Re: 從零開始的紅白機模擬 - [33] MMC5 低語

任地獄MMC5

本文github備份地址

本文編寫以及具體實現中, wiki的MMC5頁面居然進行了修改(主要是針對BANK切換的說明進行了修正).

MMC5的Mapper編號就是005, 還是有不少的遊戲(NesCartDb記錄24款, 有美版日版之分). 不過用到MMC5擴展音源的只有:

光榮聖戰(Just Breed)
金屬之光(Metal Slader Glory)
新四人麻將: 役滿天下(Shin 4 Nin Uchi Mahjong: Yakuman Tengoku)
宇宙警備隊 SDF(Uchuu Keibitai SDF)

其中值得一提的是, 金屬之光被稱為畫面最好的FC遊戲, 畢竟是可視小說(VN)類型. 其ROM大小是1MB, 在那時肯定是巨無霸水平的.

不過雖然只有少數用了擴展音源, 不過不像VRC7, MMC5沒用上的遊戲卡帶還是擁有相應的硬體(至少FC版).

PRG-RAM

MMC5支持切換RAM-BANK, 這對於目前架構來說又是致命的, 只能再想想. 但是這不是最致命的, 最致命的是信息缺失.

例如《大航海時代》, 資料庫中表明其擁有一個電池供電支持的16kb WRAM(SRAM). 一般地, 原始iNES文件頭有:

8: Size of PRG RAM in 8 KB units (Value 0 infers 8 KB for compatibility; see PRG RAM circuit)

亦或者NES 2.0的文件頭:

Byte 10 (RAM size)

但是自己手上的大航海時代ROM這兩個位元組均是0. 也就是說ROM信息不夠完整, wiki給出的解決方案是: 假定為64kb大小.

強大的MMC5

MMC5性能非常地強大:

4種RPG-ROM切換模式
4種CHR-ROM切換模式
最高支持到128kb的WRAM, 除了WRAM的$6000-$7FFF, 甚至還能映射到$8000-$DFFF
還有一個8bit-8bit到16bit的乘法器
基於掃描線的IRQ計數器
能夠讓8x16精靈和背景使用不同的CHR-BANK(黑科技啊)
"填充模式"的名稱表, 用於場景轉換很有用
1024位元組的on-chip內存, 用途還不少
MMC5擴展音源(自然)

BANK 切換

PRG mode 0:

CPU $6000-$7FFF: 8 KB switchable PRG RAM bank
CPU $8000-$FFFF: 32 KB switchable PRG ROM bank

PRG mode 1:

CPU $6000-$7FFF: 8 KB switchable PRG RAM bank
CPU $8000-$BFFF: 16 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $C000-$FFFF: 16 KB switchable PRG ROM bank

PRG mode 2:

CPU $6000-$7FFF: 8 KB switchable PRG RAM bank
CPU $8000-$BFFF: 16 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $C000-$DFFF: 8 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $E000-$FFFF: 8 KB switchable PRG ROM bank

PRG mode 3:

CPU $6000-$7FFF: 8 KB switchable PRG RAM bank
CPU $8000-$9FFF: 8 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $A000-$BFFF: 8 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $C000-$DFFF: 8 KB switchable PRG ROM/RAM bank
CPU $E000-$FFFF: 8 KB switchable PRG ROM bank

PRG-BANK 最後一個8kb BANK一定是ROM.

CHR mode 0:

PPU $0000-$1FFF: 8 KB switchable CHR bank

CHR mode 1:

PPU $0000-$0FFF: 4 KB switchable CHR bank
PPU $1000-$1FFF: 4 KB switchable CHR bank

CHR mode 2:

PPU $0000-$07FF: 2 KB switchable CHR bank
PPU $0800-$0FFF: 2 KB switchable CHR bank
PPU $1000-$17FF: 2 KB switchable CHR bank
PPU $1800-$1FFF: 2 KB switchable CHR bank

CHR mode 3:

PPU $0000-$03FF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $0400-$07FF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $0800-$0BFF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $0C00-$0FFF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $1000-$13FF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $1400-$17FF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $1800-$1BFF: 1 KB switchable CHR bank
PPU $1C00-$1FFF: 1 KB switchable CHR bank

CHR-BANK這裡倒是沒有什麼.

PRG mode ($5100)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxPP || ++- Select PRG banking mode

大部分遊戲使用的是模式3(除了惡魔城3-美版, 用了模式2). 暗榮的遊戲從來不寫入該寄存器, 可知默認是模式3.

