PC Engine / TurboGrafx-16 架构

Rodrigo Copetti 的实用分析

译者：Carryspider

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相关影像

型号

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PC Engine。
1987年10月30日于日本发布。
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TurboGrafx-16.
1989年8月29日于美国，1989年11月22日于法国，1990年于英国和西班牙发布。

主板

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主板
TurboGrafx的主板展示。
PC Engine的主板要更小，是堆叠结构的。
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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
看起来挺简单，对吧？

快速入门

Hudson和NEC联手启动了这台第四代游戏机。 不幸的是，由于竞争，他们再多的努力，最终也失色黯然。 尽管如此，他们的这台游戏机作为市场上最紧凑的设计之一，依然保持在顶流。

型号和变种

就像Master System一样，NEC弄了很多修订版和奇怪的变种型号。这从一开始就让跟进型号这事变得麻烦和困难。 因此，为便于今后参考，下面是最重要的机型：

本文将重点介绍PC Engine/TurboGrafx-16，但也会讨论一下那些导致PC Engine Duo/TurboDuo发布的扩展设备。

中央处理器 (CPU)

在这台游戏机里，我们发现了HuC6280，这是一个由Hudson Soft制造的芯片，里面有两大组件。 其中之一是CPU，能以两种速度运作：~1.79 MHz 和 ~7.16 MHz.

HuC6280不像Z80那样是现成零件，而是由NEC设计的专用CPU。 查看官方文档之后，几乎可以确定它复刻了著名的MOS 6502和WDC的65C02的很多行为。 如此说来，所有这些对程序员意味着什么呢？

在开始之前，我们已经在NES的文章中介绍了MOS 6502的一些部件，在SNES的文章中也介绍了由WDC和理光制造的16位变体芯片。如果你想，可以先看看。

65C02是西方设计中心（WDC）制造的MOS 6502的一个改进型，由于它的制造工艺（CMOS），运行效率要高出很多。 从软件方面，65C02增加了一些新的指令，并修改了一些现有指令的行为[1]。

我们可以更多地谈谈65C02，但我认为最好还是重点讨论哈德森增加的功能（对65C02的补充），因为它们对有效操作这台游戏机至关重要。 与65C02对比，HuC6280有[2]：

最后，有8KB的RAM可提供给一般用途。

内存访问

但有一件事我没有提到，那就是NEC还在CPU旁边添加了一个内存管理单元或者叫“MMU”，使其能够把持21位地址（记得原本6502只有16位地址）[3]。 因此，可以访问的内存总量从64KB提升到2MB。

这款MMU非常不同于现今的任何一款MMU，我会说前者更接近于一个mapper。 尽管这么说，PC Engine中的MMU是由八个8位寄存器（称为映射寄存器或 “MPR”）组成，它们与CPU的16条地址线结合起来，形成了21位地址总线。

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MMU的寻址方法

它做了以下工作：

  1. CPU可以使用特殊的TAM和TMA指令，分别从任何MPR读取和/或写入。
  2. 当物理内存被访问时，MMU保留了来自CPU的地址线A13-A15，来选择八个MPR其中的一个。
  3. 最终的地址，是由CPU线（置于A0-A12）和MMU线（置于A13-A20，输出就是所选MPR的8位值）结合而成，结果即21位地址。

因此，这款MMU将物理内存分组为8KB的页（13条CPU线=8KB页），这是CPU不借助交换MPR或改变其值，就能访问到的内存量。

不管怎样，如果你对它难以理解，就不要勉强自己（这只是一种非常规的工作方式，有些人可能觉得有意思）。

图形

这块功能由 Hudson Soft HuC6270，又被称为 视频显示控制器（Video Display Controller）或“VDC”的一块单独的芯片负责。 HuC6270会绘制玩家将会在屏幕上看到的所有东西，且它的功能和世嘉机子上的对应芯片非常相似，所以请先看看那篇文章，因为我将重点介绍Hudson的这块芯片的不同之处。

内容的组织

首先，VDC是 图块引擎（在第五代游戏机出现之前几乎是标准），但请注意PC Engine包含64 KB的VRAM，这与其竞争对手相比是相当大的。 这可能会带来一种新的内容类型，我们稍后将对此进行验证。

