WDC 65C02

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1. 개요
2. 특징
3. 6502와의 비교
4. 65SC02
5. 활용 사례
참조

1. 개요

WDC 65C02는 8비트 마이크로프로세서로, 6502의 저전력 CMOS 버전이며, 버그 수정, 명령어 추가, 성능 개선이 이루어졌다. 65C02는 64KB의 메모리 주소 공간을 가지며, 다양한 레지스터와 어드레싱 모드를 지원한다. 6502에 비해 전력 소비가 낮고, 새로운 명령어와 어드레싱 모드를 추가하여 코드의 효율성을 높였다. 가정용 컴퓨터, 비디오 게임 콘솔, 체스 컴퓨터 등 다양한 제품에 사용되었으며, WDC 65C02의 변형인 65SC02도 존재한다.

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WDC 65C02
개요
W65C02S 마이크로프로세서 (PDIP-40 패키지)
생산 시작	1983년
설계 회사	웨스턴 디자인 센터
이전 모델	MOS Technology 6502
기술 사양
최저 속도	1
최고 속도	14
속도 단위	MHz
아키텍처	8비트
데이터 폭	8비트
주소 폭	16비트
기타
제조사	웨스턴 디자인 센터

2. 특징

65C02는 기본적으로 6502와 동일한 아키텍처를 가지며, 저전력 구현으로 간주될 수 있다. 1MHz에서 65C02는 20mW의 전력만 소비하는데, 이는 450mW를 소비하는 6502에 비해 20배 이상 감소한 수치이다.^[2] 낮은 전력 소비 덕분에 65C02는 저전력 시스템 온 칩 (SoC) 설계에 적합하다.^[2]

W65C02S 코어의 Verilog 하드웨어 설명 모델은 주문형 반도체 (ASIC) 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 설계에 사용될 수 있다.^[3] WDC는 개발자 보드, 인 회로 에뮬레이터 (ICE), 소프트웨어 개발 시스템을 포함하는 개발 시스템을 제공한다.^[4]

'''W65C02S–14'''는 생산 버전으로, PDIP, PLCC, QFP 패키지로 제공된다. 공식적으로 지원되는 최대 클럭 속도는 5V에서 14 MHz이며, –14 부품 번호 접미사로 표시된다. "S" 지정은 해당 부품이 완전한 정적 코어를 가지고 있음을 나타내며, 이는 데이터 손실 없이 클럭 속도를 늦추거나 완전히 중지할 수 있게 해준다.^[5] 취미 애호가들은 공식 등급보다 빠르게 실행되는 65C02 홈브루 시스템을 개발하기도 했다.

2. 1. 기본 사양

65C02는 저렴한 8비트 마이크로프로세서(8비트 프로세서 레지스터 및 데이터 버스)로, 16비트 프로그램 카운터와 어드레스 버스를 가지고 있다.^[2]

65C02 레지스터
¹₅	¹₄	¹₃	¹₂	¹₁	¹₀	⁰₉	⁰₈	⁰₇	⁰₆	⁰₅	⁰₄	⁰₃	⁰₂	⁰₁	⁰₀	(비트 위치)
주요 레지스터
								A								A 누산기
인덱스 레지스터
								X								X 인덱스 레지스터
								Y								Y 인덱스 레지스터
0	0	0	0	0	0	0	1	SP								S 스택 포인터
프로그램 카운터
PC																P 프로그램 C 카운터
상태 레지스터
								N	V	-	B	D	I	Z	C	S 상태 R 레지스터

레지스터는 단일 8비트 누산기 (A), 두 개의 8비트 인덱스 레지스터 (X 및 Y), 8비트 상태 레지스터 (P) 및 16비트 프로그램 카운터 (PC)가 있다. RAM의 처음 256바이트인 "제로 페이지" ($0000에서 $00FF)는 16비트 주소 대신 8비트 메모리 주소를 사용하는 어드레싱 모드를 통해 더 빠르게 접근할 수 있다. 스택은 다음 256바이트인 페이지 1 (0x0100에서 0x01FF)에 위치하며, 이동하거나 확장할 수 없다. 스택은 스택 포인터 (S)가 $01FF에서 시작하여 스택이 증가함에 따라 감소하면서 역방향으로 증가한다.^[2] 가변 길이 명령어 집합을 가지며, 명령어당 1~3바이트까지 다양하다.

