Архитектура Game Boy Advance

Практический анализ от Rodrigo Copetti

Автор перевода: Pawel Ryndovskiy и L1Q

Если вы используете инструменты специальных возможностей, электронные книги или устаревшие браузеры, то переключитесь на "классическую" версию.




Опорные изображения

Модель

Image
Оригинальный Game Boy Advance.
Выпущен 21.03.2001 в Японии, 11.06.2001 в Америке и 22.06.2001 в Европе.

Материнская плата

Image
Материнская плата
Показана ревизия '03'. Надпись "AGB" - это идентификатор модели Game Boy Advance. Слот для картриджа и усилитель звука находятся на задней панели.
Image
Vатеринская плата с помеченными важными частями

Диаграмма

Image
Диаграмма основной архитектуры
Каждая шина данных обозначена своей шириной.
Показанная схема AGB Game Pak не включает маппер (поскольку новый процессор способен адресовать значительно больше памяти), хотя игры с большим ПЗУ могут включать его в комплект.

Краткое введение

Внутренний дизайн Game Boy Advance довольно впечатляющий для портативной консоли, которая работает от двух АА батареек.

В этой консоли по-прежнему будет использоваться фирменный графический процессор Nintendo. Дополнительно, в ней будет представлен относительно новый процессор от британской компании, который будет набирать популярность в ближайшие годы.


Процессор

Большинство компонентов объединены в единый модульпод названием CPU AGB. Модуль содержит два совершенно разных процессора:

Надо отметить, что оба процессора никогда не работают одновременно и никаким сопроцессингом не занимаются. Единственная причина включать очень старый Sharp это обратная совместимость.

Что нового?

До того, как компания ARM Holdings (в настоящее время “Arm”) стала невероятно популярной в мире смартфонов, она лицензировала свои процессоры для компьютеров Acorn, Apple Newton, телефонов Nokia и Panasonic 3DO. Выбранный Nintendo процессор, ARM7TDMI, основан на более раннем дизайне ARM710 и включает в себя [1]:

Более того, в ядре имеются расширения, упомянутые в названии (TDMI):

Расположение памяти

В частности, включение Thumb оказало сильное влияние на окончательный дизайн этой консоли. Nintendo смешивала 16-битные и 32-битные шины между различными модулями, чтобы снизить затраты и одновременно предоставить программистам необходимые ресурсы для оптимизации кода.

Image
Архитектура памяти этой системы.

Используемая память распределяется по следующим местам (в порядке от самого быстрого к самому медленному) [3]:

Хотя эту консоль позиционировали как 32-битную систему, с большей частью памяти можно общаться только через 16-битную шину, а значит игры в основном используют набор инструкций Thumb, чтобы не тратить два цикла на один запрос инструкций. Только в очень исключительных обстоятельствах (например, при необходимости использовать инструкции, отсутствующие в Thumb, храня их в IWRAM) программисты смогут воспользоваться набором инструкций ARM.

Становление Game Boy Color

Кроме включения компонентов GBC (Sharp SM83, оригинальный BIOS, режимы аудио и видео, совместимый слот для картриджей и так далее), для обеспечения обратной совместимости нужны еще две функции.

Со стороны оборудования консоль полагается на переключатели для определения, какой картридж вставлен: Game Boy или Game Boy Color. Детектор формы с лоте для картриджей по сути определяет тип картриджа и позволяет процессору читать его состояние. Предполагается, что некий компонент CPU AGB читает это значение и автоматически выключает ненужное в режиме GBC оборудование.

Со стороны программного обеспечения существует специальный 16-битный регистр REG_DISPCNT, который может изменять многие свойства дисплея, но один из его битов устанавливает консоль в ‘GBC режим’ [5]. Сначала мне было очень трудно понять, когда именно GBA пытается обновить это регистр. К счастью, нашлись разработчики прояснить ситуацию:

Думаю, вот что происходит во время загрузки GBC: она проверяет переключатель (считывается по адресу REG_WAITCNT 0x4000204), делает переход (очень быстрый, сложно заметить), потом окончательно переключатеся в режим GBC (BIOS пишет в REG_DISPCNT 0x4000000), останавливая ARM7.

Остается недостающий кусочек пазла: что если убрать часть корпуса на картридже GBC, чтобы переключатель больше не нажимался, а потом сделать программное переключение в режим GBC? Может помочь режим мультизагрузки. Не уверен, требуется ли нажатие переключателя, чтобы шина картриджа GBC работала корректно, или она работает само собой. Я склонен считать, что переключатель все таки необходим, но это всего лишь догадка.

