任天堂娱乐系统（NES）架构

Rodrigo Copetti 的实用分析

译者：多位作者

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相关影像

型号

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NES
于 1985 年 10 月 18 日在美国发售，于 1986 年 9 月 1 日在欧洲发售.
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Famicom（FC）
于 1983 年 7 月 15 日在日本发售.

主板

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主板
一种 NES 版本
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带有重要部件标签的主板

图示

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主架构图

引言

初看上去，NES 只不过是一台带有精致外壳和手柄的 6502 兼容机。

技术上说，的确如此。但是我将展示给你看，为什么说 CPU 不是这个系统的 核心 部分。

型号和变种

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典型的Betamax录像机。 这种和类似的设备影响了 NES 的国际设计。 我在 2024 年 8 月访问英国剑桥的计算历史中心时看到的这个特别的例子。

对于同一款游戏主机，任天堂总是在全世界不同地区发行不同的变体 [1]，这就产生了很多看起来不一样，但是架构相同（组件可能不同）的主机。 简要起见，我只介绍两种最流行的版本：

因为“NES”这个名字伴随着作者一起长大，我将用它来泛指这台主机。当介绍某些只有日版机器才有的功能时，我会改用“Famicom”这个名字。

中央处理器 (CPU)

NES 的 CPU 型号为 理光（Ricoh）2A03 [3] ，基于当时流行的 8 位 CPU MOS Technology 6502，能以 1.79 MHz 的速度运行（或 PAL 系统上为 1.66 MHz）。

相关背景

70 年代末到 80 年代初的 CPU 市场可谓是百花齐放。

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搭载了6502 CPU 的 Commodore PET。
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搭载了 Z80 CPU 的 Tandy TRS-80。
由剑桥计算历史中心（英国）提供的 70 年代末计算机全景。

如果某公司想制造一款便宜的微型电脑，它可以有以下选项:

如果这些选项还不够，市场上出现了一家名叫 MOS 的公司，他们基于 6800 设计了一款新的 CPU：6502。 虽然与其他 CPU 不兼容，但这款新的芯片造价 非常便宜 [5] [6]，那些标志性的电脑制造商（Commodore、Tandy、Apple、Atari、Acorn 等）选择 6502 来生产他们的机器只是时间问题。

说回日本，彼时的任天堂正需要一款廉价但是开发者熟悉的 CPU，于是他们相中了 6502。 理光，他们的 CPU 供应商，也成功地制造了一款兼容 6502 的 CPU。

理光的许可之谜

关于理光 如何 设法克隆 6502，时至今日已无人能说清了。 有人认为 MOS 向理光授权了芯片设计，但此事存在诸多矛盾之处：

被阉割的功能

理光 2A03 阉割了原先包含在 6502 中的 Binary-Coded Decimal （BCD）模式 [10]。 BCD 将每个十进制数字编码为独立的 4 位二进制数。 6502 的字（word）大小为 8 bits（8 个二进制位）——这意味着每个字可以存储两个十进制数。

举个例子，十进制数字 42 可以表示为：

我还可以举更多的例子，但是只需记住一个概念：BCD 对那些需要分别处理每个十进制数的应用很有用（例如，数字时钟）（译注：使用汇编表示数值字面量时，BCD 更好用）。 但是，使用BCD 编码需要更多存储空间：每个 8-bit 字最大只能表示到十进制数的 99。而传统二进制编码中，同样大小的字最大能表示到 255。

无论如何，理光故意切断了激活 BCD 模式的控制线，破坏了 BCD 模式。 这样做可能是为了避免向 MOS 支付版税，因为 BCD 是 MOS 的专利（美国针对集成电路布局的版权法直到 1984 年才颁布 [11]）。

内存

理光 2A03 和 MOS 6502 都有 8 位数据总线 和 16 位地址总线，这使得它们能访问最大 64 KB 的内存。 那么，任天堂是如何填充地址空间的？

在一方面，主板上包含一块提供了2 KB 的静态 RAM(SRAM) [12] 的芯片。 任天堂称这个区域为“工作内存”（Work RAM，WRAM），它可以用来存储：

其二，系统组件进行了内存映射（memory-mapped） [13] ，这意味着需要使用内存地址来访问它们，这也占用了一部分 CPU 的地址空间。 因此 CPU 的内存空间包含了游戏卡带、WRAM、PPU、APU 和两个手柄 （不用害怕这些名词，因为它们在这篇文章都有解释）。

卡带 / 游戏数据

以防万一你不知道，NES 游戏以卡带（cartridge）的形式分发，而卡带总线又直接连接到 CPU。

任天堂连接卡带的方式使得 CPU 只能访问 49120 字节（约 49.97 KB）的卡带数据（cartridge data） [14] 。 那么，“卡带数据”是什么意思？ 呃，任何连接到这些总线的芯片都算，例如：