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VDP的内存架构。

图形数据的排列方式有点混乱：CPU和VDC都使用16位地址，但CPU只能处理8位字，而HuC6270却在VRAM中存储16位字。[4] 这意味着RAM中的单个地址存着一个字节，而VRAM中的单个地址存着两个字节，所以开发者们在向VRAM传输数据时必须注意这一差异。

原因在于Hudson组织电路的方式：VDC有一条16位地址总线，但只有前15条线受控（最后一条线始终设置为’0’），因此奇数地址从第二个字节获取。 我不知道Hudson为什么要这样做，但我知道，如果系统有128 KB的VRAM，所有这一切就更合理了（因为16位地址总线最多只能访问64 KB，所以通过某种方式将数据总线加倍，最多可以检索128 KB）。 或许那是Hudson/NEC的原计划？

构造帧

抛开前面提到的颗粒度问题，VDP的功能非常简单。 其子系统有三个主要组件：我们已经讨论过的VDC和VRAM，和视频编码器（又称“VEC”，我们将在适当的时候看到更多有关它的信息）。

整个子系统可以使用多个分辨率，这是因为游戏可以改变一组寄存器，这些寄存器作为控制显示时序的参数，反过来改变显像管开始传送帧的时间（相对于过扫描）。 其最小分辨率为256 × 224像素 [5]，尽管一些自制软件已经证明这个系统能跑在高达512 × 240像素的分辨率下。

现在让我们一步步看看游戏的一帧画面是怎么画出来的，为此我借用了PC原人（Bonk’s Adventure）的资产。

图块

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VRAM中发现的背景图块
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VRAM中发现的精灵图块

简单来说，图块就是8x8像素的位图，渲染器会获取这些位图来绘制屏幕的一部分。 在VDC中，帧由两个平面组成：背景层和精灵层。

在VRAM中有一个称为字符生成器的区域，其中定义了背景层专用的图块。 图块的每个像素占4位，因此最多可使用16种颜色。 理论上，最多可定义4096个背景图块，但由于VRAM较小，实际定义的数量较少。

另一方面，精灵是使用VRAM中单独内存位置的图块绘制的，这就是所谓的 精灵生成器，与之前的字符生成器不同，这里的图块宽度为16x16像素。

视频编码器是一个独立的芯片，存储32个调色板（16个用于背景，16个用于精灵） [6]，每个调色板存储16种颜色，每种颜色的宽度为9位（红色3位+绿色3位+蓝色3位）。

排序图块

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单个背景图块的结构
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单个精灵图块的结构

这部分内容是为那些对Hudson如何利用64 KB VRAM和16位颗粒度感兴趣的人编写的，但您不必完全理解这部分内容，也可以继续阅读文章的其他部分

到目前为止，我们已经讨论了图块的每个像素使用4位（或半字节，也称为nibble）存储。 现在，Hudson规定，图块由四个8x8位图组成（分别称为 “CH0”、“CH1”、“CH2”和 “CH3”）。 每个图块的宽度为1位，但四个图块组合在一起后，就形成了具有4位像素的最终图块。

还记得 VRAM 的16位对齐方式吗？ 每个16位字存储一行两个1位位图（8行 + 8行）。 因此，写入8个条目后，将存储两个位图（而不是一个）。 请看下图，以便更好地理解这一点。

同样的情况也会发生在精灵图块上，但由于它们是16x16位图，因此每个位图占用16个字。 换句话说，存储一个精灵图块需要64个字（相当于VRAM中的8字节）。

背景层

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已渲染的背景层

背景层是由VRAM中的条目填充背景属性表而构建的，每个条目的位置定义了屏幕上图块的X/Y坐标。 每个条目都包含字符生成器中的图块索引和调色板。

该层的最大尺寸为1024x512像素（128x64图块），但程序员可以设置一个256x256像素（32x32图块）的最小层。

与往常一样，通过更改VDC中某些寄存器的值，该层可以滚动。

精灵层

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渲染的Sprite图层.