Dan Weiss (он же Dwedit, текущий разработчик PocketNES и Goomba Color)


Графика

Прежде чем мы начнем, вы узнаете, что система представляет собой смесь между SNES и Game Boy, графическим ядром по-прежнему является хорошо известный 2D движок под названием PPU. Поэтому, я рекомендую прочитать эти статьи, прежде чем продолжить, так как я буду рассматривать множество ранее разъясненных понятий.

В сравнении с прошлыми геймбоями теперь у нас есть цветной LCD дисплей, который может показывать до 32,768 цветов (15-бит). Его разрешение 240x160 пикселей, а частота обновления примерно 60Гц.

Организация контента

Image
Архитектура памяти PPU.

Для распределения графики у нас есть следующие участки памяти:

Построение кадра

Если вы читали прошлые статьи, GBA будет казаться вам знакомой, хотя дополнительная функциональность может вас удивить, и не надо забывать, что консоль работает от двух пальчиковых батареек.

Я одолжу графику из Sonic Advance 3 от Sega, чтобы проиллюстрировать, как составляется кадр.

Тайлы

Image
Этот блок состоит из 4 тайлов bpp.
Image
Здесь можно заметить странные вертикальные узоры, это не графика, а т. н. ‘Tile Maps’ (тайловые карты, смотрите следующий раздел).
Image
Этот блок зарезервирован под спрайты.
Charblocks внутри VRAM.

Тайлы GBA - это строго растровые изображения размером 8x8 пикселей, они могут использовать 16 цветов (4 bpp) или 256 цветов (8 bpp). Плитки размером 4 bpp занимают 32 байта, а 8 bpp - 64 байта.

Тайлы можно хранить где угодно в VRAM, однако, для PPU их нужно группировать в charblocks: блоки по 16 КБ. Каждый блок резервирует определенный тип слоев (фон или спрайты). Это может привести к перекрытиям, что, как следствие, позволяет блоками иметь общие тайлы.

Из-за размера блока символов в одном блоке можно хранить до 256 плиток 8 bpp или 512 плиток 4 bpp. Допускается до шести таких блоков, что в сумме требует 96 КБ памяти: точное количество VRAM этой консоли.

Для фонов можно использовать только четыре, а два можно применить для спрайтов.

Фоны

Image
Фоновый слой 0 (BG0).
Image
Фоновый слой 2 (BG2).
Image
Фоновый слой 3 (BG3).
Этот конкретный слой сдвигается по горизонтали на определенных сканлайнах для имитации эффектов воды.
Используемые в фонах статические слои.

Фоновый слой в этой системе значительно улучшился со времен Game Boy Color. Она наконец-то включает в себя некоторые функции, найденные в Super Nintendo (помните аффинное преобразование?)

PPU теперь умеет рисовать до четырех фоновых слоев. Возможности каждого из них зависят от выбранного режима работы [6]:

  • Режим 0: четыре статических слоя.
  • Режим 1: доступно всего три слоя, но один из них аффинный (может вращаться и масштабироваться).
  • Режим 2: два аффинных слоя.

Размеры каждого слоя могут быть до 512x512 пикселей. Если слой аффинный, он может быть размером до 1024x1024 пикселей.

Совокупность данных, которая задает фоновый слой, называют Tile Map. Чтобы реализовать ее в понятном для PPU виде, программисты используют screenblocks, структуру, задающую части фонового слоя (32x32 тайлов). Screenblock занимает всего 2 КБ, но для построения всего слоя их требуется несколько штук. Программисты вольны размещать их где угодно внутри фонового блока, а значит не все тайлы хранят графику!

Спрайты

Image
Отрисованный спрайтовый слой

Спрайт может быть размером до 64x64 пикселей, но из-за маленького экрана, он будет занимать большую его часть.

Если этого недостаточно, PPU теперь умеет применять к спрайтам аффинные преобразования!

Спрайтовые записи занимают 32 бита, их значения можно разделить на две группы:

  • Атрибуты: x/y - положение, h/v - отражение, размер, форма (квадрат или прямоугольник), тип спрайта (аффинный или простой) и положение первого тайла.
  • Аффинные данные: используются только если спрайт аффинный, задают масштаб и вращение.

Результат

Image
Все слои объединены (Tada!).

Как обычно, PPU объеденяет все слои автоматически, но это еще не все! Система может наложить на эти слои несколько эффектов:

  • Mosaic: делает тайлы более пиксельными.
  • Alpha blending: комбинирует цвета двух наложенных слоев, что дает эффекты прозрачности.
  • Windowing: разделяет экран на два разных окна, в каждом может быть своя собственная графика и эффекты, внешнюю зону обоих окон также можно отрисовывать тайлами.