65C02는 다음의 사양을 갖는다.

8비트 데이터 버스
16비트 어드레스 버스 (64KB 주소 공간 제공)
8비트 산술 논리 장치 (ALU)
8비트 프로세서 레지스터:
* 누산기
* 스택 포인터
* 인덱스 레지스터
* 플래그 레지스터
16비트 프로그램 카운터
212개의 연산 코드로 구현된 69개의 명령어
제로 페이지 어드레싱을 포함한 16개의 어드레싱 모드

2. 2. 논리적 특징

벡터 풀 (VPB) 출력은 인터럽트 벡터가 어드레싱될 때를 나타낸다.
메모리 잠금 (MLB) 출력은 읽기-수정-쓰기 명령이 처리될 때 다른 버스 마스터에게 알린다.
대기-인터럽트 (WAI) 및 정지 (STP) 명령은 전력 소비를 줄이고, 인터럽트 지연 시간을 줄이며, 외부 이벤트와의 동기화를 가능하게 한다.

2. 3. 전기적 특징

W65C02S는 1.71V에서 5.25V 사이의 공급 전압(V_DD)에서 작동할 수 있다.^[5] 1.89V에서는 MHz당 0.15mA, 5.25V에서는 MHz당 1.5mA의 전류를 소비한다.^[5]

가변 길이 명령어 집합은 코드 크기를 최적화하여 전력 절감 효과를 가져온다.^[5] 또한, 완전 정적 코어를 통해 클럭을 중단하여 전력을 절약할 수 있다.^[5]

데이터 시트 AC 특성 표에는 다음의 작동 특성이 나와 있다.

전압 (V)	주파수 (MHz)
5	14
3.3 또는 3	8
2.5	4
1.8	2

하지만, 그래프는 일반적인 장치가 AC 특성 표에 제시된 것보다 더 높은 속도로 작동할 수 있음을 나타낸다. V_DD가 5V일 때, 지원 하드웨어가 허용한다는 가정 하에 20MHz에서도 안정적인 작동이 가능하다.

W65C02S는 임의의 클럭 속도를 지원하므로, 시스템의 다른 부분에 이상적인 속도로 클럭을 사용할 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.

13.5MHz (디지털 SDTV 루마 샘플링 속도)
14.31818MHz (NTSC 색상 반송파 주파수 × 4)
14.75MHz (PAL 정사각형 픽셀)
14.7456 (보드율 크리스탈)

단, V_DD가 해당 주파수를 지원하기에 충분해야 한다.

디자이너 빌 멘시](Bill Mensch)]는 F_MAX (최대 주파수)가 마이크로프로세서 핀의 정전 용량 부하와 같은 칩 외부 요인의 영향을 받는다고 지적했다. 짧은 신호 트랙과 최소한의 장치를 사용하여 부하를 최소화하면 F_MAX를 높이는 데 도움이 된다. PLCC 및 QFP 패키지는 PDIP 패키지보다 핀 간 정전 용량이 적고

2. 4. 클럭

W65C02S는 1.8~5V(±5%) 사이의 공급 전압(V_DD)에서 작동할 수 있다. 데이터 시트 AC 특성 표에는 다음의 작동 특성이 나와 있다.^[5]

W65C02S 작동 특성
전압 (V_DD)	클럭 속도 (MHz)
5V	14MHz
3.3V/3V	8MHz
2.5V	4MHz
1.8V	2MHz

일반적인 장치는 위 표에 제시된 것보다 더 높은 속도로 작동할 수 있으며, V_DD가 5V일 때 지원 하드웨어가 허용한다는 가정하에 20MHz에서 안정적인 작동이 쉽게 달성될 수 있음을 그래프는 보여준다.^[5]

W65C02S는 임의의 클럭 속도를 지원하므로, V_DD가 해당 주파수를 지원하기에 충분하다면 다음과 같은 시스템의 다른 부분에 이상적인 속도로 클럭을 사용할 수 있다.^[5]

13.5MHz (디지털 SDTV 루마 샘플링 속도)
14.31818MHz (NTSC 색상 반송파 주파수 × 4)
14.75MHz (PAL 정사각형 픽셀)
14.7456 (보드율 크리스탈)

