Видеопроцессор Денди (PPU).Видеопроцессор (PPU) ориентирован на генерацию картинки на выходе в одном из стандартов: для американской NES и японской Famicom – это NTSC; для российских Денди (и китайщины, продаваемой у нас) – это, как правило, PAL (в редких случаях SECAM – что не меняет формата размера картинки в сравнении с PAL). Далее рассматриваем именно вариант PAL. PPU формирует «готовый» низкочастотный видеосигнал, который непосредственно (или, в зависимости от модели приставки, через каскад(ы) усилителя) подается на видеовыход Денди и на вход модулятора полного («антенного») сигнала. Характеристики и возможности PPU:
Для программиста (и CPU) – видеопроцессор это 8 регистров, адресуемые CPU по адресам $2000-$2007 (в архитектуре Денди) – они обеспечивают возможность полного управления видеопроцессором. Помимо этого, запись в память спрайтов PPU может осуществлять так же и контроллер DMA (понятно, что без непосредственного участия процессора). Иных способов общения с PPU нет! Адресное пространство PPU распределяется следующим образом:
Регистры видеопроцессора выполняют следующие функции:
Таблицы 2 и 3. Теперь подробнее: CHR-ROM (Она же VROM) [8k] – Вспомним нашу модель картриджа (из предыдущей главы), в которой второе ПЗУ размером 8k подключалось к шинам PPU. Функционально оно называется CHR-ROM. В нем хранятся два знакогенератора (по 4k каждый). Знакогенератор содержит «иконки» (они же «тайлы», «спрайты», «значки»), размер каждой иконки 8x8 пикселей. На каждый пиксель выделяется 2 бита. В каждом знакогенераторе 256 таких иконок. Все что «умеет» видеопроцессор – это отображать содержимое знакогенераторов (и ничего более!) VRAM [2k] – Ровно столько в Денди оперативной видеопамяти. Далее под словом «видеопамять» - понимаем именно VRAM (не путать с адресным пространством PPU, которое включает, в том числе, и VRAM). В видеопамяти хранятся экранные страницы или иными словами – фоновая картинка (точнее: информация о том из каких иконок она состоит – область символов; два старших бита цвета иконки – область атрибутов). Каждая экранная страница занимает ровно 1k видеопамяти (960 байт – информация о номерах иконок из знакогенератора + 64 байта – информация о цвете групп иконок). В видеопамяти приставки (2k) умещается только две экранных страницы – в то время как архитектурно (для PPU) предусмотрено четыре экранных страницы. Подробнее об экранных страницах см. ниже в подразделе «Отражение экранных страниц». Палитры фона и спрайтов [16 + 16 байт] – PPU может отображать 64 цвета (каждому номеру строго определенный цвет - см. рисунок 2). Соответствие цветов формату RGB см. приложение 2.
Рисунок 2. PPU содержит в себе регистры палитр (адресуются через адресное пространство PPU). Предусмотрено две палитры – палитра фона ($3F00-$3F0F) и палитра спрайтов ($3F10-$3F1F). При помощи палитры происходит выбор любых 16-ти цветов из 64-х возможных для текущего отображения на экране (в ячейку палитры заносится номер цвета (00h-3Fh) - см. рисунок 2). Слои. Общий принцип формирования изображения.PPU, работающий в системе PAL, формирует картинку с разрешением 256x240. PPU формирует изображение из четырех слоев путем их последовательного наложения (каждый следующий слой «заслоняет» предыдущий, если не является прозрачным в данной точке): Задний план – холст, окрашенный цветом из палитры фона с индексом 0 (цвет любой - см. рисунок 2). Слой спрайтов с битом приоритета = 0 (подробнее см. в разделе «Спрайты. Контроллер DMA.») Фоновый рисунок – картинка, составленная из иконок знакогенератора (как из мозаики 32x30). Фоновый рисунок хранится в экранной странице (VRAM). В области символов - 960 байт (32x30) должны быть записаны номера иконок знакогенератора фона (см. регистр $2000 - бит 4). На экране отображается содержимое активной экранной страницы (см. регистр $2000 - бит 1,0). Экранная страница содержит только информацию о фоновом рисунке. Знакогенератор содержит иконки с двумя младшими битами цвета для каждого пикселя иконки. Два старших бита цвета – общие для всей иконки, берутся из области атрибутов экранной страницы. Полученное четырехбитное число определяет номер цвета в палитре фона. Таким образом, каждая иконка (без смены палитры) может иметь до четырех вариантов раскраски. Т.е. при помощи двух бит из области атрибутов экранной страницы – палитра фактически разбивается на 4 части (по 4 цвета в каждой), номер части определяется битами области атрибутов, номер цвета (внутри части) – битами пикселя в знакогенераторе. Слой спрайтов с битом приоритета = 1 (подробнее см. в разделе «Спрайты. Контроллер DMA.») Далее рассмотрим двоичные форматы перечисленных структур. Знакогенератор.В знакогенераторе отводится по 16 байт на каждую иконку (16x256=4096). Первые 8 байт определяют построчно младший бит цвета иконки. Следующие 8 бит – старший (см. рисунок). Пиксель иконки, со значением обеих бит равными нулю – считается прозрачным (вне зависимости от старших бит из области атрибутов).