之所以有这么多不同的组合，是因为 CPU 不关心正在读取的组件类型，它只关心内存位置。 所以游戏开发商可以选择（或者设计出）一种适合他们游戏的可行布局。

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《超级马力欧兄弟》[15] 的PCB。
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带有重要部件标签的相同 PCB。 “锁定”芯片的含义会在“反盗版”部分解释。

例如，任天堂的《超级马里奥兄弟》使用了他们称之为NES-NROM-256的布局，包括32 KB的程序ROM和用于图形的8 KB“字符ROM”（我们将在“图形”部分了解更多）[16]。 NES-NROM-256也被设计为最多容纳3 KB的额外WRAM，尽管游戏没有使用它。

超越限制

16 位地址总线的一大限制（影响第三代和第四代游戏主机）是其紧凑的地址空间。 如今，32 位计算机最大可以寻址 4 GB 的内存（而 64 位计算机可以奢侈地享用最大 16 EB 的内存）所以不再有人关心这个问题。但回到当时，NES 只有 64 KB 的地址空间，而且其中很大一部分被内存映射硬件占用（竞争对手避免了这个问题）。

所以，这是否意味着游戏开发商只能开发不超过 49.97 KB 限制的游戏？ 绝对不是！ 如果说我们能从历史中学到什么，那就是对挑战性的问题总有一个聪明的解决办法；而这个问题是被 Mapper 解决的。

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映射器如何扩展 CPU 的寻址能力的简化表示图。 通过引入 Mapper，CPU 可以访问超过大程序 ROM 的额外内存组（地址组）。 不过游戏或程序现在有了在需要时手动切换 Bank 的新任务。
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相同的配置但是没有安装映射器。 虽然简单且便宜，但是 CPU 只能访问有限数量的 Banks。

Mapper 是卡带中包含的额外芯片，位于内存芯片和主机地址线之间。 它的主要工作是扩展地址空间，以便开发人员可以安装更多的芯片。 这是通过 Bank (地址组) 切换实现的：内存地址被组织成 Bank，Mapper 提供开关（通过读写特定内存地址控制）在 Bank 之间切换。 现在，CPU 仍然看到相同数量的内存，所以游戏需要针对操作 Mapper 进行编程。 由于成本效益问题，Mapper 是 80 年代至 90 年代初的主流技术。

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《超级马力欧兄弟2》（Super Mario Bros 2）的PCB [17]。 超级马力欧兄弟3也使用这种布局，但包含了一个256 KB的程序ROM。
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带有重要部件标签的相同图片。 一开始，我以为额外的 WRAM 是用来存储存档的，但后来我意识到这个游戏没有存档（而且也没有电池）。 事实上，这个 RAM 芯片是用来储存解压后的关卡数据的。

回到 NES，《超级马力欧兄弟 2》和《超级马力欧兄弟 3》这样的游戏的卡带中包含了“MMC3” Mapper（由任天堂制造）。 作为比较，MMC3 提供了最大 512 KB 的程序 ROM，最大 256 KB 的 Character memory 和最大 8 KB 的额外 WRAM {{< cite “cpu-mmc3” >}}。 您现在可以看出为什么《超级马力欧兄弟 3》的游戏内容比初代《超级马力欧兄弟》多很多了。

总而言之，虽然这台主机的内置功能存在一些限制，但是任天堂能确保它适应技术的发展。 另一方面，虽然这种技术有助于降低游戏机的成本，但它将部分成本转嫁到了游戏卡带上。 所以，游戏开发商必须在游戏质量和卡带成本之间做出权衡。

图形

图形是由一个名为图像处理单元（Picture Processing Unit，PPU）的专有芯片生成的。 这是 NES 的标志性芯片 换句话说，所有人都可以从硬件商店购买 6502 CPU，那为什么说 NES 与 Apple 2 或 Commodore 64 不同呢？ 嗯，NES 与其他机器的区别就在于 CPU 外围的芯片：PPU 和 APU。 这些分别造就了 NES 独特的图形和音频功能。