PLCC 및 QFP 패키지는 PDIP 패키지보다 핀 간 정전 용량이 적고 인쇄 회로 기판 공간을 더 경제적으로 사용할 수 있다.^[5]

WDC는 W65C02S의 FPGA 구현이 200MHz에서 성공적으로 작동했다고 보고했다.^[5]

3. 6502와의 비교

65C02는 기본적으로 6502와 동일한 아키텍처를 가진 저전력 버전이다. 6502는 저렴한 가격이 특징이었는데, 65C02는 1MHz 속도에서 20mW의 전력만 소비하여 원래 450mW를 소비하던 6502에 비해 전력 소비를 20배 이상 줄였다.^[2] 이는 수동으로 최적화된 코어와 낮은 전력 소비 덕분이며, 65C02를 저전력 시스템 온 칩(SoC) 설계에 적합하게 만들었다.^[2]

65C02는 6502에서 발견된 몇 가지 버그를 수정하고, 새로운 명령어, 어드레싱 모드 및 기능을 추가하여 프로그래머가 더 작고 빠르게 실행되는 프로그램을 작성할 수 있도록 했다. 65C02에서는 6502 어셈블리 언어 프로그램을 평균 10~15% 더 작게 만들 수 있으며, 메모리 접근을 줄여 성능도 개선되었다.^[2]

W65C02S-14는 현재 생산 중인 버전이며, PDIP, PLCC, QFP 패키지로 제공된다. 공식적으로 지원되는 최대 주 클럭 속도(Ø2)는 5V에서 작동할 때 14MHz이며, 부품 번호 접미사 –14로 표시된다.^[5]

3. 1. 미지원 명령어 제거

6502는 56개의 명령어를 가지고 있으며, 다양한 어드레싱 모드를 결합하여 256개의 8비트 연산 코드 패턴 중 151개의 연산 코드를 생성했다. 나머지 105개의 사용되지 않는 연산 코드는 정의되지 않았다.^[6]

6502의 미지원 명령어 중 일부는 프로세서를 즉시 충돌시키기도 했지만, 유용한 기능을 수행하는 경우도 있어 일부 프로그래머들은 비공식 어셈블러 니모닉을 부여하기도 했다.^[7]

65C02는 이러한 미지원 명령어 슬롯에 새로운 연산 코드를 추가하거나, NOP(No Operation)으로 처리했다. 예를 들어, $FF는 새로운 BBS 명령어에 사용된다. 이를 통해 6502 프로그램과의 호환성 문제를 해결했다.

3. 2. 버그 수정

65C02는 초기 6502 프로세서에서 발견된 몇 가지 버그를 해결했다. 주요 수정 사항은 다음과 같다.

ROR (오른쪽 회전) 명령어 부재 문제 해결: 초기 6502에는 ROR 명령어가 없었으나, 1976년 6월 이후 생산된 6502에는 ROR 명령어가 구현되었다.^[9]
JMP 간접 어드레싱 버그 수정: 6502는 간접 어드레싱을 사용하는 JMP 명령어에서 페이지 경계(메모리 주소가 $FF로 끝나는 경우)를 처리할 때 오류가 있었다. 65C02는 이 문제를 수정하여 대상 주소의 최상위 바이트를 올바르게 가져온다.^[10]
리셋/인터럽트 후 상태 레지스터 D 플래그 자동 초기화: NMOS 6502는 리셋 또는 인터럽트 후 D (10진수) 플래그의 상태가 정의되지 않아 프로그래머가 직접 초기화해야 했다. 65C02는 리셋 및 인터럽트 발생 시 D 플래그를 자동으로 0으로 초기화하여 이진 산술 모드로 전환한다.^[11]
10진수 모드 산술 연산 시 N, V, Z 플래그 업데이트: NMOS 6502는 10진수 모드에서 산술 연산을 수행할 때 N (음수), V (오버플로), Z (제로) 플래그를 업데이트하지 않았다. 65C02는 10진수 산술 연산 결과에 따라 이 플래그들을 정확하게 설정한다.^[11]
읽기-수정-쓰기 명령어 동작 개선: NMOS 6502는 읽기-수정-쓰기 명령어를 실행할 때 지정된 주소에 두 번 쓰기를 수행했다. 65C02는 이 문제를 해결하여 지정된 주소를 두 번 읽고 한 번만 쓰도록 변경했다.
인덱스 어드레싱 시 페이지 경계 문제 해결: NMOS 6502는 인덱스 어드레싱을 사용할 때 페이지 경계를 넘어가면 잘못된 주소에서 값을 읽는 문제가 있었다. 65C02는 페이지 경계를 넘을 때 더미 읽기를 수행하여 이 문제를 해결했다.

