Sega Genesis, fungovanie, emulácia na Linxovom TV LG a na PC

24.12.2012 17:45 | Přečteno: 1833× | Hardware | | poslední úprava: 25.12.2012 09:16

V dnešnom blogu sa pozrieme na to ako funguje Sega Genesis. Ďalej sa pozrieme na jeden starší emulátor - generator a jeho portovanie na TV. Zároveň som vytvoril Qt 4 verziu rozhrania. Port pre TV nie je ktovie ako použiteľný, výkon vstavaného MIPS-u je dosť slabý - video emulátora bežiaceho priamo na TV.

Ako funguje Sega Genesis

V tejto časti si predstavíme jednotlivé časti Segy Genesis a spôsob ich spolupráce. Vopred upozorňujem, že ide o veľmi zjednodušený opis, podrobnosti by boli možno aj na samostatný článok / sériu článkov (mám momentálne v pláne linuxové články, toto je tak trochu mimo, takže možno až bude záujem …).

Bloková schéma Segy Genesis

Procesor

Hlavným procesorom je v prípade Segy Genesis 16/32-bitový procesor Motorola 68000. Jeho taktovacia frekvencia je 7.67MHz. Po zapnutí hracej konzoly má na starosti inicializáciu hardvéru vrátane druhého procesora. Adresná zbernica má šírku 32 bitov, ale externá adresná zbernica má šírku len 24 bitov (zvyšných 8 pinov nie je vyvedených). ALU má 16 bitov. Operácie pracujúce s 32-bitovými operandmi preto trvajú viacej taktov.

Sekundárnym procesorom je Zilog Z80 taktovaný na 3.58MHz. Tento procesor má 8-bitovú ALU. Sekundárny procesor teoreticky slúži len na generovanie zvukových dát pre čip YM2612.

Grafika - Video display processor (VDP)

Tento čip sa stará o generovanie obrazu. Má pridelenú vlastnú videopamäť o veľkosti 64kB. Vo videopamäti sú uložené dlaždice o veľkosti 8x8 px, z ktorých sa skladá samotný obraz. Rozlíšenie je 40x28 dlaždíc, alebo 32x28 dlaždíc (320x224 pixelov, alebo 256x224 pixelov). Maximálne je možné zobrazovať 64 farieb z palety 256 farieb. Pamäť je možné napĺňať buď pomocou príkazov, alebo pomocou DMA. Tento čip je veľmi komplexný a jeho podrobnejší opis by bol minimálne na samostatný blog, takže si vystačíme len s takýmto jednoduchým popisom .

Zvuk

Táto hracia konzola obsahuje 2 zvukové čipy. Hlavným zvukovým čipom je Yamaha 2612. Ovláda ho sekundárny procesor Z80. Obsahuje 6-kanálový FM modulátor, ktorý dokáže generovať 8-bitové vzorky.

Druhý zvukový čip je PSG (priamo integrovaný vo VDP). Jeho výstup je mixovaný spolu s Yamahou. Používa sa kvôli kompatibilite so staršími hracími konzolami. Obsahuje 3 generátory tónov a jeden generátor šumu.

Riadenie zbernice

Blok nazvaný bus arbiter má na starosti riadenie prístupu k zbernici. Počas DMA operácií a niekotrých I/O operácií odpája procesor od zbernice. Zároveň sa stará o mapovanie I/O do adresného priestoru. Vďaka tomu majú oba procesory navzájom prístupné svoje pamäte (sekundárny procesor musí používať prepínanie pamäťových bánk).

