童年修復(fù)系列-SNES芯片組介紹及FPGA實(shí)現(xiàn)

超級(jí)任天堂1990年11月21日在日本開始發(fā)售，北美于1991年8月13日發(fā)售，歐洲于1992年4月11日發(fā)售。

超級(jí)任天堂，簡(jiǎn)稱超任，是任天堂公司開發(fā)的家用游戲機(jī)。英文名稱Super Famicom，簡(jiǎn)寫SFC；在歐美洲銷售的產(chǎn)品名為Super Nintendo Entertainment System，簡(jiǎn)寫SNES。超級(jí)任天堂是任天堂紅白機(jī)的后繼機(jī)種。由于芯片組的復(fù)雜，中國(guó)鮮有“復(fù)制品”出現(xiàn)。

所以今天就來聊一聊SNES的芯片組及其特殊性，同時(shí)帶來FPGA實(shí)現(xiàn)SNES的開源方案。

SNES和現(xiàn)今的PC芯片組很相似-CPU+顯卡+聲卡組成，同時(shí)SNES為了處理復(fù)雜的運(yùn)算增加了一顆DSP芯片，下面就按照組成一個(gè)一個(gè)介紹。

下圖是整機(jī)的框圖：

整機(jī)的總線互聯(lián)如下：

CPU總線使用的是從6502繼承過來的類ISA總線。

CPU

SNES 的 CPU （中央處理單元）是基于 65c816 的處理器-5A22《一塊帶給無數(shù)人年少歡樂的CPU，別說你沒用過它》。雖然它的時(shí)鐘速度大約為 21 MHz，但它的有效速度要低得多：3.58 MHz 用于快速訪問（即 2100-00-4000-00 到 $3F 中的硬件寄存器 ）。這種變速模式來源于6502有一個(gè)叫做“ZERO-PAGE”的尋址模式，但是進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展。

它是一個(gè)帶有 24 位總線的 16 位處理器（16 位數(shù)據(jù)指針和 8 位組指針）。支持16MB的尋址空間。它有一個(gè)計(jì)算器和兩個(gè)寄存器，可以在8位或16位模式之間切換。

然而，它具有許多尋址模式。它使用可變寬度指令。單個(gè)指令的寬度可以根據(jù)某些寄存器的長(zhǎng)度而變化。

PPU

SNES有兩個(gè)特制的圖像處理器，主要運(yùn)行于256×224的分辨率，最高支持512x448的分辨率，最大發(fā)色數(shù)32768色，最大同屏幕顯示256色，最大活動(dòng)塊數(shù)為128個(gè)，并支持縮放、回旋、馬賽克、半透明、窗口、光柵等特效。

聲優(yōu)芯片

輔助CPU采用一顆SPC700（索尼推出），是一個(gè)8位的CPU核心，很接近6502，但有一些不同的尋址模式和復(fù)數(shù)/分割指令，與一個(gè)定制的數(shù)字聲音信號(hào)處理器共同集成在一個(gè)模塊中。

SPC700和65c816通過一個(gè)4路雙向通道（8位I/O端口）通訊。SPC700有自己獨(dú)立的64K內(nèi)存，可以用來存儲(chǔ)聲音采樣或者從65c816下載的程序。CPU有一個(gè)內(nèi)建的64K ROM開機(jī)碼，用來通過65c816從游戲ROM里加載更多的復(fù)雜程序或者采樣數(shù)據(jù)。這個(gè)ROM可以被關(guān)閉，以存儲(chǔ)開機(jī)碼的64K RAM來代替它的工作。

聲音數(shù)字信號(hào)處理器（Sound DSP）只能播放壓縮的聲音采樣。這種使用一固定比率的壓縮算法，可以將16個(gè)16位聲音采樣壓縮成8字節(jié)加一字節(jié)標(biāo)題的形式。一個(gè)采樣的最小單位是一個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊的標(biāo)題字節(jié)包含一個(gè)移位和一個(gè)過濾值（算法解壓信息），再加上一個(gè)最后區(qū)塊標(biāo)記和一個(gè)循環(huán)標(biāo)記。循環(huán)標(biāo)記僅僅在最后區(qū)塊標(biāo)記存在時(shí)才使用。