CHR mode ($5101)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxCC || ++- Select CHR banking mode

金屬之光使用的是模式1, 其他的使用的是模式3

PRG RAM Protect 1 ($5102)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxWW || ++- RAM protect 1

D1D0位必須是10(2)才能正常寫入. 需要結合$5103.

PRG RAM Protect 2 ($5103)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxWW || ++- RAM protect 2

D1D0位必須是01(1)才能正常寫入. 同樣需要結合$5102.

Extended RAM mode ($5104)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxXX || ++- Specify extended RAM usage

0 -Split模式, 作為額外的名稱表使用
1 -Split+ExGrafix模式, 作為擴展用屬性表(自然也能用於名稱表)
2 -ExRAM模式, 作為一般的RAM
3 -ExRAM模式, 作為一般的RAM, 寫入保護

ExRAM@$000-$3BF:

ExGrafix模式: 用於強化背景顯示
Split模式: 待補充
ExRAM模式: 擴展用

ExRAM@$3C0-$3FF:

ExGrafix模式: 未使用
Split模式: 待補充
ExRAM模式: 擴展用

Nametable mapping ($5105)

7 bit 0 ---- ---- DDCC BBAA |||| |||| |||| ||++- Select nametable at PPU $2000-$23FF |||| ++--- Select nametable at PPU $2400-$27FF ||++------ Select nametable at PPU $2800-$2BFF ++-------- Select nametable at PPU $2C00-$2FFF

0 -自帶的VRAM-前1kb
1 -自帶的VRAM-後1kb
2 -內部擴展RAM, 不過$5104必須是模式00或者01, 否則全部讀取到0
3 -填充模式數據

MMC5內部實現應該是, 例如模式3, 就根據地址返回填充數據就行. 作為模擬器的話, 可以實現為:

for (int i = 0; i != 4; ++i) { uint8_t* ptr = NULL; switch (value & 3) { case 0: ptr = famicom->video_memory + 1024 * 0; break; case 1: ptr = famicom->video_memory + 1024 * 1; break; case 2: //ptr = (mapper->exram_mode & 2) ? sfc_mmc5_zero_nt(famicom) : sfc_mmc5_exram(famicom); ptr = sfc_mmc5_exram(famicom); break; case 3: ptr = sfc_mmc5_fill_nt(famicom); break; } value >>= 2; base[i] = ptr; }

Fill-mode tile ($5106)

8位均用於填充模式的圖塊編號

Fill-mode color ($5107)

低2位用於填充模式的屬性位, 實際填充的的是:

color = value & 3; color = color | (color << 2) | (color << 4) | (color << 6);

可以具體平臺使用位運算或者查表.

PRG Bank 0, 1, 2 ($5110-5112)

不在PRG空間內, 無效.

PRG Bank 3, RAM Only ($5113)

7 bit 0 ---- ---- xxxx BBBB |||| ++++- PRG RAM bank number at $6000-$7FFF +--- Select PRG RAM chip

這個就比較複雜了, 這就是前面提到的信息不完整. 就目前而言有以下幾種情況:

0KB: No chips
8KB: 1x 8KB chip
16KB: 2x 8KB chip
32KB: 1x 32KB chip

D2位表示哪個chip. wiki建議始終假設為64kb, 然後根據這4bit(3bit)載入偏移數據, 因為2x8kb模式是寫入100而不是001.

實際上有能力最多支持到128kb, 但是實際上最多搭載了32kb額外RAM.
自己打算使用32kb的實現, 但是將D2與D1做異或運算, 然後使用D1D0進行判斷.
這要求遊戲使用非常標準思路的進行切換, 可能會有BUG(而且不支持64~128kb的額外RAM).
這樣內部本來WRAM有8kb就富餘出來了, 用於MMC5內部其他的RAM.
對, C/C++程序猿就是摳門.

case 0x5104: // Extended RAM mode ($5104) #ifndef NDEBUG printf("[%5d]MMC5: Extended RAM mode ($5104) = %02x ", famicom->frame_counter, value & 3); #endif mapper->exram_mode = value & 3; mapper->exram_write_mask_mmc5 = 0x00; famicom->ppu.data.ppu_mode = SFC_EZPPU_Normal; if (mapper->exram_mode == 1) { mapper->exram_write_mask_mmc5 = 0xff; famicom->ppu.data.ppu_mode = SFC_EXPPU_ExGrafix; } break;