Область символов экранной страницы.Последовательно хранятся номера иконок из знакогенератора фона (величина смещения иконки от начала знакогенератора деленная на 16). Экран заполняется иконками построчно (32x30=960 иконок на экране). Область атрибутов экранной страницы.Для каждой иконки в фоновой картинке, два старшие бита цвета, выбираемого из палитры фона, определяются соответствующими битами байта атрибута области атрибутов. Причем старшие биты цвета одинаковы для группы иконок.
Табличка выше иллюстрирует фрагмент VRAM, адреса из области символов Экранной страницы 1 («левый верхний угол экрана») – изображены ячейки с адресами начала первых четырех строк экрана. Цветом показаны группы иконок, имеющие одинаковый атрибут (два старших бита индекса цвета в палитре фона). Байт области атрибутов (для указанного выше фрагмента: «левый верхний угол» - по адресу $23C0) содержит атрибуты четырех смежных групп:
Цветом указано соответствие битов байта атрибутов группам иконок экранной страницы. Весь экран построчно разбивается на группы (8 строк и 8 столбцов) – последняя строка неполная. Соответственно за каждую группу отвечает один байт атрибутов. Палитры.На самом деле не из 16-ти цветов палитры происходит выбор цвета. Происходит это потому, что и здесь имеет место явление «отражения» (mirroring) – на этот раз применительно к цветам палитры. Происходит это так. Как отмечалось выше, пиксель иконки знакогенератора, оба бита которого нулевые, вне зависимости от атрибута, считается прозрачным. Из этого следует, что в палитре фона есть 3 ячейки, содержимое которых нас не интересует (цвет то и так прозрачный по условию). Это ячейки с адресами $3F04, $3F08 и $3F0C. В ячейке $3F00 (как упоминалось выше) хранится номер цвета холста, и именно он виден сквозь «прозрачные» пиксели. Так вот – архитектура PPU Денди предусматривает отражение «лишних» ячеек палитры ($3F04, $3F08 и $3F0C) в ячейку цвета холста ($3F00). С палитрой спрайтов таже история – у спрайтов (подробнее о спрайтах в следующем разделе) нет «своего» холста, и поэтому ячейки палитры спрайтов, на которые приходятся прозрачные цвета ($3F10, $3F14, $3F18 и $3F1C), также отражаются на ячейку $3F00. Спрайты. Контроллер DMA.Со спрайтами все очень просто. В качестве спрайтов выступают все теже иконки знакогенератора (определенного, «как знакогенератор спрайтов» - см. регистр $2000 - бит 3). Внутри PPU есть отдельно адресуемая (от основного адресного пространства PPU – 16k) память спрайтов, размером 256 байт. Эта память хранит «записи» о 64 спрайтах, размер каждой записи 4 байта. Располагаются записи последовательно от младших адресов. Формат записи следующий:
Таблица 4. Спрайты нумеруются начиная с нуля. После вывода нулевого спрайта (а он может быть в любом месте экрана) устанавливается бит 6 регистра $2002 PPU. Запись/чтение в/из память/и спрайтов производится при помощи регистров $2003 (адрес) и $2004 (данные). При каждой операции адрес автоинкрементируется на 1. Существует более быстрый способ записи в память спрайтов – запись через контроллер DMA. Контроллер DMA занимает в адресном пространстве CPU один адрес - $4014. При записи в этот порт числа $XX, контроллер DMA отправляет в память спрайтов содержимое 256-ти ячеек памяти, начиная с адреса = $XX x $100. (Например: при записи в регистр контроллера DMA $02 – в память спрайтов отправится содержимое ячеек $0200-$02FF). В программах рекомендуется использовать именно этот способ записи – как наиболее быстрый (около 100мкс.) Отражение экранных страниц.