С другой стороны, для обновления кадра есть несколько опций на выбор:

  • Распоряжатся ЦП: у процессора теперь полный доступ к VRAM в любое вермя. Однако изменение некоторых данных посреди када может привести к нежелательным артефактам, так что ждать VBlank/HBlank промежутков (традиционный подход) остаестя самой безопасной тактикой в больинстве случаев.
  • Использовать DMA контроллер: DMA обеспечивает в ~10 раз более быструю передачу данных, его можно отправить в обработку во время VBlank и HBlank. Консоль предоставляет 4 канала DMA (два зарезервированы под звук, один для критических операций, другой - общего назначения). При этом контроллер остановит процессор на время операции (хотя он едва заметит это!).

Кроме тайлов

Мы можем захотеть составить фон с которым тайловый движок не справится. Современные консоли решили это, внедрив архитектуру с буфером кадра, но это невозможно при очень маленькой емкости памяти… Что же, у GBA как раз есть 96 КБ видеопамяти, чего достаточно для растрового изображения размером с наш LCD экран.

Хорошей новостью является то, что PPU фактически реализовал эту функциональность, включив три дополнительных режима, которые называются bitmap modes [7]:

Причина наличия двух растровых изображений заключается в возможности перелистывания страниц: Рисование поверх отображаемого растрового изображения может привести к появлению некоторых странных артефактов во время процесса. Если вместо этого манипулировать другим, то ни один из глюков не будет показан пользователю. Как только вторая растровая карта будет готова, PPU можно обновить, чтобы указать на вторую, эффективно поменяв отображаемый кадр местами.

Image
Super Monkey Ball Jr. (2002).
Растровый режим позволил процессору рисовать рудиментарную 3D графику.
Объекты переднего плана это спрайты (отдельный слой).
Image
Tonc’s demo.
Растровая картинка с примитивами.
Обратите внимание, экран не показывает существенных узоры тайловых движков.
Image
Эпизод распространялся в виде картриджа GBA Video (видео , конечно, сильно пострадало от сжатия).
Примеры программ с растровыми режимами.

О целом звучит как суперсовременная фишка, однако, большинство игр продолжили пользоваться тайловым движком. Почему? Потому, что на практике, растры сьедают очень много ресурсов ЦП.

Видите ли, когда применяется тайловый движок, процессор делегирует большинство вычислений графическому чипу. А вот система фреймбуфферов от PPU ограничена только отображением сегмента памяти на единственном фоновом слое, что значит больше нет индивидуальных аффинных транформаций, наложений или эффектов если процессор сам их не просчитает. Фреймбуффер также занимает 80 КБ памяти, так что только 16 КБ (половина) доступны для хранения спрайтовых тайлов.

Вот почему эти режимы применяются в исключетельных случаях, таких как проигрывание видео (Game Boy Advance Video полностью на это полагалось) или отрисовка 3D геометрии через ЦП.


Звук

В GBA используется двухканальный проигрыватель сэмплов, который работает в связке со звуковай системой Game Boy.

Функционал

Вот разбор каждого звукового компонента на примере Sonic Advance 2:

PCM

PCM-only channels.

Новая звуковая система теперь умеет проигрывать PCM сэмплы, она предоставляет два канала под названием Direct Sound, куда приходят сэмплы через очередь FIFO (реализована в виде 16-битного буфера).

Семплы 8-битрые и со знаком (кодируются в значениях от -128 до 127). Частота выборки по умолчанию 32 кГц, хотя это зависит от игры: так как большая частота значит больше размер и больше циклов процессора, не каждая игра выделяет отдинаковое количество ресурсов аудиочипу.

DMA необходим во избежание лишней траты циклов ЦП. Timers также доступны для синхронизации с очередью.

PSG

PSG-only channels.

Хотя подсистема от Game Boy не делится ресурсами ЦП, доступ к своему PSG она дает. В целях обратной совместимости это тот-же дизайн, что и в оригинальном Game Boy. Ранее я уже писал эту статью, в которой подробно рассказывается о каждом канале в отдельности.

Большинство игры GBA используют его для аккопониманта или эффектов. Более поздние оптимизировали музыку под PCM, а PSG оставили незадействованным.

Комбинирование

Тада!

Наконец, все автоматически микшируется вместе и выводится через динамик/разъем наушников.

