CPU

Когда моя видеоплата заработала, я начал работать с CPU в качестве которого для моей приставки был выбран Zilog 80.

Одна из причин по который был выбран именно Z80, ну кроме того, что это классный ретро CPU, это его способность адресовать два 16 битных пространства, одно для памяти и второе для портов ввода-вывода, не менее легендарный 6502, например, так не может, он может только одно адресовать 16 битное пространство и в него приходится мапить как память так и различные внешние устройства, видео, аудио, джойстики, апаратный генератор случайных чисел и тд. Удобнее иметь два адресных пространства, одно полность отданное на 64 килобайта кода и данных в памяти и второе для доступа к внешним устройствам.

Сначала я подсоединил CPU к EEPROM в котором разместилась моя тестовая программка и ещё присоединил его через пространство ввода-вывода к микроконтроллеру который я установил чтобы можно было общаться с моим компом через RS232, и мониторить как работает CPU и всё остальное. Этот микроконтроллер Atmega324 работающий на 20 МГц я называю IO MCU — input/output microcontroller unit, он отвечает за контроль доступа к игровым контроллерам (джойстикам), SD карт ридеру, клавиатуре PS/2 и коммуникатору по RS232.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/568797ada0e1419c846446bd18a0cf80.jpg[/img]

CPU подключается к микросхеме памяти на 128 килобайт, из которых только 56 килобайт доступны, это конечно бред, но я мог достать только микросхемы по 128 или 32 килобайта. Получилось, что память состоит из 8 килобайт ПЗУ и 56 килобайт ОЗУ.

После этого я обновил прошивку IO MCU с помощью этой библиотеки и у меня появилась поддержка SD карт ридера.

Теперь CPU мог ходить по директориям, смотреть что в них лежит, открывать и читать файлы. Всё это делается посредством записи и чтения в определённые адреса пространства ввода-вывода.

Подключение CPU к PPU

Следущее, что я сделал это связь между CPU и PPU. Для этого я применил "простое решение" которое заключалось в приобретении двухпортового ОЗУ, это такая микросхема ОЗУ которую можно подключать сразу к двум разным шинам. Это позволяет избавиться он дополнительных микросхем вроде лайн-селекторов и, к тому-же, позволяет практически одновременный доступ к памяти с обоих чипов. Ещё PPU напрямую может обращаться к CPU на каждом кадре активируя свои немаскируемые прерывания. Получается, что CPU получает прерывание на каждом кадре, что полезно для разных задач по таймингу и для понимания когда пора заняться апдейтом графики.

Каждый кадр взаимодествия CPU, PPU и VPU происходит согласно следующей схеме:

PPU копирует информацию из памяти PPU в внутреннюю память.
PPU отправляет сигнал прерывания на CPU.
Одновременно:
CPU прыгает на функцию прерывания и начинает обновлять PPU память новым графическим состоянием. Программа должна вернуться из прерывания до следующего кадра.
PPU рендерит картинку на основании информации ранее скопированой в одну из VRAM.
VPU отправляет картинку из другой VRAM на ТВ выход.

Примерно тогда же я занялся поддержкой игровых контроллеров, сначала я хотел использовать контроллеры от Nintendo, но сокеты для них проприетарные и вообще их трудно найти, поэтому я остановился на 6-кнопочных контроллерах совместимых с Mega Drive/Genesis, у них стандартные сокеты DB-9 которые везде есть.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/8e25d59aae9563a99b64095d63dccee5.jpg[/img]

[b]Написание первой настоящей игры[/b]

В это время у меня уже был CPU способный контролировать PPU, работать с джойстиками, читать SD карточки… пора было писать первую игру, конечно на ассемблере Z80, у меня на это ушло несколько дней из свободного времени.

https://youtu.be/2Pcrg1fesBk

Добавляем динамическую графику

Всё было супер, у меня была своя игровая приставка, но мне этого было мало, потому-что приходилось в игре использовать графику прошитую в памяти PPU и нельзя было нарисовать тайлы для конкретной игры и изменить её можно было только перепрошив ПЗУ. Я стал думать как добавить ещё памяти, чтобы CPU в неё мог бы загружать символы для тайлов, а PPU потом мог оттуда это всё считывать и как это сделать попроще поскольку приставка и так уже получалась сложной и большой.