就是说，PPU 渲染被称为精灵图（sprite）和背景（Background）的 2D 图形，将渲染结果输出为视频信号。

硬件组织

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PPU的内存架构

为了在屏幕上渲染图形，PPU 必须知道要绘制什么图形，将它们放置在屏幕上的哪个位置；以及如何绘制它们（即，使用哪个调色板）。

为了回答这些问题，PPU 被预编程为使用不同内存映射，查找下列类型的数据：

不用担心新术语，这些数据结构的含义将在下面的段落中逐步讨论。

构造帧

与其同时代产品一样，该芯片专为 CRT 显示器特性而设计。 没有帧缓冲：PPU 与 CRT 的电子枪同步渲染，即时构建图像。

PPU 绘制尺寸固定为 256x240 像素的帧[18]。 哎呀，因为世界各地模拟电视标准不同，图像会因为显示设备的制式（NTSC 或 PAL）而存在差异。 简而言之，NTSC 电视会裁剪顶部和底部边缘以适应过扫描（只有约 244 行扫描线可见），所以开发人员在游戏中放置元素的时候将这些边缘视为“危险区域。” 另一方面，PAL 电视不会裁剪边缘，但是会用黑边来填充比 NTSC 多出来的扫描线（PAL使用 288 行扫描线）。

在幕后，PPU 输出的帧由两层组成。 出于演示目的，让我们用 《超级马力欧兄弟》 来展示它是如何工作的：

图块

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两个由很多图块组成的 pattern table 上下拼接在一起。
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一个图块。
在 Character ROM 中找到的图块。（为了演示目的，使用了默认调色板）。

首先，PPU 使用图块（tile）作为精灵图（sprite）和背景（background）的构成。

NES 将图块定义为基本的 8x8 像素图，它们存储在 Character Memory（位于游戏卡带中）并组织成被为 Pattern Table [19] 的大型数据结构。 每个图块占用 16 B，一个 Pattern Table 包含 256 个图块 [20]。 由于 PPU 最大可寻址 8 KB 的 Character Memory，因此它最多可以同时访问两个 Pattern Table。

在图块内部，每个像素使用 2-bits 编码，每个像素可以引用调色板 4 种颜色中的一种。 程序员最多可以定义 8 个调色板（4 个用于背景，其它的用于精灵图）。 每个调色板上引用的颜色指向由 64 种颜色 [21] 组成的“主调色板”，主调色板代表该主机可以生成的所有颜色。 调色板由 4 种颜色组成，其中一个被保留用来 表示透明。

要开始在屏幕上绘制一些东西，游戏会设置一些表格，其中引用了 Character Memory 中的图块。 每个表负责每一帧中的一层（精灵图或者背景）。 然后，PPU 读取这些表，将其组装成 CRT 电子枪生成的扫描线。

我现在将解释每个层/表是如何工作的，以及它们在功能方面有何不同。

背景图层

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填充好的背景图。
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填充好的背景图，选定区域被标记。
设置有垂直镜像的背景图，可实现平滑的水平卷动。 但是，只有一半可用。

背景层是一个静态图块组成的 512x480 的像素图 [22]。 你可能还记得可见帧要小得多，所以由游戏来决定显示哪一部分图层。 游戏还可以在运行过程中移动可见区域：卷轴效果就是这样实现的。

为了节约内存，4 个图块被组合成称为 块（Block）的 16x16 像素图，其中所有图块共享同一个调色板。

Nametable（保存在 VRAM中）指定在背景层中显示哪些图块。 PPU 查找 4 个 1024 Bytes 大小的 Nametable，每个 Nametables 对应背景层的一个象限。 但是，只有 2 KB 的 VRAM 可用！ 因此，如果卡带中没有额外的 VRAM，则只能存储 2 个 Nametable。 然而，还需要处理另外两个 Nametable 的地址：大多数游戏只是简单的让后两个 Nametable 与前两个 Nametable 使用相同的地址（这被称之为镜像）。

这种架构初看可能存在缺陷，但是它旨在降低成本，同时提供简单的 可扩展性：如果游戏需要更宽的背景，可以在卡带中包含额外的 VRAM。

每个 Nametable 的最后 64 字节用来存储属性表（Attribute table），该表用来指定每个块（Block，由 4 个图块组成）的调色板 [23]。

精灵层

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渲染精灵图层.

精灵图（Sprite）是可以在屏幕上移动的图块（Tile）。 它们可以相互重叠，或者出现在背景后面。 可见性由它自身优先级数值决定（与传统图形设计软件中的“图层”概念相同）。

Object Attribute Memory（OAM）表指定了哪些图块被用作精灵图 [24]。 除了图块索引外，每个条目还包含了 (x, y) 坐标以及多个属性（调色盘，优先级和翻转标志）。 该表保存在 PPU 芯片的 256 Bytes DRAM 中。