VDC 包含一个名为精灵属性表缓冲区的内部存储器，最多可定义64个精灵。 表中的每个条目都存储了独立的X/Y位置、调色板、图块索引和H/V翻转。 此外，还有一个属性允许将一个精灵与另一个精灵合并。

每个条目长度为8字节，但由于颗粒度为16位，会浪费一些空间

最重要的是，CPU无法访问该表，因此它需要在VRAM中完成，然后激活DMA通道将其复制到VDC（以便后者可以使用）

至于限制，每个扫描线最多只能有16个精灵。 另一方面，可以设置中断，以便在出现精灵溢出或碰撞时通知游戏

结果

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嗒哒——！

到目前为止，我们已经看到VDC如何完成所有繁重的工作，但最后一项任务实际上是委托给视频编码器，或者叫“VCE”的。 Hudson将这款芯片命名为HuC6260，其基本功能是接收来自VDC的9位数据流，应用调色板，并将结果发送到电视（以模拟信号的形式）。

如果您读过以前的文章，可能会对定时的重要性有所了解。 这里也不例外： 为了避免不必要的伪影（如“雪花屏”），VCE只能在垂直中断时更新。

视频输出

视频编码器输出RGB（以及同步）和YPbPr信号，这分别是与SCART电缆或分量电缆配合使用的理想选择。 目前看来效果不错！…

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PC Engine右侧的射频端口。
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为TurboGrafx-16设计的“Turbo Booster”[7]，连接至扩展端口以支持复合视频接口和供电。

…… …遗憾的是，Hudson决定安装一个射频调制器，作为开箱游戏机时获得视频输出的唯一方法，所以它毕竟不是那么好。 不过话又说回来，PC Engine是80年代设计的，因此这种方法保证了与各种电视机的兼容性（假设它们来自游戏机的同一地区）。

好的一面是，扩展端口包含可传输RGB视频和多种同步信号类型的针脚，但需要外接配件才能使用。

音频

与本网站分析的许多其他第三世代游戏机一样，PC Engine也包含一个可编程声音发生器，或者叫“PSG”。 另一方面，这种PSG特别依赖波形存储器（也称为 “波形缓冲器”）来合成声音，而不是使用一组预定义的波形（如方波、三角波等）。 波形存储器使程序员能够定义自己的波形，从而为配乐编排提供更大的灵活性。

R-Type (1987)

该系统有6个音频通道 [8]，每个通道都是通过写入一组寄存器来设置的。 寄存器存储了各通道的属性，其中包括：

额外功能

某些通道组具有其他操作模式。 例如，最后两个通道与噪声发生器相连。 此外，第二个通道还可以充当低频振荡器，对第一个通道进行调制（我起初以为这是调频合成的同义词，但低频振荡器更像是实现颤音效果的 “子集”）。

说到模式，还有一种叫做直接数模转换（DDA）的模式，可以让CPU直接写入音频缓冲区（绕过PSG）。 因此，PC Engine可以播放PCM采样。 这些采样仍然是5位的，而且非常依赖于CPU周期。 不过，两个通道可以组合重现10位采样！ 我强烈建议您查看“来源”部分，聆听示例[9]。

总之，这使得PC Engine的PSG成为一款非常灵活的硬件。

最终的声音

PSG将混合所有信号并输出立体声信号。 但同样，除非您找到绕过射频端口的方法，否则只能从电视上听到单声道音频。

I/O

这款游戏机有大量的配件，其中一些完全增强了游戏机的内部功能（例如提供更多内存）和外部功能（增加更多端口和/或读取其他存储介质的可能性）。

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PC Engine背面的扩展接口

这在很大程度上要归功于游戏机背面的扩展接口，它可以接入以下组件 [10]：

我很想知道NEC或Hudson在多大程度上设想了这种游戏机，他们是否试图制造某种可以升级到下一代的 “模块化游戏机”？

其它

我还没提到它的控制器（或“手柄”，有些地方这么叫它）。 它与其他产品非常相似。 游戏机只提供一个控制器端口，游戏会检查内存中的一个地址来获取按键。 该地址返回一个4位值[11]。

操作系统

在游戏运行之前，没有内部ROM或“BIOS”或其他任何东西，因此我们这台机子没有操作系统。 复位向量位于地址$FFFE和$FFFF处（请记住，内部寄存器是8位的，但内存地址是16位的，因此我们需要两个字来初始化程序计数器），这些地址指向游戏卡[12]。