Несмотря на то, что в GBA только два канала PCM, некоторые игры волшебным образом проигрывают более двух сэмплов одновременно. Как такое возможно? Хотя на бумаге наличие только двух каналов может показаться немного слабым, основной процессор может использовать часть своих циклов для обеспечения секвенирования и микширования звука [8] (это должно дать вам представление о мощности ARM7!). Более того, в разделе “Операционная система” вы узнаете, что в ROM BIOS-а входит аудиосиквенсер!

Лучшее из обоих миров

Некоторые игры понесли дуальнось PCM-PSG еще дальше и “сменяют” ведущий чип в зависимости от контекста.

В этой игре (Mother 3) игрок может входить в две разные комнаты, одна относительно нормальная, а другая в ностальгическом сеттинге. В вазисимости от того, в какой комнате находится персонаж, та же самая музыка звучит современно или восьмибитно.

Нормальная комната, используется только PCM.
Ностальгическая комната, PSG ведет мелодию.

Операционная система

Вектор сброса ARM7 находится по адресу 0x000000, который указывает на 16 KB BIOS ROM. Это означает, что Game Boy Advance сначала загружается из BIOS, который, в свою очередь, показывает знакомую заставку, а затем решает, загружать игру или нет.

В этом ПЗУ также хранятся программные процедуры, которые игры могут вызывать для упрощения определенных операций и уменьшения размера картриджа [9]. К ним относятся:

BIOS подключен через 32-битную шину и реализован с использованием комбинации инструкций Arm и Thumb, хотя последняя является наиболее заметной.

Также помните, что все это будет работать только на ARM7. Другими словами, нет никакого аппаратного ускорения для ускорения этих операций. Таким образом, Nintendo обеспечила всю эту функциональность с помощью программного обеспечения.


Игры

Программирование для GBA было аналогично программированию для SNES с добавлением всех преимуществ разработки игр в начале 2000-х годов: стандартизированные языки высокого уровня, лучшие компиляторы, более быстрые RISC-процессоры, не проприетарные решения для разработки, сравнительно лучшая документация и… Интернет доступ!

Программы в основном пишутся на языке C с критичными для производительности разделами на ассемблере (ARM и Thumb) для экономии тактов. Nintendo предоставила SDK с библиотеками и компиляторами.

Игры распространяются в новом проприетарном картридже под названием Game Pak.

Доступ к данным картриджа

Хотя ARM7 имеет 32-битную адресную шину, к картриджу подключено только 24 адресных линии. Это должно означать, что до 16 МБ могут быть доступны на картридже без использования маппера, однако в официальной документации указано, что 32 МБ данных картриджа отображаются в памяти. Как такое возможно? Дело в том, что Gamepak использует 25-битные адреса (что объясняет блок размером 32 МБ), но его самый нижний бит фиксирован на нуле, поэтому все 24 оставшихся бита установлены. Вот как работает адресация Gamepak.

Означает ли это, что данные, расположенные по нечетным адресам (с младшим значащим битом ‘1’), будут недоступны? Нет, потому что шина данных 16-битная: При каждой передаче CPU/DMA получает расположенный байт плюс следующий, что позволяет читать как четные, так и нечетные адреса. Как видите, это еще одно произведение инженерной мысли, в котором полностью используются возможности аппаратного обеспечения при одновременном снижении затрат.

Пространство оперативной памяти картриджа

Для хранения сохранений Game Paks может включать [10]:

Аксессуары

Знаменитый Game Boy Link Cable обеспечивал возможность многопользовательской игры. Кроме того, кабель имеет специальную функцию, известную как Multi-boot: Другая консоль (GBA или GameCube) может послать функциональную игру в EWRAM приемника, после чего последний загрузится оттуда (вместо того, чтобы использовать картридж).


Борьба с пиратством и хоумбрю

В целом, использование проприетарных картриджей было большим препятствием по сравнению с постоянной игрой в кошки-мышки, с которой приходилось бороться другим производителям консолей при использовании CD-ROM.

Для борьбы с контрафактом картриджей (несанкционированными копиями) в BIOS GBA был встроен тот же процесс загрузки, что и в оригинальном Game Boy.

Флеш-картриджи

По мере того как твердотельные накопители становились все более доступными, на рынке появился новый тип картриджей. Flashcarts выглядели как обычные Game Paks, но имели дополнительную перезаписываемую память или слот для карт памяти, позволяющий запускать игровые ПЗУ. Концепция на самом деле не нова, разработчики издревле использовали подобные инструменты для тестирования своих игр на реальной консоли (а производители предоставляли аппаратное обеспечение для этого).