OAM 表可以由 CPU 填充。 但是实践中这样做会很慢（并且如果没有在正确的实时间点完成，会有破坏帧图像的风险），因此，PPU 包含了一个名为直接内存访问（Direct Memory Access）或“DMA”的小组件，可以通过对它编程（方法是修改 PPU 的寄存器）来实现从 WRAM 复制数据到 OAM。 使用 DMA，可以保证数据表会在下一帧绘制开始前传输结束，但请记住，CPU 会在传输过程中暂停工作！

PPU 被限制为每条扫描线 八个精灵图，每帧最多 64 个精灵图。 由于一种名为“OAM 轮替顺序”的技术，可以突破扫描线限制，游戏手动改变OAM中条目的顺序。 这使得PPU在每一帧渲染不同的精灵集，同时CRT光束的速度会欺骗人眼，使其看到超出限制的精灵图。 然而，它们也会在屏幕上出现闪烁。

背景分屏

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渲染结束的背景层，注意着重标记两个部分，这两个部分使用了不同的卷轴坐标值。 只有第二个部分会随着马力欧的移动而卷动。

在继续之前，有一件事我还没告诉你。 如果你玩《超级马力欧兄弟》，你会注意到马力欧移动的时候，场景滚动很流畅。 但是，你会注意到顶部区域（统计数据所在的位置）保持静止，即使这两个部分都是同一个背景层！那么，这里发生了什么？ 好吧，游戏在帧生成的过程中（即所谓的 mid-frame）改变了卷轴滚动值，这样就可以显示当前世界名和统计数据（位于背景顶部的固定部分）。 NES 本身不提供这个功能，但是游戏可以通过观察 PPU 状态（主要是通过其状态寄存器[25]）来推断时机。

为了实现这一点，游戏会使用一种叫 Sprite 0 Hit 的技术。 超级马力欧兄弟控制 PPU 在顶部状态栏的硬币后面渲染一个隐藏的精灵图，这恰好是一帧内绘制的第一个精灵图。 在 PPU 控制的电子束绘制完成第一个精灵图后，PPU 会在它的状态寄存器更新一个标志，该标志表示第一个精灵图（又名“Sprite 0”）绘制完成。 同时，游戏会在帧生成过程中不停检测 PPU 是否标记了“Sprite 0”状态（又被称为“Hit”，命中），如果命中，游戏会更新背景表的卷轴滚动属性，将可见区域移动到马力欧所在的位置。

总的来说，“Sprite 0 Hit”是一个非常微妙的操作，因为它很容易错过时机（Sprite 0 标志如果没有被及时清除，会导致重复的错误操作[26]）。 此外，由于检测 PPU 状态需要循环执行，执行的成本会很昂贵（就 CPU 周期而言）。 从好的方面说，后续的 Mapper 通过使用自动中断接管了这一操作，当任意扫描线命中时会触发中断[27]（这是更高效的技术）。例如，《超级马力欧兄弟 3》使用这一技术显著提高了图像表现。

结果

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嗒哒——！

完成了一帧，是时候继续下一帧了！

但是，CPU 不能修改 PPU 正在使用的任何表的内容，否则屏幕上会出现伪影。 所以，当所有扫描线完成后，PPU 会在 CPU 上触发垂直消隐（Vertical Blank，V-Blank）中断 [28]。 这会通知游戏，现在可以开始更新表而不会破坏当前显示的图像了。 此时，CRT 电子束指向屏幕的可见区域下方，进入了过扫描区域（或底部边框区域）。

只有少数 PPU 寄存器可以在垂直消隐期间以外 [29] 被修改，这解释了为什么在帧生成过程中修改背景卷轴位置不会破坏图像。

秘密和限制

如果你认为分配内存来存储完整帧缓冲的设计更可取：这会导致非常高的内存消耗，而游戏主机的设计目标是合理的价格。 让我展示给你看为什么 NES 的设计是非常有效且灵活的。

多重卷轴

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超级马里奥2。 为垂直卷轴设置的 Nametable（水平镜像）。
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超级马里奥3。 马里奥可以跑和飞，所以需要 PPU 能沿对角线方向卷动。 注意右侧边缘显示了错误的调色板！ 左侧边缘的错误被遮住了。

有些游戏需要主角能垂直移动——因此 Nametable 被设置为水平镜像。 另一些游戏需要主角左右移动，所以使用垂直镜像。

任何一种镜像方式都允许 PPU 在不引起用户注意的情况下更新背景图块：在可见区域外的一定距离上更新图块。

但是如果角色想沿对角线方向移动怎么办？ PPU 可以向任何方向滚动，但是如果没有额外的 VRAM，边缘会被迫共享同样的调色板（记住，图块被组织成块 ）。

这就是为什么类似《超级马力欧兄弟 3》这样的游戏在马力欧移动的时候会在屏幕边缘显示奇怪的图形（游戏被配置为垂直卷轴）[30]。 这可能是因为他们需要最小化每个卡带的硬件成本（因为这个游戏已经使用了功能非常强大的 Mapper）。