Pamäť

Pamäťový priestor procesora 68000 vyzerá nasledovne:

Oblasť	Účel	Popis
000000-3FFFFF	ROM	Mapovaná pamäť cartridgu.
400000-7FFFFF	Rezervovaná	Čítanie vráti najvyšší bit nasledujúcej inštrukcie.
800000-9FFFFF	Rezervovaná	Používa sa pre 32x adaptér
A00000-A0FFFF	Z80	Adresný priestor Z80. Nie je možné pristupovať k adresám 68k, ktoré má Z80 mapované.
A10000-A1001F	I/O	Riadenie I/O čipu.
A10020-BFFFFF	Rozširujúce sloty	Funkcia závisí od aktuálne pripojeného hardvéru.
C00000-DFFFFF	VDP	Mapovaný adresný priestor VDP.
E00000-FFFFFF	RAM	Operačná pamäť mirrorovaná po 64k blokoch. Hry väčšinou používajú FF0000-FFFFFF.

Pamäťový priestor procesora Z80 vyzerá nasledovne:

Oblasť	Účel	Popis
0000-3FFF	RAM	Mirrorovaná 8kB RAM.
4000-5FFF	YM2612	Adresy 4000-4003 pre riadenie YM2612 mirrorované cez celý adresný priestor.
6000-60FF	Adresa banky	Zápisom sa vyberie príslušná banka z adresného priestoru 68k.
6100-7EFF	Rezervované	Pri čítaní vráti FF.
7F00-7FFF	VDP	Riadenie VDP.
8000-FFFF	Banka	Banka mapovaná z adresného priestoru 68k.

Emulátor Segy Genesis - generator

Pre úpravu som si vybral veľmi jednoduchý emulátor Segy Genesis - generator a mierne modifikovanú verziu.

Pre implementáciu používateľského rozhrania stačí implementovať nasledujúce funcie:

void ui_err(const char *text, ...)

Logovanie chýb

void ui_line(int line)

Vykreslenie obrazového riadku.

void ui_endfield()

Ukončenie rámca a vykreslenie na obrazovku.

int ui_init(int argc, char *argv[])

Inicializácia užívateľského rozhrania a spracovanie argumentov.

int ui_loop(void)

Beh emulátora v nekonečnej slučke, ktorú môže ukončiť užívateľ.

void ui_final(void)

Ukončenie užívateľského rozhrania.

void ui_musiclog(uint8 *data, unsigned int length)

Záznam zvuku do súboru.

Implementácia emulátora pre televízory LG

Na začiatku pridáme povinné includy:

#include "generator.h"

#include ≶fcntl.h>
#include ≶stdint.h>
#include ≶sys/mman.h>

#include "ui.h"
#include "uiplot.h"
#include "vdp.h"
#include "gensound.h"
#include "cpu68k.h"
#include "mem68k.h"
#include "cpuz80.h"
#include "event.h"
#include "state.h"
#include "initcart.h"
#include "patch.h"
#include "dib.h"
#include "avi.h"

Čip VDP vykresľuje dlaždice o veľkosti 8x8px na ľubovoľnej pozícii. Emulátor je implementovaný tak, že ráta s framebufferom zväčšeným o 8px na každej strane, čím sa zbavíme prebytočných podmienok na kontrolu presahu dlaždíc mimo vykresľovanú oblasť. To je dôvod prečo má framebuffer o 16 pixelov väčšiu výšku aj šírku.

#define HBORDER 8
#define VBORDER 8

#define HSIZE (320 + 2 * HBORDER)
#define VSIZE ((vdp_vislines ? vdp_vislines : 224) + 2 * VBORDER)

Ďalej implementujeme logovanie chýb:

void ui_err(const char *text, ...)
{
    va_list ap;
    vfprintf(stderr, text, ap);
    putc(10, stderr);
    exit(0);
}

Záznam zvuku (nebudeme potrebovať zaznamenávať zvuk vôbec).

void ui_musiclog(uint8 *data, unsigned int length)
{
}

Pri inicializácii namapujeme framebuffer televízora a nastavíme cestu k cartridgu.

