer lugar, un videojuego no es más que un programa. Software. Muy similar al resto de programas que usas en tu ordenador, pero concebido para entretener. No obstante, hay diferencias entre un programa estático típico, como tu procesador de textos o tu navegador, y una aplicación multimedia o dinámica, como los videojuegos. Y estas diferencias son cruciales para entender el rendimiento y la potencia de una videoconsola y un ordenador frente al juego.Primera diferencia: operaciones en coma flotante
La mayoría de los programas estáticos realizan casi todas sus operaciones con números enteros (positivos y negativos, sin decimales). Por ejemplo, 5, 2, -3, 37, etc. En cambio, las aplicaciones dinámicas hacen un uso más o menos intensivo de operaciones en coma flotante (números positivos y negativos, con un número variable de decimales). Como mínimo habrás oído hablar de este tipo de operaciones. Para quien no sepa a qué me refiero, daré unos ejemplos.Notación científica | 2×103 | -5×106 | 3,5×10-4 | 3,38×10-1 |
Representación estándar | 2000 | -5000000 | 0,0035 | 0,338 |
- El primer número de la tabla es un 2, por base 10 elevada a 3. Significa es que al 2 hay que multiplicarlo 3 veces por 10.
- El segundo número es un -5 por base 10 elevada a 6. Al -5 hay que multiplicarlo 6 veces por 10.
- El tercer número, como tiene exponente negativo, hay que dividirlo 4 veces por 10.
- El cuarto número te lo dejo a ti
Segunda diferencia: datos e instrucciones. Entendiendo cada cosa
Los programas están formados por una secuencia de instrucciones que la CPU va ejecutando una tras otra. Estas instrucciones operan a su vez con datos, ya estén éstos almacenados en el propio programa (por ej. en una ROM), en la memoria de la máquina (RAM), en la caché o en los registros de la CPU. En un sistema mínimamente complejo existe una jerarquía de memoria. La memoria secundaria es un almacén masivo de datos (ej. disco duro, CD o DVD). Todos los datos aquí guardados deben ser cargados en memoria RAM antes de poder ser usados por la CPU. De ahí que los loading aparecieran con las consolas de CD. Lo que hace el loading es cargar información en la memoria RAM, es decir, subir por la jerarquía de memoria. La RAM es mucho más rápida que la memoria secundaria, pero es mucho más cara. Por ello, para mejorar el rendimiento del sistema se usa una pequeña cantidad de RAM en combinación con una memoria secundaria mucho mayor. Así, en la PlayStation o en la Saturn podíamos tener juegos de hasta 650Mb, con una memoria RAM de sólo 2Mb. De esta manera, se puede virtualmente cargar todo el CD, pero en fracciones de 2Mb. Cuando se requiera otra información (ej, pasamos de nivel), habrá que remplazar los datos de la RAM por otros nuevos. Es decir, la RAM se usa como buffer (almacén temporal). Aunque son técnicas muy diferentes, a efectos prácticos es similar a lo que conseguían los mapeadores en las 8 bits: dar la ilusión de tener una memoria más grande, haciendo visible a la CPU una pequeña porción del juego en cada momento. Pero con los mapeadores no existía una desventaja muy relevante, que sí aparece en la era CD: los tiempos de carga. En los cartuchos no había pantallas de carga porque los juegos estaban almacenados en memoria ROM, que es tan rápida como la RAM y permite ejecutar directamente desde ella. Pero ya podemos ver la desventaja de esto: el coste. La ROM es mucho más cara que un CD o un disco duro. Por eso, cuando aumentaron las necesidades de tamaño, se pasó a otro soporte de menos coste por byte.La caché va más allá
La idea de la caché es añadir a la jerarquía de memoria un nivel más rápido que la RAM. Todo lo que la CPU va requiriendo se carga en la caché. Ésta tiene una capacidad muy pequeña, pero su velocidad es endiablada y su cometido es guardar los datos e instrucciones que la CPU ha necesitado recientemente.Sólo unos pocos bloques de los que están en la RAM se guardan en la caché. Los bloques grises son bloques usados pero que no están en la caché. Los blancos son bloques vacíos. Es sólo un ejemplo.