一个有趣的修复方案：PPU 允许开发者在图块上应用一个垂直蒙版，可以有效地隐藏部分错误渲染的区域。

图块转换

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初始扫描线。
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后期扫描线。
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用户实际看到的帧图像。
假设帧渲染使用特定扫描线期间可用的图块。

《超级马力欧兄弟 3》的另外一个特点是它能显示的图形数量。

这个游戏显示的背景图块种类数量超出了 NES 的严格限制。 那么它是怎么做到的？ 如果能在图像生成时捕获两张截图，我们就可以看到最终显示的帧实际上是由两个不同的帧合成的。

这是 MMC3 Mapper 的另外一个神奇之处，它不仅提供了额外的程序 ROM 空间，还通过连接两个 Character ROM 芯片扩展了 Character ROM 空间。 通过检查 PPU 正在请求屏幕的哪一个部分，Mapper 会重定向 PPU 到两个芯片的访问，比起原始设计，屏幕上现在能同时显示更多的图块种类 [31]。

奇怪的行为

在我的研究中，我遇到了许多描述 PPU 不常见行为的有趣文章，所以我想在这里提及其中的一些：

  • 与生成 RGB 颜色并转换为 NTSC/PAL 信号进行广播的 Master System 的 VDP 不同，NES 的 PPU 一次性完成所有工作 [32]。 因此，PPU 主调色板的颜色和标准 RGB 色彩空间（目前的主流技术）之间没有一一对应的关系。 这为使用 RGB 定义 NES 的色彩留下了一定的空间，因此各种模拟器将显示不同的调色板。
    • RGB 调色板之间的差异在 Tim Worthington 的 DIY 套件中最为明显，该套件为 NES 添加了 RGB 信号输出，它还实现了一个在预定义调色板之间切换的开关[33]。
  • 主调色板中有一个 “被诅咒”的颜色（$0D），这种颜色会搞乱 NTSC 电视信号 [34]。 其实，这是因为一些电视错误地将这种颜色的信号理解为消隐信号，所以屏幕可能会出现闪烁。
  • PPU 依赖 DRAM 存储 Object Attribute Memory（OAM）。 DRAM 需要不停的刷新来保持数据（不同于 SRAM），而 PPU 不渲染帧的时候 DRAM 不会刷新 [35]。 这主要发生在垂直消隐期间。 出于这个原因，不推荐在垂直消隐期间以外更新 OAM，因为垂直消隐期间的不刷新行为会破坏部分 OAM 数据。
    • PPU 的 PAL 变体不受该问题影响，因为 PAL 版在垂直消隐期间会自动刷新 DRAM （PAL 制式的垂直消隐时间更长）。

音频

被称为音频处理单元（Audio Processing Unit）（APU）的专用组件提供这项服务[36]。 理光将其嵌入 CPU 芯片中，大概是为了避免 CPU 和 APU 的未经许可的克隆。

功能

这个音频电路通常被称为可编程声音发生器（PSG），这大致意味着它只能生成一组预定义的波形，这在这个案例中大部分是正确的。 APU通过五个音频通道来排列音频数据——每个通道分别保留用于特定波形或信号。 每个通道包含不同的属性，这些属性会改变波形的音调、声音、音量和/或持续时间。 它们被连续混合并通过输出音频信号发送。

APU的功能通过内存地址暴露出来，CPU读取程序ROM中的与音乐相关的数据，并相应地编程APU。

此外，尤其是Famicom型号提供了卡带引脚，这些引脚将混合音频信号发送到卡带，使后者能与额外通道（需要额外芯片）混合[37]。

现在让我们回顾一下APU提供的五个通道 [38]：

脉冲

脉冲1通道的示波器视图。
脉冲2通道的示波器视图。
所有音频通道的示波器视图。
Mother (1989).

第两个通道生成脉冲波 [39]。 当听到时，它们表现出非常明显的哔声，主要用于旋律或音效。 各自的音序器可以生成三种类型的脉冲波，通过改变脉冲宽度（也称为 占空比）。 这些电路也连接到一个扫频单元（允许调整音高）和一个包络生成器以随时间降低音量（也称为 衰减）。

大多数游戏使用一个脉冲通道播放旋律，另一个播放伴奏。 当游戏需要播放音效时，播放伴奏的频道改为播放音效，然后切换回伴奏。 这样可以避免在游戏过程中打断旋律。

我认为可以公平地说，脉冲波是这一代游戏主机的象征之一。 我认为其采用的原因纯粹是为了节省成本: (有限的) CPU一次只能处理这么多数据，而脉冲波是理想的选择，因为它们不需要很多参数就能演奏简单的旋律(这反过来又释放了CPU周期用于其他操作)。

三角波

三角波通道的示波器视图。
所有音频通道的示波器视图。
Mother (1989).