#define FB_ADDR 0x0AC0A000UL
#define FB_SIZE 0x201000UL

int fd; // /dev/mem
static uint16_t *vfb; // Framebuffer
const char *initload = 0; // Cartridge, ktorá sa má pri štarte načítať


int ui_init(int argc, const char *argv[])
{
    fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
    vfb = mmap(0, FB_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, FB_ADDR);
    initload = argv[1];
    return 0;
}

Pri ukončení stačí dealokovať framebuffer.

void ui_final(void)
{
    munmap(vfb, FB_SIZE);
    close(fd);
}

Hlavná slučka načíta cartridge, nastaví formát pre vykresľovanie obrazu a bude v nekonečnej slučke renderovať frame. Posun farebných zložiek pre RGB je 10, 5 a 0 pretože formát framebufferu u LG je ARRRRRGGGGGBBBBB.

int ui_loop(void)
{
    uiplot_setshifts(10, 5, 0);
    char *error = gen_loadimage(initload);
    if (error) {
        return 1;
    }
    while (1) {
        event_doframe();
    }
    return 0;
}

Zostalo už len vykresľovanie riadkov. To je pomerne pomalá operácia, ktorá sa dá urýchliť vykreslením celého rámca v čase keď sa má vykresliť posledný riadok. Takéto zjednodušenie môže robiť problém v niektorých hrách. Väčšinou to však bude fungovať v poriadku.

void ui_line(int line)
{
    static uint8 gfx[(320 + 16) * (240 + 16)];

    // Vynechanie všetkých riadkov okrem posledného
    if (line != (int)(vdp_vislines >> 1)) {
        return;
    }

    unsigned int width = (vdp_reg[12] & 1) ? 320 : 256;
    unsigned int offset = HBORDER + ((vdp_reg[12] & 1) ? 0 : 32);

    // Aktualizácia palety
    uiplot_checkpalcache(0);

    // Vyrenderovanie rámca do bufferu
    vdp_renderframe(gfx + (8 * (320 + 16)) + 8, 320 + 16);
    // Začiatok dát vo framebufferi
    uint16_t *location = vfb + (1368 * 264) + 524;
    // Konverzia 8-bitových hodnôt v gfx do 16-bitových hodnôt vo framebufferi
    uint8 *indata;
    uint16_t *outdata;
    unsigned int ui;
    int l;
    for (l = 0; l ≶ vdp_vislines; ++l) {
        indata = gfx + 8 + (l + 8) * (320 + 16);
        outdata = location + offset;

        for (ui = 0; ui ≶ width; ++ui) {
            outdata[ui] = uiplot_palcache[indata[ui]] | 0x0001;
        }

        location += 1368;
    }
}

Vypnutie podpory zvuku

Generovanie zvuku je pomerne náročnou a na platforme bez zvukového zariadenia aj zbytočnou záťažou. Podporu zvuku je možné úplne odstrániť zakomentovaním nasledujúcich riadkov v main/event.c.

cpuz80_sync();
sound_line();
...
if (vdp_line == vdp_visendline)
    cpuz80_interrupt();
...
cpuz80_endfield();

Problém môže nastať ak sa procesor Z80 nepoužíva len na generovanie zvuku.

Vstupy (gamepad)

Gamepad sa ovláda priamym zápisom do pamäte procesora 68k. Nastaviť sa dajú nasledujúcim kódom:

int aPressed = 1;
int p = 0; // ID gamepadu
...

mem68k_cont[p].a = aPressed;
mem68k_cont[p].b = bPressed;
mem68k_cont[p].c = cPressed;
mem68k_cont[p].left = leftPressed;
mem68k_cont[p].right = rightPressed;
mem68k_cont[p].up = upPressed;
mem68k_cont[p].down = downPressed;
mem68k_cont[p].start = startPressed;

Odkazy

• Zdrojové kódy mojej upravenej verzie emulátora
• Video Qt verzie emulátora
• Sonic bežiaci priamo na TV
• Štartovacia sekvencia emulátora na TV
• Domovská stránka upraveného emulátora
• Domovská stránka emulátora

Qt verzia sa dá skompilovať príkazmi:

git clone git://github.com/mireq/sega-generator.git
cd sega-generator/
cmake -DUSE_QT_GUI=On -DUSE_SDL_AUDIO=On -DCMAKE_C_FLAGS="-O3" DCMAKE_CXX_FLAGS="-O3" .
make

PS: Šťastné a veselé Vianoce a neseďte len pri PC ako ja

       

Obrázky

Komentáře

[Bedňa]

Pekné, funguje to celkom OK, na nejaké nenáročnejšie hry by to aj stačilo. Super Sonic patril práve medzi tie náročnejšie. Pekná práca, kua chlape si fakt dobrý. Nespite a šup sem tučňáka :)

TO:Doli, už by si fakt mohol upraviť výstup aby to tučňákové blogy hádzalo pod články.