Cuadro resumen del uso de las cachés
Los diagramas que siguen muestran la caché como un almacén, con dos cañerías para meter y sacar información. La parte coloreada de la cañería simboliza el caudal que entra y sale, y los bloques coloreados de dentro de la caché, la cantidad de información que se reutiliza, o en otras palabras, que beneficia al rendimiento. La caché suele estar dividida en caché de instrucciones y caché de datos.Caché de instrucciones
Las aplicaciones estáticas hacen un uso regular de la caché de instrucciones, porque su eficiencia depende de muchos factores, y habitualmente el flujo de instrucciones es muy variable; esto es, las instrucciones no permanecen mucho tiempo en la caché para ser reutilizadas, sino que son sustituidas por nuevas instrucciones antes de que pueda sacarse un buen provecho. Las aplicaciones dinámicas hacen un uso muy bueno de la caché de instrucciones porque como ya comenté, los cálculos son a menudo realizados por relativamente pocas instrucciones que se repiten muchas veces.Caché de datos
Las aplicaciones estáticas hacen un uso razonablemente bueno de la caché de datos, en función del caso, porque a menudo todos los datos que se necesitan intensivamente caben en la caché y el flujo de datos no suele ser muy rápido (la cañería lleva poco caudal). Las aplicaciones dinámicas hacen un uso pésimo de esta caché, porque el flujo de datos es muy rápido (la cañería lleva mucho caudal), y a menudo la información que entra en la caché no vuelve a usarse, por lo que hay que estar continuamente sacando datos para meter otros a toda pastilla.Tercera diferencia: ancho de banda
El ancho de banda es la capacidad de un canal para transmitir información. En nuestro caso, el ancho de banda será el número de bits por segundo que se pueden transferir. Este flujo de datos se envía casi siempre por medio de buses. Un bus es un canal de comunicación compartido. A él van conectados distintos dispositivos, de los que sólo uno puede emitir, mientras el resto escuchan. Cuando muchos quieren emitir a la vez, se debe esperar y se degrada el rendimiento. En la imagen de abajo se ve un ejemplo ficticio. Las líneas de color oscuro son buses. Como puede verse, hay un bus ancho entre la CPU y la memoria RAM y otro más estrecho que comunica la CPU, un procesador de entrada/salida (I/O) y un coprocesador (Cop). Mientras que la CPU puede enviar y recibir datos de la RAM cuando quiera por medio de su bus dedicado, sólo puede comunicarse con el procesador de entrada/salida si ni éste ni el otro coprocesador están enviando datos. El ancho de banda de un bus es el número de bits que se pueden trasmitir por él cada segundo. Siempre que no sea imprescindible, un bus se comparte por varios dispositivos, ahorrando así tener que conectarlos individualmente, uno por uno. Por tanto, un bus debe verse como una autopista de datos usada por muchos contribuyentes, respetando la norma de que sólo uno esté enviando información en cada momento. Así que todos se comportan amigablemente, y por tanto, si yo quiero mandar algo y otro está en posesión del bus, debo esperar. A veces esto no es tolerable, porque se necesita asegurar un cierto caudal de datos, así que se utilizan buses dedicados para conectar dos dispositivos, como la CPU y la RAM del dibujo. Así se evitan esperas innecesarias y ralentizaciones debido al tráfico de otros elementos del sistema. Por ejemplo, se podría haber hecho esto: Así no habría ningún tipo de espera por incordio del vecino. Pero esto que a priori parece razonable, no suele ser común. Resulta mucho más caro, sobre todo porque en un sistema real hay muchas conexiones que hacer. No son esquemas tan sencillos. Y el coste adicional es en dinero, y también en superficie de circuito. Más conexiones implica trazar más pistas, y siempre interesa mantener todo lo más pequeño posible. Una aplicación estática suele trabajar bien con grandes cachés, donde quepan la mayor parte de los datos e instrucciones que se necesitan. De este modo, no se requiere un gran ancho de banda entre la CPU y el sistema porque los accesos a memoria no son continuos, la comunicación con dispositivos externos (como una memoria USB) consume muy pocos recursos, y además no suele haber una restricción muy fuerte de velocidad. Es decir, menos rendimiento implica esperar unos segundos más a que el procesador de textos exporte nuestro documento a otro formato, por ejemplo, pero nada más. Una aplicación dinámica no puede apoyarse únicamente en más caché. El torrente de datos es masivo, y se requiere cambiar el enfoque de diseño si queremos hacer consolas potentes. Y no basta tampoco con hacer una súper-CPU, como muchos creen, porque lo más importante es mantener esta súper-CPU alimentada continuamente de datos e instrucciones que deben traerse de la memoria a gran velocidad. Si no, la súper-CPU se pasará la mayor parte de su super tiempo sin hacer nada, desperdiciando su potencia y los millones de euros que costó su desarrollo. Para el rendimiento de una videoconsola, el ancho de banda entre la CPU y el resto de dispositivos, en especial la memoria, es vital.Requisitos de una consola 3D
Una consola 3D está concebida casi exclusivamente para ejecutar aplicaciones dinámicas, por lo que para ser potente y poder mover juegos más complejos deberá:- Ser muy rápida haciendo operaciones en coma flotante
- Conseguir paliar el efecto del pésimo uso de la caché de datos
- Manejar una alta tasa de transferencia de bits entre la CPU y el sistema.