与竞争对手相比，APU 的一个特色是能够产生三角波。 这种波形常用作旋律中的低音部分。 此外，通过显著修改其音高，也可以将其用于打击乐。

APU 为这种类型的波形保留了一个通道。 在幕后，专用的序列器需要 32 个周期来生成一个三角波信号[40]，这一限制使得生成的三角波形呈现阶梯状。

另一方面，相应的电路不提供音量控制。 无论如何，一些游戏通过调整混音器的音量控制找到了其他方法。

噪声

噪声通道的示波器视图。
所有音频通道的示波器视图。
Mother (1989).

“噪音”的概念是指一系列没有遵循任何模式或顺序的波形。 我们的耳朵将其解释为白噪声。 也就是说，APU 分配了一个通道可以播放不同种类的噪音。

在幕后，噪声发生器依赖于信封发生器(类似于脉冲通道)，它通过OR门随机静音[41]。 静音的条件取决于连接到反馈回路的 15 位移位寄存器的值。 总而言之，这使得电路输出具有伪不可预测模式的信号，从而产生噪音。

在控制方面，4 位更改包络发生器的周期，1 位更改移位寄存器的“模式”。 那就只剩下 32 种噪音预设可供选择。 其中一半（16）种预设用来产生干净的静电噪音，另外一半用来产生机器噪音。

一般而言，游戏使用噪音通道来产生打击乐或环境效果。

采样

采样通道的示波器视图。
所有音频通道的示波器视图。
Mother (1989).

采样是可以回放的录制的音乐片段。 如你所见，采样不限制于单个波形，但是它们占用了很多空间。

APU 有一个专门的通道用来播放采样。 这里的采样被限制为 7-bit 解析度（编码值从 0 到 127）和 约 15.74 KHz 采样率 [42]。 要对该通道编程，游戏可以串流 7-bit 数据（这会占用大量的 CPU 周期和存储空间）或使用 delta 调制，只编码下一个采样和前一个采样之间的变化。

APU 中的 delta 调制实现只接受 1-bit 值，这意味着游戏只能在每次计数器增加时说明采样增加减少1。 所以，以保真度为代价，delta 调制可以让游戏不必将连续值串流到 APU。

由于对该通道编程需要消耗较大的空间和更多的 CPU 周期，游戏通常会储存可以重复播放的小片段（比如鼓声采样）。 不管怎样，在 NES 的整个生命周期中，众多开发者想出了巧妙的办法来利用这个通道。

秘密和限制

虽然 APU 的音质无法和黑胶唱片、磁带或 CD 相媲美，但程序员确实找到了扩展其功能的方法，主要得益于 NES 的模块化架构。

额外通道

Castlevania III (USA/Europe, 1989) 的示波器视图。
恶魔城传说（Castlevania III 日本版，1989） 的示波器视图。

还记得 Famicom 提供了独占的卡带引脚用来扩展音频吗？ 嗯，像悪魔城伝説这样的游戏就利用了这一点，它捆绑了一个被称为 Konami VRC6 的芯片，添加了两个额外的脉冲波形（Pulse wave）和一个锯齿波（Sawtooth wave）。

看看这两个例子，展示了游戏的日版和美版之间的差异（后者运行在没有提供音频扩展功能的 NES 变体上）。

颤音

最终幻想 III (1990) 的示波器视图。

比起增加卡带成本，有些游戏创造性的应用现有技术增加了更多通道。

例如，《最终幻想III》想出了使用颤音效果来制造额外通道感觉的办法。

更深入的观察

现在您已经了解了 APU 的能力，让我向您展示另一种观察其声音行为的方法。 这不仅会补充您已经了解的关于 APU 的知识，还会提供更客观的检查，尤其是不再依赖您的耳朵。

首先，让我们快速介绍一下声音理论。

感谢傅里叶分析的原理，我们可以将我们听到的每一个声音分解成不同频率和幅度的正弦波之和[43]。 最低频率的正弦波被称为基本音频，其余的称为倍音。 话是这么说，对于具有可辨音高的声音，您会发现大多数（如果不是全部）泛音的频率是基频的倍数。 话虽如此，对于有可辨音高的声音，您会发现大多数(如果不是全部)倍音的频率都是基本频率的倍数。 因此，这些泛音被称为谐波 [44]。