И я придумал следущее: только PPU будет иметь доступ к этой новой памяти, а CPU будет загружать туда данные через PPU и пока этот процесс загрузки происходит, эта память не может быть использована для отрисовки, но можно будет в это время рисовать из ПЗУ.

После конца загрузки CPU переключит внутреннюю ПЗУ память на эту новую память, которую я назвал Character RAM (CHR-RAM) и в этом режиме PPU начнет рисовать динамическую графику, это наверное не лучшее решение, но оно работает. В результате новая память была установлена 128 килобайт и может хранить 1024 символа 8х8 пикселей каждый для бэкаграунда и ещё столько-же символов для спрайтов.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/71d1f6a291e6820c1dd4f9af6eaf9736.jpg[/img]

И наконец звук

До звука руки дошли в последнюю очередь. Сперва я хотел звук наподобие того что есть в Uzebox, то есть чтобы микроконтроллер генерировал 4 канала ШИМ-звука.

Однако, оказалось, что я могу легко достать винтажные чипы и я заказал несколько микросхем FM синтеза YM3438, эти ребята полностью совместимы с YM2612 которые использовались в Mega Drive/Genesis. Установив их можно получить музыку качества Mega Drive и звуковые эффекты производимые микроконтроллером.

Я установил ещё один микроконтроллер и назвал его SPU (Sound Processor Unit), он управляет YM3438 и сам может генерировать звуки. CPU управляет им через двух-портовую память, в этот раз она всего 2 килобайта.

Как и в графическом блоке, звуковой блок имеет 128 килобайта памяти для хранения PCM сэмплов и звуковых патчей, CPU загружает данные в эту память обращаясь к SPU. Получилось, что CPU либо говорит SPU исполнять комманды из этой памяти или обновляет комманды для SPU каждый кадр.

CPU управляет четырьмя ШИМ каналами через четыре циркулярных буфера находящихся в памяти SPU. SPU проходит через эти буферы и исполняет комманды записаные в них. Ещё есть один такой-же буфер для микросхемы FM синтеза.

Итого, как и в графике взаимодействие между CPU и SPU идёт согласно схеме:

SPU копирует данные из памяти SPU во внутреннюю память.
SPU ждёт сигнала прерывания от PPU (это для синхронизации)
Одновременно
CPU обновляет буферы ШИМ каналов и буферы FM синтезатора.
SPU исполняет комманды в буферах согласно данным во внутренней памяти.
Одновременно со всем этим, SPU обновляет ШИМ звуки на частоте 16 килогерц.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/e4c98001e5696ca37c61ec9d83d0074e.jpg[/img]

Что вышло в итоге

После того как все блоки были готовы, некоторые пошли на макетные платы.
Для блока CPU я смог разработать и заказать кастомную PCB, не знаю стоит ли сделать это и для остальных модулей, думаю мне на самом деле повезло, что моя PCB сразу заработала.

На макетной плате сейчас (пока) остался только звук.
Вот как всё выглядит на сегодняшний день:

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/c0b2393ef9edc2f7a7ab108899728abf.jpg[/img]

Используем ассемблер

Один из способов программирования для приставки это ассемблер.

Вот пример как показать один спрайт и анимировать его чтобы он двигался и отталкивался от краёв экрана.

ORG 2100h

PPU_SPRITES: EQU $1004
SPRITE_CHR: EQU 72
SPRITE_COLORKEY: EQU $1F
SPRITE_INIT_POS_X: EQU 140
SPRITE_INIT_POS_Y: EQU 124

jp main

DS $2166-$
nmi: ; обработчик немаскируемого прерывания (NMI)
    ld bc, PPU_SPRITES + 3
    ld a, (sprite_dir)
    and a, 1
    jr z, subX
    in a, (c) ; увеличить X
    inc a
    out (c), a
    cp 248
    jr nz, updateY
    ld a, (sprite_dir)
    xor a, 1
    ld (sprite_dir), a
    jp updateY
subX:
    in a, (c) ; уменьшить X
    dec a
    out (c), a
    cp 32
    jr nz, updateY    
    ld a, (sprite_dir)
    xor a, 1
    ld (sprite_dir), a
updateY:
    inc bc
    ld a, (sprite_dir)
    and a, 2
    jr z, subY
    in a, (c) ; увеличить Y
    inc a
    out (c), a
    cp 216
    jr nz, moveEnd
    ld a, (sprite_dir)
    xor a, 2
    ld (sprite_dir), a
    jp moveEnd
subY:
    in a, (c) ; уменьшить Y
    dec a
    out (c), a
    cp 32
    jr nz, moveEnd
    ld a, (sprite_dir)
    xor a, 2
    ld (sprite_dir), a
moveEnd:
    ret