PRG Bank 4, ROM/RAM ($5114)

7 bit 0 ---- ---- RBBB BBBB |||| |||| |+++-++++- PRG ROM bank number | ++++- PRG RAM bank number | +--- Select PRG RAM chip +--------- RAM/ROM toggle (0: RAM; 1: ROM)

模式 0 - 忽略
模式 1 - 忽略
模式 2 - 忽略
模式 3 - 選擇 8KB PRG bank @ $8000-$9FFF

PRG Bank 5, ROM/RAM ($5115)

7 bit 0 ---- ---- RBBB BBBB |||| |||| |+++-++++- PRG ROM bank number | ++++- PRG RAM bank number | +--- Select PRG RAM chip +--------- RAM/ROM toggle (0: RAM; 1: ROM)

模式 0 - 忽略
模式 1 - 選擇 16KB PRG bank @ $8000-$BFFF (忽略最低位)
模式 2 - 選擇 16KB PRG bank @ $8000-$BFFF (忽略最低位)
模式 3 - 選擇 8KB PRG bank @ $A000-$BFFF

PRG Bank 6, ROM/RAM ($5116)

7 bit 0 ---- ---- RBBB BBBB |||| |||| |+++-++++- PRG ROM bank number | ++++- PRG RAM bank number | +--- Select PRG RAM chip +--------- RAM/ROM toggle (0: RAM; 1: ROM)

Mode 0 - 忽略
Mode 1 - 忽略
Mode 2 - 選擇 8KB PRG bank @ $C000-$DFFF
Mode 3 - 選擇 8KB PRG bank @ $C000-$DFFF

PRG Bank 7, ROM Only ($5117)

7 bit 0 ---- ---- xBBB BBBB ||| |||| +++-++++- PRG ROM bank number

模式 0 - 選擇32KB PRG-ROM bank @ $8000-$FFFF (忽略低2位)
模式 1 - 選擇 16KB PRG-ROM bank @ $C000-$FFFF (忽略最低1位)
模式 2 - 選擇 8KB PRG-ROM bank @ $E000-$FFFF
模式 3 - 選擇 8KB PRG-ROM bank @ $E000-$FFFF

似乎啟動時是往$5117寫入$FF, 也就是最後8kb RPG-BANK載入最後一個BANK.

CHR Bankswitching ($5120-$5130)

前面提到了MMC5的黑科技——8x16精靈使用的圖樣表允許和背景使用的不同. 8x8模式只會使用$5120-$5127, 而8x16模式下$5120-$5127是針對精靈, $5128-$512B是針對背景.

並且, 最後一次寫入的部分(前8, 後4), 會用於 PPUDATA ($2007)

wiki提到到目前未知還不清楚MMC5是怎麼檢測PPU處於哪種模式的, 真的黑科技.

寫入地址 | 1 KiB | 2 KiB | 4 KiB | 8 KiB --------|--------|-------|-------|------- $5120 | BANK0 | - | - | - $5121 | BANK1 |BANK0-1| - | - $5122 | BANK2 | - | - | - $5123 | BANK3 |BANK2-3|BANK0-3| - $5124 | BANK4 | - | - | - $5125 | BANK5 |BANK4-5| - | - $5126 | BANK6 | - | - | - $5127 | BANK7 |BANK5-7|BANK4-7|BANK0-7 $5128 |BANK0, 4| - | - | - $5129 |BANK1, 5| 01,45 | - | - $512A |BANK2, 6| - | - | - $512B |BANK3, 7| 23,67 |0-4,5-7| 0-7

根據$5130的說法, 比如8kb模式就是選擇的是8kb為窗口的BANK編號.

Upper CHR Bank bits ($5130)

7 bit 0 ---- ---- xxxx xxBB || ++- Upper bits for subsequent CHR bank writes

當使用1kb模式時, 最多隻能訪問256kb的CHR-ROM, 要訪問整個1024kb就需要這兩位了. 不過唯一一個超過256kb CHR-ROM的金屬之光卻使用的是4kb模式. 換句話說就是沒有一個遊戲使用了這個機能(甚至連初始化都沒有).

Expansion RAM ($5C00-$5FFF, read/write)

模式 0/1 - 不可讀, 僅可在PPU渲染時可寫(否則寫入0)
模式 2 - 可讀可寫
模式 3 - 只讀

模式1下( ExGrafix 模式), 就是MMC5實現的一個難點了: 擴展RAM區每個位元組可以用來強化背景顯示.