在本节中，谐波将成为一个经常出现的话题，因为脉冲波、三角波和锯齿波等波形遵循决定其谐波成分的公式。 否则，这些波形可能偏离其‘完美’形状。

频谱图简介

由于正弦波现在是构成任何声音的关键成分，我们现在可以通过其正弦波分析我们听到的声音。 现在，对于任何类型的数据分析，没有什么比绘制图表来组织大量信息更方便的了。 那么，在声音分析的情况下，我们有了频谱图。 它们将音频样本的所有信息编码在一个图表上。 X轴表示时间（单位：秒），Y轴表示在此期间产生的正弦波频率（单位：赫兹），Z轴（每个点的颜色亮度）表示每个频率的功率/响度（单位：分贝）。

可视化六秒钟脉冲通道的频谱图示例。

从这个例子中可以看到，每条水平线（也称为点序列）对应一个正弦波（最低的是基频，其余的是谐波），它们的亮度表示振幅。 有了这个前提，我们可以提取以下信息：

注意，大多数这些观察结果仅凭听音频样本是不容易推导出来的，这也是编写本节的原因。

绘制APU

为了研究 NES 的 APU，我编译了五个频谱图，每个频谱图对应 APU 的一个通道，并使用前面的例子。 在它们旁边，你会发现我试图解开数据展示的内容。

在开始之前，我必须承认，为了能够准确收集数据（例如减少噪音），做了一些妥协。 这些记录是使用名为 ‘towave’ 的 Windows 程序获得的，该程序使用带限合成来解决 PSG 假声芯片仿真中的基本问题。 基本上，脉冲波、三角波和锯齿波由无限谐波组成。 然而，这与现代声卡的44.1kHz采样不太吻合。 因此，使用一种名为“带限合成”的技术来选择在声卡限制内的适当谐波。 总而言之，这种技术在性能、准确性和抗混叠之间提供了一个可行的平衡。 然而，数据可能与其模拟版本不完全相同（相比之下，模拟版本也会引入其他问题，例如录音设备的噪音），但我认为它的精确度在可接受的范围内，并且最重要的是，它可以完成本文的任务。

说了这么多，让我们继续分析吧。

脉冲
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脉冲1通道的频谱图。

理论上说，脉冲音调只包含奇次谐波。 换句话说，基频与其第三谐波、第五谐波等组合在一起。 此外，每个谐波的振幅随着离基频的距离增加而减小。 振幅公式是 amplitude = 1 ÷ harmonic number [45]。

因此，注意频谱图上每个谐波的亮度在 Y 轴上越高越暗。 然而，APU 的脉冲波还似乎表现出前述的颤音效应，该效应在每个谐波数上增加。 此外，频谱图中本应没有任何声音的区域包含了微弱的泛音（可能是噪声和其他不完美的结果）。

三角波
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三角通道的频谱图。

三角波也由奇次谐波组成，但它们的振幅衰减更快（公式：振幅 = 1 ÷ 谐波数² [46]）。

然而，这并不是这里展示的情况，APU 产生的阶梯形三角波导致额外的谐波和振幅增加。

噪声
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噪声通道的频谱图。

自然，噪声不遵循谐波规则，可能随机填满整个频率空间，因此缺乏易于识别的音高。

但是，通过查看时间线可以区分 APU 提供的不同噪声预设，每个预设都表现出一个独特的泛音集。

采样
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样本通道的频谱图。

与前几个通道不同，样本通道只播放开发者提供给 APU 的任何低分辨率录音。 考虑到这个例子播放的是鼓组，我在频谱图上看不到任何可识别的特征（除了类似于白噪声的部分）。

锯齿波
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VRC6的锯齿波通道的频谱图。

作为补充，我们也来看看VRC6扩展中的锯齿波通道。 首先，一个完美的锯齿波由所有谐波组成，每个谐波都显示出衰减的幅度（其中 幅度 = 1 ÷ 谐波数 [47]）。

这是对数字设备的相当高要求，自然对于游戏卡带来说是负担不起的（可能根本不需要这样的完美！）。 因此，与 APU 的三角波类似，VRC6 在 7 个周期内顺序生成锯齿波（因此产生类似的阶梯效应）。

结果，相应的频谱图非常混乱，VRC6的近似技术在很多地方填充了额外的谐波。

结论

嗯，看来 NES 的合成波形远没有理论规定的形状那么接近。 这是否意味着APU存在缺陷？ 不！ APU的设计方式最终赋予该主机独特且可识别的声音——这些属性，无论是有意还是无意，使得频谱图显示了不寻常的结果。