Как уже упоминалось выше – в Денди установлено 2k VRAM (сразу еще раз ругнемся на разработчиков – пожалели еще одну микросхему ОЗУ). Да именно пожалели, если посмотреть на карту адресного пространства PPU (см. выше) – то можно видеть, что реально видеопроцессор может работать с четырьмя страницами VRAM. Оно так и бывает, если на картридже установлены недостающие 2k VRAM – уймись программист или раскошелься пользователь, если разработчик решил сэкономить! Но вернемся к архитектуре – какие возможности добавляют нам лишние 2k VRAM? Рассмотрим все по порядку … PPU Денди обеспечивает такой эффект, как «скроллинг» (прокрутка) фонового рисунка (независимо от спрайтов) – причем, абсолютно аппаратно. Скроллинг может быть как горизонтальным, так и вертикальным или и тем и тем сразу (по диагонали) – таким образом на в видимую область попадает содержимое нескольких экранных страниц. Экранные страницы имеют следующую пространственную модель (нумерация с привязкой к адресам в адресном пространстве PPU):
В регистр $2005 последовательно записываются два значения - абсолютное вертикальное и горизонтальное смещение (соответственно) относительно текущей активной страницы. Например, активная страница 1 ($2000) – горизонтальное смещение ноль, а вертикальное $E0 (240) – как результат, на экране видно содержимое страницы 3. Варьируя значение вертикального смещения, можно получить фон, состоящий из части страниц 1 и 3 (их стыковку). Если «закрутить» эту операцию в цикл – то можно получить эффект «скроллинга» фоновой картинки. Аналогично происходит горизонтальный скроллинг (прокрутка). Программы, не использующие функцию скроллинга, должны записывать в регистр $2005 два нуля при каждой обработке прерывания VBlank, иначе изображение будет смещенным! Но есть один нюанс – в Денди нет памяти подо все четыре страницы. Как и в прочих случаях, тут тоже имеет место «отражение» - и на этот раз экранных страниц (друг на друга). Вид отражения определяет архитектура используемого картриджа. Существует 2 вида отражения – горизонтальное (1=2 и 3=4) и вертикальное (1=3 и 2=4). То есть содержимое указанных страниц идентично (т.е. зеркалируется).
Горизонтальное отражение экранных страниц
Вертикальное отражение экранных страниц Если в картридже установлены недостающие 2k VRAM – то содержимое всех четырех страниц может быть различным.
Вне зависимости от способа отражения (или при наличии всех четырех страниц) – скроллинг возможен в любом направлении (в том числе и по диагонали). Аппаратная реализация выбора способа отражения экранных страниц следующая. Старшая линия физической микросхемы VRAM в приставке (A10) выведена исключительно на разъем картриджа VRAM A10 (см. приложение 4 и Приложение 5), таким образом, управлять данной линией может либо маппер (например, MMC3) – либо данная линия жестко «закольцована» в картридже на одну из адресных линий PPU (А10 или А11), тем самым и определяя вид зеркалирования экранных страниц. Лучше понять суть описанного поможет следующая (уже знакомая) иллюстрация.
Горизонтальное отражение – источником сигнала VRAM A10 является линия A11 (состояние линии А10 не определяет адрес в микросхеме VRAM); Вертикальное отражение - источником сигнала VRAM A10 является линия A10 (состояние линии А11 не определяет адрес в микросхеме VRAM); (В раскраске бит соответствующих адресных линий видна аналогия с иллюстрациями видов отражений выше.) |
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6