3. 3. 새로운 어드레싱 모드

6502는 페이지 제로에 저장된 16비트 주소를 통해 역참조하는 두 가지 간접 어드레싱 모드를 가지고 있다.

인덱스 간접 어드레싱 모드: `LDA ($10,X)`는 16비트 벡터를 읽기 전에 주어진 페이지 제로 주소에 X 레지스터를 더한다. (예: X가 5이면 위치 $15/$16에서 16비트 주소를 읽는다.)
간접 인덱스 어드레싱 모드: `LDA ($10),Y`는 주어진 페이지 제로 주소에서 읽은 16비트 벡터에 Y 레지스터를 더한다. (예: Y가 5이고 $10/$11이 벡터 $1000을 포함하는 경우, $1005에서 값을 읽는다.)

이 모델의 단점은 인덱싱이 필요하지 않더라도 주소가 제로 페이지에 있는 경우, 인덱스 레지스터 중 하나를 0으로 설정하고 이러한 명령어 중 하나를 사용해야 한다는 것이다. 65C02는 인덱스 레지스터를 해제하여 `LDA ($10)`와 같은 비 인덱스 간접 어드레싱 모드를 인덱스 간접 및 간접 인덱스 모드를 사용할 수 있는 모든 명령어에 추가한다.^[12]

6502의 `JMP` 명령어는 "절대 간접" 어드레싱 모드를 갖는데, 주어진 메모리 주소에서 16비트 값을 읽은 다음 해당 16비트 값의 주소로 점프하는 방식이다. (예: 메모리 위치 $A000이 $34, $A001이 $12를 보유하는 경우 `JMP ($A000)`는 $1234를 구성하여 해당 위치로 점프한다.)

간접 어드레싱의 일반적인 용도 중 하나는 분기 테이블(서브루틴의 진입점 목록)을 구축하는 것이다. 65C02는 분기 테이블 사용을 용이하게 하는 인덱스 절대 간접 모드를 추가한다. 이 모드는 절대 주소에 X 레지스터의 값을 더하고 결과 위치에서 16비트 주소를 가져온다. (예: `READ` 함수에 접근하려면 X에 4를 저장한 다음 `JMP ($A000,X)`를 실행). 이러한 스타일의 액세스는 8비트 오프셋과 함께 단일 기본 주소를 사용하므로 분기 테이블에 접근하는 것을 더 간단하게 만든다.^[12]

3. 4. 새 명령어 및 개선된 명령어

65C02는 기존 6502 프로세서에 비해 코드 크기를 줄이고 실행 속도를 향상시키는 몇 가지 새로운 명령어와 개선된 명령어들을 추가했다.

새로운 명령어
`INC A`, `DEC A`: 누산기(A)의 값을 1 증가시키거나 감소시킨다. 일부 어셈블러에서는 `INA`, `DEA` 또는 `INC A`, `DEC A`로 표현하기도 한다.^[2]
`STZ addr`: 지정된 주소(`addr`)에 0을 저장한다. 누산기의 값을 변경하지 않고 메모리에 0을 저장할 수 있어 코드 크기를 줄일 수 있다.^[2]
`PHX`, `PLX`, `PHY`, `PLY`: X, Y 인덱스 레지스터의 값을 스택에 저장하거나(Push) 스택에서 가져온다(Pull).^[2]
`BRA`: 항상 분기(Branch Always)하는 명령어로, 상대 주소를 사용한다. 코드 재배치에 유용하다.^[2]

개선된 `BIT` 명령어
즉시 모드, X 인덱스 레지스터를 사용한 제로 페이지 및 절대 주소 지정 모드가 추가되었다.^[2]
즉시 모드에서는 `BIT #%00010000` 와 같이 사용하여 누산기의 값을 변경하지 않고 비트 값을 검사할 수 있다.^[2]