作为旁注，完美的几何形状可能在视觉上令人愉悦，但有趣的是，我们的耳朵并不特别喜欢边缘完美的波形！ （你可能会开始听到爆裂声）。

展望未来，使用频谱图进行声音分析在其他文章中将会派上用场，无论是用于简单分析还是与其他系统进行比较。 请注意，这些图表并不一定是主要工具，尤其是在声音样本被混合了太多信道/乐器时（极大地增加了其分解的难度）。 但我认为它们将为任何类型的客观研究提供一个坚实的起点。

游戏

NES 游戏主要用 6502 汇编编写，并保存在程序 ROM中，而游戏的图形（Tile）保存在 Character Memory 中。

此外，游戏在任天堂许可的零售店销售（或出租）。

其它存储介质

尽管它只在日本发售，但是我想这是介绍这个寿命短暂但奇特的附加组件的好机会。就像 Mapper 一样，它为这台主机增加了更多功能。 这个外围设备被称为 Famicom Disk System（Famicom 磁碟机，FDS），它于 1986 年上架（约为 Famicom 发售后第三年）。 它有着外置软盘读取器一样的形状，并且捆绑了一个被称为“RAM 适配器”的奇怪形状的卡带。

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插入软盘的驱动器（图片中插入的是保护驱动器用的软盘形状的硬纸板）。 它可以使用 6 节 C 型电池（即 2 号电池，每节 1.5 V）或 3.6 W 的交流适配器运行。
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RAM 适配器，安装在 Famicom 卡带插槽上，通过电缆连接到驱动器。
组成 Famicom Disk System（FDS）的两个组件。

Famicom Disk System 为 Famicom 增加了以下服务：

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安装在 Famicom 上的 FDS。

因为软盘是单一介质（相对于多芯片卡带），所有游戏数据需要被压缩进软盘。FDS 使用专有文件系统组织文件。

尽管如此，Famicom/NES 需要 Program Memory 和 Character Memory 才能工作，因此需要“RAM 适配器”来完成这个工作。 该组件包含 32 KB 的Program RAM 和 8 KB 的 Character RAM 来缓存软盘上的游戏数据。这样，主机就能从软盘读取，如同这是个基于卡带的游戏一样。

为了操作驱动器，RAM 适配器嵌入了额外的 8 KB ROM 用来存储 BIOS [50]。 该程序用来执行以下任务：

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FDS的两款零售游戏的例子。 磁盘的蓝色“风味”还具有防尘功能。
FDS 初始动画，等待用户来……呃……插入游戏。

在那个年代，任天堂在零售店部署了一些“信息亭（kiosks）”，这样用户就能带上他们的软盘，以较低的价格用新游戏覆盖软盘。

不幸的是，几年以后，Famicom Disk System 停产，随后游戏又回到了卡带介质。 好的一面是，与 FDS 的功能相比，一些新 Mapper 具有相似（或更强）的功能。

反盗版和锁区

任天堂能阻止未授权的游戏发行，这要归功于在 NES 中包含了一个叫Checking Integrated Circuit（CIC）[51] 的专有锁定芯片。 它位于主机中，连接了复位信号（因此不容易被移除）。

该芯片运行一个叫 10NES 的内部程序，用来检查游戏卡带中是否存在另外一个锁定芯片。 如果检查失败，主机就会被无限复位。

主机正常运行期间，两个锁定芯片都在不停通信。 可以通过切断主机锁定芯片上的一个引脚来破坏该系统，这会让芯片处于空闲状态。 或者，向它发送 -5V 信号就可以冻结它。

CIC 的存在的原因是 1983 年电子游戏大崩溃引起的恐惧。 任天堂时任社长山内溥决定，为了推行高质量游戏，它们将负责审批每一个游戏 [52]。

你会注意到日版 Famicom 主机是在 1983 年大崩溃之前发布的。 这就是为什么游戏卡带和主机都不包含 CIC 电路 [53]，相反，引脚用于可选的音频扩展。

这就是全部了，伙计们。

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  • Title of article: Nintendo Entertainment System (NES) Architecture - A Practical Analysis
  • Author: Rodrigo Copetti
  • URL: https://www.copetti.org/writings/consoles/nes/
  • Date of publication: January 25, 2019
  • Last modified: November 18, 2024

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@misc{copetti-nes,
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    title = {Nintendo Entertainment System (NES) Architecture - A Practical Analysis},
    author = {Rodrigo Copetti},
    year = {2019}
}

or a IEEE style citation:

[1]R. Copetti, "Nintendo Entertainment System (NES) Architecture - A Practical Analysis", Copetti.org, 2019. [Online]. Available: https://www.copetti.org/writings/consoles/nes/. [Accessed: day- month- year].
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