- Nada se estropeé, o se eche a perder
- El rápido ritmo de producción no consuma todas tus reservas antes del siguiente envío
Primera comparación entre consolas y PC
Ordenador PC | |
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Aplicaciones | Son máquinas pensadas para ejecutar razonablemente bien un conjunto muy amplio de programas, y principalmente aplicaciones estáticas. |
Coma flotante | Aunque cada vez se le presta más atención, y los Pentium 4 y Athlon se han esforzado en mejorarlo, los PC se han caracterizado por un rendimiento en coma flotante mediocre en comparación con otros sistemas. Procesadores un poco más antiguos, como el Pentium y el K6, eran bastante lentos en este tipo de operaciones, lo que constituía uno de los principales limitantes en aplicaciones que se apoyaban en coma flotante, entre ellos los videojuegos. |
Memoria y caché | Suelen tener una cantidad generosa de memoria RAM y una memoria caché lo más grande posible, aspirando a mantener la mayor cantidad de información retenida y apoyándose en ello para alcanzar un elevado rendimiento. |
Ancho de banda | La comunicación de la CPU con la memoria se hace a través de un bus principal, muy rápido (FSB). Para el resto de componentes se usan otros buses de menos ancho de banda:
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Videoconsola | |
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Aplicaciones | Están pensadas para ejecutar un conjunto reducido de aplicaciones pero haciéndolo muy bien, principalmente aplicaciones dinámicas. |
Coma flotante | Es un aspecto al que se le da mucha prioridad, y normalmente tienen un elevado rendimiento en este aspecto aspirando a hacer cuantos más cálculos sea posible, lo que se traduce en más polígonos y una física más compleja. |
Memoria y caché | Suelen tener mucha menos memoria que un PC, y cachés más pequeñas, aspirando más a transportar la información muy rápido que a almacenar una gran cantidad, apoyándose en esto para alcanzar un elevado rendimiento. |
Ancho de banda | La comunicación entre la CPU y los distintos dispositivos está optimizada para alcanzar altas velocidades de transferencia, distribuyendo el tráfico a través de multitud de buses independientes estratégicamente colocados, que garantizan un alto rendimiento. |
La comparación que sí vale
Ya presenté al principio un cuadro comparativo de las retroconsolas de 8 y 16 bits con los PCs de su época, pero ahora llega el momento de comparar una consola 3D, a la que se aplica todo lo que hemos hablado, y discutir los resultados.Dreamcast | PlayStation 2 | PC modesto de la época (1999) | |
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CPU | Hitachi SH4 32 bits 200MHz | Emotion Engine* 64 bits 300MHz | AMD Athlon 32 bits 700MHz |
Caché | 8Kb (instrucciones) 16Kb (datos) | 40Kb (instrucciones)** 32Kb (datos)** | 64Kb (L1) 512Kb (L2)*** |
RAM principal | 16Mb | 32Mb | 128Mb |
RAM de vídeo | 8Mb | 4Mb (embebida) | 32Mb |
Procesador de vídeo | PowerVR2 | Graphics Synthesizer Diseñado en exclusiva | GeForce 256 |
Tamaño máximo de un juego | 1Gb | 4Gb | – |
Otros | Usa un ARM7 como coprocesador de audio | El procesador de I/O lleva «integrada» una PSX | – |
Como anécdota, el ARM7 es la CPU que usa la Game Boy Advance, y el coprocesador de la DS.
* En el Emotion Engine están integrados la CPU, varios coprocesadores, las cachés y además una memoria especial de 16Kb muy rápida.
** Suma total de las cachés de la CPU y los coprocesadores.
*** Un poco más lenta que la caché L1, pero mucho más rápida que la memoria principal.
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Pues mucho más denso y técnico, pero tan ilustrativo como la primera engtrega. Lectura obligada, enhorabuena.