비트 조작 명령어 (WDC)
`TSB addr`, `TRB addr`: 지정된 주소의 메모리 값과 누산기 값을 AND 연산하여 결과를 상태 레지스터의 Z 플래그에 반영하고, `TSB`는 누산기 값과 OR 연산한 결과를, `TRB`는 누산기 값의 보수(NOT)와 AND 연산한 결과를 메모리에 저장한다.^[2]

비트 조작 명령어 (Rockwell)
`SMB bit# zp`, `RMB bit# zp`: 제로 페이지 주소(`zp`)의 지정된 비트(`bit#`)를 설정(Set)하거나 재설정(Reset)한다.^[2]
`BBS bit# zp,addr`, `BBR bit# zp,addr`: 제로 페이지 주소의 지정된 비트가 설정되어 있으면(`BBS`) 또는 재설정되어 있으면(`BBR`) 지정된 주소(`addr`)로 분기한다.^[2]

이러한 명령어 추가 및 개선을 통해 65C02는 6502에 비해 평균적으로 10~15% 더 작은 코드를 작성할 수 있었고, 메모리 접근 횟수를 줄여 성능 향상에도 기여했다.^[2]

3. 5. 저전력 모드

WDC는 저전력 모드를 지원하기 위해 `STP`와 `WAI` 명령어를 추가했다.

`STP` (프로세서 정지)는 하드웨어 리셋이 발생할 때까지 모든 처리를 중단시킨다. 이는 시스템을 "절전 모드"로 전환하고 리셋으로 빠르게 "깨우는" (재활성화) 데 사용될 수 있다.^[1]

`WAI` (대기-인터럽트)는 비슷한 효과를 가지지만, 인터럽트를 수신하면 정상적인 실행을 재개한다. 이 명령어가 없으면 하드웨어 인터럽트를 기다리는 것은 일반적으로 인터럽트 처리가 루프에서 벗어날 때까지 프로그램을 일시 중지하는 스핀 루프를 실행하는 것을 포함한다. 즉, 프로세서는 전체 프로세스 동안 실행되면서 인터럽트가 발생하지 않을 때조차 전력을 소비한다. 반대로, 65C02에서는 인터럽트 코드를 `WAI` 다음에 핸들러로의 `JSR` 또는 `JMP`를 즉시 사용하여 작성할 수 있다. `WAI`가 발생하면 처리가 중단되고 프로세서는 저전력 모드로 들어간다. 인터럽트가 수신되면, 프로세서는 즉시 `JSR`을 실행하고 요청을 처리한다.^[1]

이는 성능을 약간 향상시키는 부가적인 이점이 있다. 스핀의 경우, 인터럽트가 루프의 명령어 중간에 도착할 수 있으며, 핸들러에서 반환된 후 다시 시작할 수 있도록 프로세서는 위치를 저장하는 데 3 사이클을 소비한다. `WAI`를 사용하면 프로세서가 모든 명령이 완료될 것이 보장된 알려진 위치에서 저전력 상태로 들어가므로 인터럽트가 도착할 때 명령을 방해할 수 없으며 인터럽트 응답이 즉시 이루어질 수 있다. 또한, 프로그램이 인터럽트를 예상하므로 프로세서는 상태를 저장하는 데 시간을 소비하지 않고 안전하게 계속할 수 있다. 프로그램은 `WAI` ''전에'' 필요한 모든 상태 저장을 수행해야 한다.^[1]

4. 65SC02

65SC02는 WDC 65C02의 변형으로, 비트 관련 명령어가 없다.^[14]^[15]

5. 활용 사례

WDC 65C02는 다양한 가정용 컴퓨터, 비디오 게임 콘솔, 기타 제품에 사용되었다.