Более ранние решения включали сгораемую NOR Flash память (не более 32 МБ) и некоторые SRAM с питанием от батарей. Для загрузки двоичных файлов на картридж в комплекте поставлялся кабель Link-to-USB, который использовался с GBA и ПК под управлением Windows XP. С помощью фирменной программы-флешера и драйверов компьютер загружал в GBA программу мультизагрузки, которая, в свою очередь, использовалась для передачи бинарного файла игры с ПК на Flashcart, вставленный в GBA. В целом, вся задача по загрузке игры была достаточно медленной. Более поздние флэш-карты (например, ‘EZ-Flash’) предлагали больший объем памяти и возможность прошивки картриджа без использования GBA в качестве промежуточного устройства [11]. Последние полагались на съемные накопители (SD, MiniSD, MicroSD или любые другие).

Коммерческая доступность этих карт оказалась серой зоной: Nintendo осуждала их использование из-за возможности пиратства, в то время как некоторые пользователи защищали, что это единственный способ запуска Homebrew (программ, созданных вне игровых студий и, следовательно, без одобрения Nintendo). Аргумент Nintendo был подкреплен тем, что такие прошивальщики, как EZ-Writer, помогали пользователям патчить игровые ПЗУ, чтобы они могли без проблем запускаться в картриджах EZ-Flash. После юридических попыток Nintendo эти картриджи были запрещены в некоторых странах (например, в Великобритании). Тем не менее, они сохранялись повсеместно.


Вот и всё, ребята

Image
Мой GBA и пара игр.
Жаль, что у нее нет подсветки!

Помощь проекту

Эта статья является частью серии Архитектура консолей . Если вы нашли ее интересной, пожалуйста, подумайте о пожертвовании. Ваш взнос будет использован для финансирования покупки инструментов и ресурсов, которые помогут мне улучшить качество существующих и предстоящих статей.

Donate with PayPal
Become a Patreon

Вы также можете купить цифровую версию книги на английском языке. Я отношусь к прибыли как к пожертвованиям.

Image

Перечень желательных инструментов и последних приобретений для этой статьи отслеживается здесь:

### Interesting hardware to get (ordered by priority)

- Any Dev kit (only if found at a reasonable price)

### Acquired tools used

- Original GBA (£40)
- The two games analysed in the article (£20)

В качестве альтернативы, вы можете помочь, предлагая изменения и/или добавляя перевод.


Copyright and permissions

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. You may use it for your work at no cost, even for commercial purposes. But you have to respect the license and reference the article properly. Please take a look at the following guidelines and permissions:

Article information and referencing

For any referencing style, you can use the following information:

For instance, to use with BibTeX:

@misc{copetti-gba,
    url = {https://www.copetti.org/writings/consoles/game-boy-advance/},
    title = {Game Boy Advance Architecture - A Practical Analysis},
    author = {Rodrigo Copetti},
    year = {2019}
}

or a IEEE style citation:

[1]R. Copetti, "Game Boy Advance Architecture - A Practical Analysis", Copetti.org, 2019. [Online]. Available: https://www.copetti.org/writings/consoles/game-boy-advance/. [Accessed: day- month- year].
Special use in multimedia (Youtube, Twitch, etc)

I only ask that you at least state the author’s name, the title of the article and the URL of the article, using any style of choice.

You don’t have to include all the information in the same place if it’s not feasible. For instance, if you use the article’s imagery in a Youtube video, you may state either the author’s name or URL of the article at the bottom of the image, and then include the complete reference in the video description. In other words, for any resource used from this website, let your viewers know where it originates from.

This is a very nice example because the channel shows this website directly and their viewers know where to find it. In fact, I was so impressed with their content and commentary that I gave them an interview 🙂.

Appreciated additions

If this article has significantly contributed to your work, I would appreciate it if you could dedicate an acknowledgement section, just like I do with the people and communities that helped me.

This is of course optional and beyond the requirements of the CC license, but I think it’s a nice detail that makes us, the random authors on the net, feel part of something bigger.

Third-party publishing

If you are interested in publishing this article on a third-party website, please get in touch.

If you have translated an article and wish to publish it on a third-party website, I tend to be open about it, but please contact me first.


Источники / Продолжить чтение

Борьба с пиратством

Аудио

Процессор

Игры

Графика

Операционная система

Фотографии


Rodrigo Copetti

Rodrigo Copetti

Надеюсь, вам понравилась эта статья! Если вы хотите узнать больше об авторе, нажмите сюда и если вы хотите поддержать его, то нажмите сюда

rsslinkedintwittergithubfacebookreddit