Creo que es imposible explicar este tema de manera más sencilla. Por cierto deberías poner un link al final del articulo enlazando con la primera parte.
En efecto, es mucho mas duro, pero como dice JakCore, es complicado exponerlo de forma mas asequible. No son cosas faciles. Pero cuando se sabe esto, comprender algo mas complejo es mas facil. Los articulos que estan por llegar seran mas digeribles
Muy currado. El tema que trata es bien complejo, no muy apto para las masas, pero aún así lo has hecho bastante comprensible (en especial gracias a la metáfora de los camiones ).
Muy didáctico, con cosas así hasta los patanes podemos entender estos asuntos.
Habría estado bien una comparaiva PS2/GC/XBox, pero vamos, que es un trabajo impecable
Almorrano, el proximo artículo sera una comparativa PS2/PC, para ilustrar todo lo que acabo de explicar, pero tocare un poco la comparativa GC/Xbox/PS2 que tanta polemica ha dado
Ah, sí otra cosa más, hay que tener en cuenta la resolución, porque no es lo mismo la resolución que manejaba una Megadrive o SNES que la de un PC de la época, ese también es un factor y de los gordos pero que tal vez no pegase en esta entrega, que se centraba más en el manejo de información
David, no lo tomes como crítica impertinente, al contrario, si se me van ocurriendo cosas es porque le sigo dando vueltas al artículo.
Muy bueno el artículo. Sin embargo, me he quedado con una duda, cuando compara las consolas de 8 bits con los ordenadores de la época, dice que sin los coprocesadores, éstas serían igual de poco potentes que, por ejemplo, un Spectrum. Sin embargo, el ordenador MSX, y sobre todo, el MSX 2, tenían prácticamente la misma potencia que la NES o la Master System (recuerdo que el juego Rastan Saga era igual en estos dos últimos), ¿esto se debe a que los MSX tenían coprocesadores también, o que estos últimos iban integrados en los juegos de cartucho donde se alcanzaban esas altas prestaciones?. Lo digo, por que a priori, tanto el Spectrum como el MSX compartían el mismo procesador, el Z80.
Gracias por todo. Me gusta mucho su página, aunque a veces pecan un poco de excesivamente nintenderos!!!, jejeje. Un saludo a todos.
Salacious Crumb, me alegro por tu pregunta, es muy buena. Te explico. En efecto, el MSX2 es una version mejorada del MSX1. Salio en 1985, poco antes que la NES (creo). El MSX 2 tenia mucha más memoria que el MSX1. Su BIOS era mas grande, su version de BASIC mejorada, y pasaba de tener unos 64Kb de RAM (maxima), a tener 128Kb.Como su CPU es la Z80, como mencionas, su potencia podría ser comparable a la de un Spectrum 2. Pero, en efecto, el MSX2 tenia un coprocesador gráfico, de la misma familia que el de la Master System, pero mejorado. En resumen los chips graficos de la Master Syste, y GameGear son una modificacion del TMS9918. Este chip era en origen poco potente, pero en las consolas de SEGA se le añadieron nuevas funcionalidades, mejorandolo bastante. El MSX1 tambien usa un chip basado en el TMS9918 (aunque a no se si mejorado o no)No obstante, el MSX2 usa el sucesor del TMS, el V9938, tambien de Yamaha. Este chip representa una mejora muy considerable. Añade modos de video nuevos, algunos muy potentes, mas colores por sprites, una paleta mas flexible, etc… Ademas, pasa de 16Kb de video a unos impresionantes 128Kb, que lo pone mas a la altura del chip de Megadrive que de Master System. Aunque desconozco si el MSX2 realmente podria igualar a una Megadrive, tecnicamente es muy similar, aunque sigue manteniendo una CPU de 8 bits muy inferior al 68000 de 16 bits de la Megadrive. Asi que supongo que este hecho colocará al MSX2 por debajo de las consolas de 16 bits. Los MSX2 y Turbo mejoraron aun mas si chip grafico. Asi que en resumen… si, tienen coprocesadores
UPPS!! Perdon. El post anterior es mio, solo que estaba trabajando en el ordenador de Tolrak, en el juego del que Ikael hablo en el blog hace poco.
Muchas gracias por responder. En efecto, sospechaba que debían tenerlos, por que las diferencias gráficas entre los MSX y los otros ordenadores de su generación, eran abismales en según qué juegos.