main:
    ld bc, PPU_SPRITES
    ld a, 1
    out (c), a  ; активировать спрайт 0
    inc bc
    ld a, SPRITE_CHR
    out (c), a  ; задать символ спрайту 0
    inc bc
    ld a, SPRITE_COLORKEY
    out (c), a  ; установить цветовой ключ спрайту 0
    inc bc
    ld a, SPRITE_INIT_POS_X
    out (c), a  ; установить координату Х спрайту 0
    inc bc
    ld a, SPRITE_INIT_POS_Y
    out (c), a  ; установить координату Y спрайту 0
mainLoop:    
    jp mainLoop

sprite_dir:     DB 0

Использование языка Си

Можно также использовать язык Си, для этого нам понадобится компилятор SDCC и некоторые дополнительные утилиты.

Код на Си может получится медленнее, но зато написать его быстрее и проще.

Вот пример кода, который делает то же самое, что и код на ассемблере выше, тут используется библиотека которая помогает делать вызовы к PPU:

#include <console.h>

#define SPRITE_CHR 72
#define SPRITE_COLORKEY 0x1F
#define SPRITE_INIT_POS_X 140
#define SPRITE_INIT_POS_Y 124

struct s_sprite sprite = { 1, SPRITE_CHR, SPRITE_COLORKEY, SPRITE_INIT_POS_X, SPRITE_INIT_POS_Y };
uint8_t sprite_dir = 0;

void nmi() {
    if (sprite_dir & 1)
    {
        sprite.x++;
        if (sprite.x == 248)
        {
            sprite_dir ^= 1;
        }
    }
    else
    {
        sprite.x--;
        if (sprite.x == 32)
        {
            sprite_dir ^= 1;
        }
    }

    if (sprite_dir & 2)
    {
        sprite.y++;
        if (sprite.y == 216)
        {
            sprite_dir ^= 2;
        }
    }
    else
    {
        sprite.y--;
        if (sprite.x == 32)
        {
            sprite_dir ^= 2;
        }
    }

    set_sprite(0, sprite);
}

void main() {
    while(1) {
    }
}

Динамическая графика

(В оригинале Custom graphics. прим. пер.)

В ПЗУ приставки зашиты 1 страница тайлов для бэка и ещё страница готовых спрайтов), по умолчанию можно использовать только эту фиксированую графику, однако можно переключиться на динамическую.

Цель у меня была такая, чтобы вся необходимая графика в бинарной форме сразу грузилась в оперативную память CHR, причём делать это умеет код в загрузчике из ПЗУ. Для этого я сделал несколько картинок правильного размера с разными полезными символами:

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/e2994b86fb214bcc011b97ddd86372ab.png[/img]

Поскольку память динамической графики состоит из 4-х страниц по 256 символов 8х8 пикселей каждый и 4-х страниц таких же символов для спрайтов, я перевёл картинки в PNG формат, удалил повторяющиеся одинаковые:

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/dba9f3153e250a138dae2ea9b14bec6a.png[/img]

И потом использовал самописную тулзу чтобы перевести это всё в бинарный формат RGB332 с блоками 8х8.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/c2d6a6ee5fdd343982443be4a11c0e41.png[/img]

В результате имеем файлы с символами, где все символы идут последовательно один за другим и каждый занимает по 64 байта.

Звук

Волновые RAW сэмплы переведены в 8-битный 8-килогерцовые PCM сэмплы.

Патчи для звуковых эффектов на ШИМ и музыки пишутся особыми инструкциями.

Что касается микросхемы FM синтеза Yamaha YM3438, то я нашел программку называемую DefleMask которая выдаёт музыку синхронизируемую по PAL и предназначеную для YM2612 микросхемы из Genesis, которая совместима с YM3438.

DefleMask экспортирует музыку в формате VGM и я её конвертирую ещё одной самописной утилитой в свой собственный двоичный формат.

Все бинарники всех трёх типов звука комбинируются в один двоичный файл, который мой загрузчик умеет читать и загружать в звуковую память SDN RAM.

[img]https://zxdemos.ru/oldforum/uploads/images/2/b7259835cd1e71152845d88a971bcd3c.png[/img]