FC(红白机)模拟器开发关键点记录

Posted 2021-03-12 chunyueye

首先列上参考的资料来源

• http://wiki.nesdev.com/w/index.php/NES_reference_guide

算是最全的FC相关资料的网站，能在这里找到所有的FC硬件信息以及逻辑(个人认为查找信息可以，但是不适合用来上手，信息过于详细)

• https://github.com/dustpg/BlogFM/issues?page=2&q=is%3Aissue+is%3Aopen

我能找到的最全、最详细的中文模拟器开发日志，本文基于此，对其中没有详细说的细节或者需要注意的地方进行补充

 

• FC模拟器字节顺序

FC模拟器使用的CPU，8位2A03 NMOS处理器，是6502的改版，该CPU虽然是8位，但是地址空间是16位，所以有字节序概念，且字节序是小端模式。

该字节顺序主要影响rom文件的读取，以及CPU指令读取16bit地址。

• PC寄存器启动以及重置时的状态

从CPU地址的0xFFFC读取低字节，0xFFFD读取高字节，组成16bit地址，存入PC寄存器中。

其他的寄存器初始状态可以从wiki中找到。

• CPU指令执行需要的CPU周期数

在初期开发的时候，就要预留好统计各指令执行所需要的CPU周期数，用于各模块执行的同步。

• 图像渲染模块(PPU)上手

FC主要适应两种显示类型，PAL和NTSC，其中NTSC的显示频率约等于60帧，建议按照NTSC做。

FC的图像绘制单元是像素，绘制顺序是一行一行，一个坐标点一个坐标点的画。

PPU中有一个包含64个颜色的写死在硬件中的调色板，不同硬件类型的FC，颜色上的差异，主要就是由此产生的。

PPU的地址0x3F00-0x3F1F中存储的，就是上面提到的调色板的索引值。程序是可以修改这段地址中的值，从而改变屏幕上的颜色的。其中低16字节用于背景，高16字节用于精灵。

背景绘制大体流程：

• 当前屏幕xy坐标+屏幕滚动偏移坐标---->Nametable中对应位置的值（即Pattern table的索引）---->Pattern table中数据组合获取当前坐标的颜色信息低两位。
• 当前屏幕xy坐标+屏幕滚动偏移坐标---->上一步Nametable后紧随的Attribute table对应位置的值---->获取当前坐标的颜色信息高两位
• 上面两步组合成4bit数据---->PPU地址0x3F00-0x3F0F背景调色板---->PPU中固定的64个RGB颜色，绘制像素点

复杂点说，是根据当前像素的xy坐标加上屏幕滚动信息(最开始实现时可不考虑滚动)，从Nametable中获取8*8图块、即Pattern table的索引，然后根据Pattern table中的信息，计算出8*8图块中每个像素调色板索引的索引的低两位。另外再从紧随Nametable的Attribute table中，取得该8*8图块所有像素的调色板索引的索引高两位。将这些信息对应组合，获取8*8图块每个像素的4bit调色板索引的索引，从上面提到的低16字节获取调色板索引，再获取调色板实际的RGB信息，最终绘制在屏幕上。

精灵绘制大体流程：

• 从oam中取出4个字节，获取精灵左上角xy坐标
• Byte 1中获取Pattern table的索引---->Pattern table数据组合获取颜色信息低两位
• Byte 2中获取颜色信息高两位
• 上面两步组合成4bit数据---->PPU地址0x3F10-0x3F1F精灵调色板---->PPU中固定的64个RGB颜色，绘制像素点

复杂点说(以8*8精灵为例)，首先从oam中确认当前精灵的xy坐标，然后再根据PPUCTRL中bit3确认Pattern tables，oam的Byte 1确认Pattern tables的下标，获取精灵的全部8*8像素调色板索引的索引低两位，再通过oam的Byte 2低两位，获取像素调色板索引的索引高两位。这样就和背景一样，获取到4比特调色板索引的索引，再去上面提到的高16字节，获取调色板索引值，最终获取RGB信息。

绘制精灵时，如果调色板索引的索引低两位都是0，则表示该像素点透明。

在实现屏幕滚动(scrolling)时，最好按照wiki中描述的那样，实现PPU内部的寄存器，vtxw，这样方便做地址映射。

初期最好以行为单位绘制图像，每画完一行，就执行341.5个CPU时钟周期，这就是简单的时钟同步。最精准的时钟同步是，每画一个像素点，就执行3个CPU时钟周期。

画完240行之后，再执行341.5个CPU时钟周期，置vblank为1，再根据PPUCTRL中的bit7确认是否执行NMI中断，然后执行341.5*20个时钟周期，清除vblank标志，最后再执行一次341.5个(奇数帧340.5个)时钟周期。这样就完成一整帧的工作，即wiki中说的0-261行共262行扫描。

• APU声音模块

如果使用SDL作为底层实现，需要根据wiki上面写的方式，通过查表或者公式计算进行混音，得到的结果是浮点数，

APU中使用最多的一个基本模块，就是divider，他的最重要的特点，当触发他的时候，它先检查当前值是否为0，为0则发出信号，不为0则递减1。所以wiki中会说，设置divider的值为P，实际上它输出信号的周期为P+1。这个是永远都不会变的，在查看wiki的时候，如果他写的是设置周期为P+1，我们在实现的时候一定要记住，保存的变量为P。我个人就是被wiki中sweep的描述误导，方波声音总是不对，再加上查看了好几个模拟器的实现代码都是设置+1，可是时钟发信号的地方都是1变0就发出了。

三角波静音的时候，是持续输出最后一个值，而不是输出0，否则会听到很清晰的“BABA”爆破音。

最后是建议使用blip_buffer库作为混音库，该库是wiki上最初提供APU信息的人编写的，这是地址http://www.slack.net/~ant/