童年修復系列-SNES芯片組介紹及FPGA實現(xiàn)

超級任天堂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。

超級任天堂，簡稱超任，是任天堂公司開發(fā)的家用游戲機。英文名稱Super Famicom，簡寫SFC；在歐美洲銷售的產(chǎn)品名為Super Nintendo Entertainment System，簡寫SNES。超級任天堂是任天堂紅白機的后繼機種。由于芯片組的復雜，中國鮮有“復制品”出現(xiàn)。

所以今天就來聊一聊SNES的芯片組及其特殊性，同時帶來FPGA實現(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SNES為了處理復雜的運算增加了一顆DSP芯片，下面就按照組成一個一個介紹。

下圖是整機的框圖：

整機的總線互聯(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有一個叫做“ZERO-PAGE”的尋址模式，但是進行了進一步擴展。

它是一個帶有 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。它有一個計算器和兩個寄存器，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。單個指令的寬度可以根據(jù)某些寄存器的長度而變化。

PPU

SNES有兩個特制的圖像處理器，主要運行于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，最大活動塊數(shù)為128個，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8位的CPU核心，很接近6502，但有一些不同的尋址模式和復數(shù)/分割指令，與一個定制的數(shù)字聲音信號處理器共同集成在一個模塊中。

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

聲音數(shù)字信號處理器（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16位聲音采樣壓縮成8字節(jié)加一字節(jié)標題的形式。一個采樣的最小單位是一個區(qū)塊，區(qū)塊的標題字節(jié)包含一個移位和一個過濾值（算法解壓信息），再加上一個最后區(qū)塊標記和一個循環(huán)標記。循環(huán)標記僅僅在最后區(qū)塊標記存在時才使用。

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

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

順便一提SNES的聲音處理芯片SPC700是PS之父久多良木負責設(shè)計的，所以說索尼大法好可不是白叫的。

聲優(yōu)芯片和整機總線如下圖所示：

擴展芯片

數(shù)字信號處理器

SNES 的 S-DSP （數(shù)字信號處理器）用于向揚聲器輸出數(shù)據(jù)。產(chǎn)生的聲音以 32 KHz 運行。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PCM格式的音源進去，比如把FA樂器輸入進去，然后往sound chip的寄存器里寫入你要的包絡，音調(diào)之類的，sound chip上的協(xié)處理器就會幫你處理輸出，其實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 的速度運行，當訪問與 CPU 相同的東西時，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 更強大。它是一個偽RISC。它可用于繪制許多事物，例如精靈和對象的旋轉(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大。它可以繪制線條、波浪和 3D 線框，旋轉(zhuǎn)精靈并進行三角計算等。應用到的游戲包括：洛克人X2，洛克人X3 等卡普空街機移植作品。

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，負責透明實時數(shù)據(jù)解壓工作，針對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實現(xiàn)

硬件

還是GameGirl硬件

開源地址：

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

編輯：jq