7 bit 0 ---- ---- AACC CCCC |||| |||| ||++-++++- Select 4 KB CHR bank to use with specified tile ++-------- Select palette to use with specified tile

4*64=256, 為了使用整個1024kb空間, 需要配合$5130的兩位進行使用.

這種模式下基本可以確定使用的是單屏模式下. 舉個栗子, 第一個圖塊$2000. 原本的模式下, 首先確定背景是用的哪個圖樣表, 然後利用[$2000]的數據, 獲取圖樣數據.

現在ExGrafix模式下, 會在ExRAM:$000獲取相應信息, 而本來的圖樣表幾乎完全是為精靈服務的.

高精度的模擬器應該是模擬讀取過程, 不過作為中精度的模擬器可以直接拿渲染開刀.

Split模式相關寄存器

待補充

目前只有宇宙警備隊 SDF使用了該模式, 這個模式目前不想實現(懶), 等待以後實現吧.

IRQ Counter ($5203)

用於指定掃描線id來觸發IRQ, 內部比如寫入$04會在第5條可見掃描線開始時觸發. 寫入0應該是觸發不了IRQ的. 由於是基於掃描線的, 所以應該只會在可見掃描線觸發相關同步操作.

目前的Ez模式下, 本身自己是在每條掃描線最後觸發水平同步的, 所以就是應該寫入多少就在第幾條觸發.

IRQ Status ($5204, write)

7 bit 0 ---- ---- Exxx xxxx | +--------- IRQ Enable flag (1=IRQs enabled)

寫入僅僅用來啟用/關閉IRQ功能, 即時關閉也能在本來可以觸發IRQ情況將Pending置為1(當然不會觸發IRQ).

IRQ Status ($5204, read)

7 bit 0 ---- ---- SVxx xxxx MMC5A default power-on value = $00 || |+-------- "In Frame" signal +--------- IRQ Pending flag

In Frame是當MMC5不再檢測到掃描線信號時, 比如最後一根掃描線掃過, 或者說PPU沒有渲染背景/精靈($2001相關位). 也就是說實際上如果中途關閉渲染, 會提前清除In Frame標誌(懶得實現).

Pending標誌會在MMC5的相關IRQ掛起時觸發, 讀取後清除(確認IRQ), 或者在In Frame0->1時也會清除.

Unsigned 8x8 to 16 Multiplier ($5205, $5206 read/write)

這就是那個16位乘法器了, 寫入會進行乘法運算. 讀取時, 低地址讀取地址, 高地址讀取高地址.

其他寄存器

其他還有一些就不介紹了

switch-case

由於地址部分連續, 部分離散, 所以只好直接用case了, 讓編譯器自己優化.

switch (address) { case 0x5100: // ... case 0x5101: // ... case 0x5102: // ... // ... };

新介面

read_low, 讀取[$4020, $6000), 這部分區域會調用該介面. 在正常情況下, 與之前的PRG段快速訪問優化不衝突.

區別ROM RAM

目前是使用的32bit整型保存偏移量, 但是沒有辦法區別BANK是來自ROM還是RAM. 所以現在統一用最高位區別RAM與ROM.

/// <summary> /// StepFC: 利用指針創建偏移量 /// </summary> /// <param name="famicom">The famicom.</param> /// <param name="ptr">The PTR.</param> /// <returns></returns> static inline uint32_t sfc_make_offset(sfc_famicom_t* famicom, const uint8_t* ptr) { const uint8_t* const fc0 = famicom->video_memory; const uint8_t* const fc1 = (const uint8_t*)(famicom + 1); // RAM if (ptr >= fc0 && ptr < fc1) { const uintptr_t rv = ptr - fc0; // 256 MiB夠大了 assert(rv < 0x10000000); return (uint32_t)rv; } // ROM else { const uintptr_t rv = ptr - famicom->rom_info.data_prgrom; // 256 MiB夠大了 assert(rv < 0x10000000); return (uint32_t)rv | (uint32_t)0x80000000; } }

/// <summary>
/// StepFC: 利用偏移量創建指針
/// </summary>
/// <param name="famicom">The famicom.</param>
/// <param name="offset">The offset.</param>
/// <returns></returns>
static inline uint8_t* sfc_make_pointer(sfc_famicom_t* famicom, uint32_t offset) {
// ROM
if (offset & 0x80000000) return famicom->rom_info.data_prgrom + (offset & 0x7fffffff);
// RAM
else return famicom->video_memory + offset;
}