这也意味着，“做家务”（即初始化内存、设置MMU等）这事将由程序员来完成……

游戏

程序以6502汇编语言编写，并添加了额外的65C02操作码和Hudson引入的操作码。

标准介质

NEC/Hudson并没有依赖于其他厂子似乎都喜欢的笨重而乏味的卡带，而是设计了另一种媒介，这次是一种信用卡大小的媒介，名为HuCard。 它们源自一种名为“Bee Card ”的旧媒介，一些MSX游戏曾使用过这种媒介。

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典型的零售游戏

奇怪的是，它们与世嘉卡（Sega Card）非常相似，但却包含38个引脚，而不是35个[13]。 内部差异则更为明显：

CD-ROM扩展

该扩展端口为大量配件和扩展装置打开了大门，最终将一个简单的PC Engine变得完全不同。 如果这还不够，HuCard插槽还能补充扩展的可能性。 我想说的是，在这篇文章中，我必须把重点放在显著的升级上（其中一些升级已被纳入控制台的未来版本中）。

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CD-ROM²读取器(TurboGrafx-16 版) [15]。 他们当时在做 Discman 业务吗？
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用于连接主机和读取器的底座[16]。 它还提供电源和复合视频输出。
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所有组件组合起来的样子[17]

让我们来看看CD-ROM²扩展，它由一个CD-ROM读取器和一个名为系统卡（System Card）的特殊HuCard组成，后者充当BIOS引导游戏，并提供一些例程来连接读取器。 读取器内部有64 KB RAM用于一般用途，另外64 KB RAM用于ADPCM采样流，最后2 KB用于保存数据。 正如您所猜测的那样，这使得游戏开发人员能够利用额外的存储空间和CD音频，同时也为出版商提供了经济上的宽松条件，使他们能够以非专有媒体的方式发行游戏。

几年后，NEC推出了另一款CD模块，名为超级 CD-ROM²（Super CD-ROM²），虽然读取器的硬件基本保持不变，但其通用 RAM 增加到了 256 KB。 已经拥有CD-ROM²设备的客户可以通过购买超级系统卡（Super System Card）进行 “升级”，超级系统卡包括额外的RAM（和一个额外的输入/输出例程！）。 除此之外，NEC 后来还提供了名为街机卡（Arcade Card）的新BIOS更新，其中包含2 MB内存。

基于CD的游戏严格依赖于为其开发的BIOS卡，尽管较新的卡可以向后兼容（但也有例外）。 因此，对于想玩几乎所有基于CD-ROM的游戏的用户来说，街机卡是首选。 我之所以提到“几乎”，是因为第三方公司也推出了自己的 BIOS 卡（即 “Games Express CD 卡”），要玩该工作室的游戏，就必须使用这些卡。

随着超级CD-ROM²的推出，NEC/Hudson还推出了PC-Engine/TurboGrafx-16的新变体Turbo Duo，它将控制台、读卡器和BIOS卡捆绑在一个包装中。

其它扩展

如果您想了解已发布的其他扩展，请查看在线目录[18]。

反盗版和自制游戏

HuCard卡带会锁区，这意味着PC-Engine游戏不能在TurboGrafx-16上开箱即用（反之亦然）。 这是因为数据线的顺序在美版上是颠倒的。 正如您所猜测的那样，这不是一个廉价转接器无法解决的问题。 不过，游戏中可能会包含检查系统区域的例程。

另一方面，CD-ROM游戏既不锁区也不防拷，但请记住，它们仍然需要系统卡来启动（这是有区域锁定的）。

这就是全部了，伙计们。

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我的PC Engine通过射频线输出显示（怀旧用途… …我认为）。 非常感谢 Matt 的捐赠！

就这样了！ 您刚刚阅读了今年的最后一篇文章。

对于网站来说，2020年是“有趣”的一年（抛开那些影响我们所有人的负面事件不谈）。 这一年从Wii文章开始，然后是PS2、Xbox、任天堂DS、Master System，最后是这篇文章。

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Rodrigo

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    author = {Rodrigo Copetti},
    year = {2020}
}

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[1]R. Copetti, "PC Engine / TurboGrafx-16 架构 - 一份实证分析", Copetti.org, 2020. [Online]. Available: https://www.copetti.org/zh-hans/writings/consoles/pc-engine/. [Accessed: day- month- year].
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Rodrigo Copetti

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