[Bedňa]

Ešte jedna vec mi uderila na záver do očí, ako vlastne ovládač hru? To nebude diaľkové ovládanie.

[mirec]

U TV som ovládanie neriešil, takže je to len demo. V prípade, že by sa mi podarilo dosiahnúť plnú rýchlosť emulácie bol plán zneužiť implementáciu NEC IR protokolu, ktorú som písal pre AVR a urobiť si vlastný IR gamepad.

[kotyz]

Já mam taky emulátor segy genesis (u nás se jmenovala megadrive) na MIPSU, používam PGen na PS2 a výkon výbornej, jen ty hry nemaj tak boží grafiku a zvuk jak si pamatuju z roku 93 kdy sme to hráli s kámošem na jeho originálnim megadrivu (ale to je tim že sem si to pamatoval lepší než to ve skutečnosti bylo, vzpomínkovej optimismus se tomu řiká)...

[mirec]

Aká frekvencia MIPS-u je potrebná na to, aby to bežalo natívnou rýchlosťou? Tu mi to na Core 2 Duo žerie okolo 8% pri ondemand powersaving režime, alebo 5% pri performance (1.5GHz), ale na MIPS-e v TV ten istý kód beží .. no zhruba 10x pomalšie aj keď úplne vypnem zobrazovanie. Optimalizácie pre x86_64 nie sú takmer žiadne okrem uloženia program countera a status registra do skutočných registrov reálneho CPU (ale to isté som robil aj pre MIPS). Akosi nemám chuť kompilovať valgrind pre TV, takže len zisťujem, či by to vôbec bolo možné zrýchliť tak, aby som vytiahol 60fps ;)

[kotyz]

PS2 má asi 290MHz (upravenej MIPS R5900 nebo nějakej podobnej, to sou ještě ty desktopový procesory používaný v pracovních stanicích od SGI), ale má k tomu taky dvě vektorový jednotky, grafickej a zvukovej čip a druhej MIPS pro zpětnou kompatibilitu s PSX a řízení periferií. Je to docela složitý. A je na něj plno emulátorů, ten PGen je asi v nejlepšim stavu, co sem zkoušel ty na NES a SNES tak ty tak hezky nešlapaly. Na Amigu už to ale nemá dostatečnej výkon, sice emulátor existuje (port UAE nebo E-UAE), ale to byl jen takovej pokus jestli to tam vůbec poběží a pak se už dál nevyvíjel protože to bylo pomalý.

[kotyz]

Jestli tě zajímá HW a vývoj na PS2, tak pro začátek něco malýho ke čtení

[mirec]

Diky, hardware hracích konzol bol vždy taký ... podivno zaujímavý

[kotyz]

Mě by se strasně líbilo kdyby někdo na PS2 napsal přehrávač tracker (stačilo by jen těch základních MOD/XM/IT/S3M) modulů (existujou knihovny a přehrávací rutiny, ale nic jako přehrávač ne) + něco na internetový rádia (argon/xmb je umí, ale ta podpora je hódně omezená a přehrávání neni extra kvalitní).

[Ovocníček]

Malá chybka: "Zilong Z80"

[mirec]

Opravené, dík.

[Heleon]

The functioning mechanism is awesome. But these days, Its very easy to watch live TV on PC using free apps like FreeFlix TV. Download FreeFlix TV for Windows and enjoy all HD live TV channels right from PC.

[Peter]

There are alot of apps for watching. Cyberflix TV for firestick could be the best of them. It is intutive and user friendly.