분야	제품명	제조사	비고
가정용 컴퓨터	애플 IIc	애플	휴대용, NCR 1.023MHz^[16]
향상된 애플 IIe	애플	1.023MHz
BBC 마스터	에이콘 컴퓨터스 주식회사	가정/교육용, 2MHz 65SC12 및 옵션 4MHz 65C102 보조 프로세서^[17]
레플리카 1		애플 I 애호가용 복제품, 1MHz
레이저 128 시리즈		애플 II 복제 기종^[18]
KIM-1		모스/CBM KIM-1의 현대적 복제품
비디오 게임 콘솔	아타리 링크스		휴대용, 65SC02 @ 4MHz
PC 엔진 (터보그래픽스-16)		허드슨 소프트 HuC6280 @ 7.16MHz^[19]
게임킹	타임탑	휴대용, 6MHz
와타라 슈퍼비전		휴대용, KS5360 (65SC02 코어) @ 4MHz
기타 제품	코모도어 64용 터보마스터(TurboMaster) 가속기 카트리지		65C02 @ 4.09MHz
아콘 BBC 마이크로용 튜브 연결 보조 프로세서		65C02 @ 3MHz
메피스토 MMV, 노바그 슈퍼 컨스텔레이션, 피델리티 엘리트		전용 체스 컴퓨터, 4MHz~20MHz

5. 1. 가정용 컴퓨터

애플 IIc 휴대용 컴퓨터, 애플 (NCR 1.023MHz)^[16]
향상된 애플 IIe (1.023MHz)
BBC 마스터 가정/교육용 컴퓨터, 에이콘 컴퓨터스 주식회사 (2MHz 65SC12 및 옵션 4MHz 65C102 보조 프로세서)^[17]
레플리카 1 (애플 I 애호가용 컴퓨터 복제품) (1MHz)
레이저 128 시리즈 (애플 II 복제 기종)^[18]
KIM-1 (모스/CBM KIM-1의 현대적 복제품)

5. 2. 비디오 게임 콘솔

아타리 링크스 휴대용 게임기 (65SC02 @ 4MHz)
PC 엔진 (PC Engine) 또는 터보그래픽스-16 (허드슨 소프트 HuC6280 @ 7.16MHz)^[19]
게임킹 휴대용 게임기 (6MHz) - 타임탑
와타라 슈퍼비전 (Watara Supervision) 휴대용 게임기 (KS5360 (65SC02 코어) @ 4MHz)

5. 3. 기타 제품

코모도어 64 가정용 컴퓨터용 터보마스터(TurboMaster) 가속기 카트리지 (65C02 @ 4.09MHz)
아콘 BBC 마이크로 가정용 컴퓨터용 튜브 연결 보조 프로세서 (65C02 @ 3MHz)
메피스토 MMV, 노바그 슈퍼 컨스텔레이션, 피델리티 엘리트 (4MHz~20MHz) 등 다수의 전용 체스 컴퓨터

참조

_[1] 뉴스 Softalk https://archive.org/[...] Softalk Publishing 1983-06
_[2] 웹사이트 6502 Stack http://www.cs.jhu.ed[...] 2018-03-02
_[3] 웹사이트 6502 CPU Projects in HDL (for FPGA) https://wdc65xx.com/[...]
_[4] 웹사이트 W65C02DB Developer Board https://www.westernd[...]
_[5] 웹사이트 W65C02S-14 http://www.westernde[...]
_[6] 웹사이트 The 6502/65C02/65C816 Instruction Set Decoded http://nparker.llx.c[...]
_[7] 웹사이트 Extra Instructions Of The 65XX Series CPU http://www.ffd2.com/[...] 1995-08-22
_[8] Youtube The 6502 Rotate Right Myth https://www.youtube.[...]
_[9] 웹사이트 ROR in Microsoft BASIC for 6502 https://www.pagetabl[...]
_[10] 문서 MCS650x Instruction Set.jpg
_[11] 웹사이트 Differences between NMOS 6502 and CMOS 65c02 http://wilsonminesco[...] 2018-02-27
_[12] 웹사이트 65C02 Opcodes http://6502.org/tuto[...]
_[13] 웹사이트 W65C02S Datasheet http://www.westernde[...]
_[14] 서적 GTE Microcircuits Data Book https://archive.org/[...] GTE Microcircuits 2024-05-02
_[15] 서적 Programming the 6502 https://archive.org/[...] Sybex
_[16] 웹사이트 8-The Apple IIc https://www.apple2hi[...] 2023-10-31
_[17] 웹사이트 BBC Master Acorn Computer https://www.old-comp[...] 2023-10-31
_[18] 웹사이트 LASER 128 / 128EX / 128EX2 Video Technology https://www.old-comp[...] 2023-10-31
_[19] 웹사이트 HuC6280 - Archaic Pixels http://archaicpixels[...]

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