在同一時(shí)間內(nèi)，最多允許有8個(gè)聲音通道同時(shí)播放聲音采樣，每個(gè)聲音通道都有單獨(dú)的左右聲道音量和頻率的調(diào)節(jié)。每個(gè)通道都可以定義一個(gè)硬件音量調(diào)節(jié)，并各自設(shè)置其回聲效果，不過復(fù)合的回聲效果必須受制于一個(gè)8路的FIR聲音分流器。

一個(gè)通道的聲音輸出可以用來調(diào)整在數(shù)字序列上的下一個(gè)聲音通道的頻率。DSP也有一個(gè)白噪音源，可以播放一個(gè)替代采樣數(shù)據(jù)的聲音通道。所有的8個(gè)音源連同回聲數(shù)據(jù)最后都混合到一個(gè)雙通道的主音量控制下。DSP有3個(gè)間隔定事器，頭兩個(gè)運(yùn)行在8KHz下，最后一個(gè)是64KHz。游戲通常只使用三個(gè)中的一個(gè)來輸出一個(gè)恒定的音樂回放頻率。

順便一提SNES的聲音處理芯片SPC700是PS之父久多良木負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的，所以說索尼大法好可不是白叫的。

聲優(yōu)芯片和整機(jī)總線如下圖所示：

擴(kuò)展芯片

數(shù)字信號(hào)處理器

SNES 的 S-DSP （數(shù)字信號(hào)處理器）用于向揚(yáng)聲器輸出數(shù)據(jù)。產(chǎn)生的聲音以 32 KHz 運(yùn)行。S-DSP 使用比特率降低將所需的大小減少到原始大小的 9/16。S-DSP 是「自帶鬼畜」，你輸入一個(gè)PCM格式的音源進(jìn)去，比如把FA樂器輸入進(jìn)去，然后往sound chip的寄存器里寫入你要的包絡(luò)，音調(diào)之類的，sound chip上的協(xié)處理器就會(huì)幫你處理輸出，其實(shí)就和做音樂用的合成器播放軟音源差不多。

DSP-1

DSP-1是一種主要用于數(shù)學(xué)和偽 3D 投影的芯片。這通常使用model 7。這是其中最常用的芯片。它也適用于 2D 旋轉(zhuǎn)等。

SA-1

SA-1是 CPU 的更快版本，但在訪問方面存在一些差異。它帶有“I-RAM”和“BW-RAM”。它通常以大約 11 MHz 的速度運(yùn)行，當(dāng)訪問與 CPU 相同的東西時(shí)，它的速度為 5 MHz。

GSU

GSU是著名的 SuperFX 芯片的技術(shù)名稱。GSU 可用于繪制顏色。它在很多方面都比 SNES 的 CPU 更強(qiáng)大。它是一個(gè)偽RISC。它可用于繪制許多事物，例如精靈和對(duì)象的旋轉(zhuǎn)或制作偽 3D 效果。

CX4是 Capcom 使用的芯片，它在三角和圖形方面非常強(qiáng)大。它可以繪制線條、波浪和 3D 線框，旋轉(zhuǎn)精靈并進(jìn)行三角計(jì)算等。應(yīng)用到的游戲包括：洛克人X2，洛克人X3 等卡普空街機(jī)移植作品。

SDD-1

數(shù)據(jù)解壓芯片，解壓使用 ASIC 無算壓縮算法壓制的數(shù)據(jù)，它活躍在 SFC 主 CPU 和 ROM之間，負(fù)責(zé)透明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解壓工作，針對(duì)一些資源太大的游戲，為了節(jié)省卡帶空間成本而引入了該芯片，使用游戲包括：星之海洋，街霸 Alpha 2 等。

SNES FPGA實(shí)現(xiàn)

硬件

還是GameGirl硬件

開源地址：

https://github.com/suisuisi/gamegirl/tree/master/Hardware

編輯：jq