Пишем эмулятор приставки ч2, или немного о CHIP16

В предыдущей своей небольшой заметке я описывал принцип построения эмулятора старой игровой платформы CHIP-8 из далеких 70-х. Здесь же речь пойдет о своего рода наследнице – CHIP16. Итак, что же такое CHIP16?

CHIP16 – “вымышленная” игровая приставка, которой никогда не существовало в “железе”. Всю спецификацию на нее разрабатывали (-ют) энтузиасты с одного англоязычного форума. Смысл в том, чтобы максимально упростить написание эмулятора, иметь хорошую документацию и поддержку комьюнити. Тем самым позволяя даже новичкам в программировании создать полностью рабочий эмулятор с нуля на фактически любом языке программирования. Сразу оговорюсь, что здесь я не буду приводить примеры кода эмулятора, цель – просто рассказать об этой платформе. И да, конечно все Just for fun!

Предыстория

А все началось где-то в 2010 году, с тех пор спецификация приобрела номер версии 1.1, основные недочёты были устранены, были написаны основные инструменты для создания игр и других программ под эту платформу (ассемблер, отладчик, конвертер изображений и прочее). Основное отличие от той-же CHIP-8 это наличие большего разрешения экрана, большего количества цветов, большего количества арифметических и других инструкций, улучшенной поддержки звукового сопровождения и отсутствие недокументированных фич.

Приставка имеет 16-ти разрядный процессор, память, два устройства ввода (джойстики типа Dendy), звуковую и видео подсистему. Рассмотрим всю эту кучу подробнее.

Процессор

Процессор включает:

• Один 16-разрядный счетчик команд (PC)
• Один 16-разрядный указатель стека (SP)
• Шестнадцать 16-разрядных регистра общего назначения (R0 – RF)
• Один 8-разрядный регистр флагов

Выполнение каждого опкода (команды процессора) занимает ровно один цикл, процессор работает на частоте 1 Mhz. Здесь я оговорюсь, что на самом деле, пока частота не ясна до конца, и каждый выполняет на эмуляторе команды быстрее, чем 1 Mhz. Иногда с максимальной скоростью эмуляции. В общем пока можно не заморачиваться по этому поводу.

Память

Всего 64Kb (65536 байт). Память распределяется следующим образом:
0x0000 – Начало бинарных данных
0xFDF0 – Начало стека (512 байт).
0xFFF0 – Порты ввода/вывода (I/O, для отслеживания состояния джойстиков).

Видео

Разрешение экрана 320x240 пикселей. Одновременное количество отображаемых цветов – 16 из стандартной палитры.

Есть возможность устанавливать собственную цветовую палитру. Частота обновления экрана 60 кадров в секунду, при этом каждый кадр выставляется внутренний флаг Vblank (через каждые ~16ms). Процессор имеет возможность ожидать завершения отрисовки кадра с помощью инструкции VBLNK. Изображение формируется из спрайтов, прямого доступа к видеопамяти нет. Помимо основного слоя, где рисуются спрайты, присутствует слой фона, который заполняет весь экран одним из 16-ти цветов.

Экран зеркально не отображается, таким образом все, что не влезло в физические координаты – остается за экраном и не отображается. Из этого следует, что спрайты могут иметь отрицательные координаты (либо превышающие 320x200). Если взять спрайт 4x4 пикселя и, к примеру, отдать команду нарисовать его по координатам (-2,-2), то в верхнем левом углу экрана отобразиться часть спрайта размером 2x2 пикселя.

Так, как всего возможных цветов в палитре 16, то чтобы закодировать одну точку на экране необходимо 4 бита. Один байт является блоком из двух точек. Минимальный спрайт состоит из одного байта – это спрайт размером 2x1 (две точки). Давайте для примера посмотрим как закодировать спрайт размером 8x5 пикселей, если учесть что белый цвет в стандартной палитре это цвет с индексом 0xFh, а черный — с индексом 0x1h

Итого, 20 байт. То есть (8 x 5) / 2 = 20

Если новый спрайт перекрывает любые уже существующие пиксели на экране (за исключением пикселей с нулевым цветом – они прозрачны), то устанавливается флаг переполнения (carry flag). Таким образом, можно отслеживать столкновения и коллизии объектов на экране в играх.
Для назначения собственной цветовой палитры вместо стандартной существует специальная команда процессора PAL. Каждый цвет палитры состоит из 3-х байт, в формате RGB. Так как используется всего 16 цветов, то команда PAL прочитает из памяти массив в 48 байт и назначит RGB компоненты цветам с индексами 0x0, 0x1,..,0xF. Палитра сменяется после получения процессором команды VBLNK.

Звук

В начальных версиях присутствовала возможность проигрывать только три фиксированных тона (500Hz, 1000Hz, 1500Hz) определенное количество миллисекунд, но затем добавилась возможность использовать звуковой генератор типа ADSR

Устройства ввода (джойстики)

Доступ к информации с джойстиков осуществляется посредством отображаемых в памяти портов ввода-вывода. Первый джойстик по адресу 0xFFF0, второй – 0xFFF2.
Bit[0] – Up (Вверх)
Bit[1] — Down (Вниз)
Bit[2] — Left (Влево)
Bit[3] — Right (Вправо)
Bit[4] — Select (Выбор)
Bit[5] — Start (Старт)
Bit[6] — A
Bit[7] — B
Bit[8 — 15] — Не используются, всегда равны нулю.

Таким образом, прочитав значение из памяти по адресу 0xFFF0 в регистр и проверяя соответствующие установленные биты можно отслеживать какие кнопки в данный момент нажаты на первом джойстике.

Формат файлов-образов (ROM-файлов)

ROM файл (стандартное расширение .c16) содержит в себе заголовок и бинарные данные сразу после заголовка. Информация из заголовка может быть использована для определения версии спецификации и пр. Заголовок имеет постоянный размер 16 байт. Его формат:

Сразу за ним начинаются бинарные данные, которые всегда должны быть прочитаны в память начиная с адреса 0x0000. Счетчик команд должен быть установлен в соответствии со значением в заголовке. Как правило это 0x0000.

ROM-файлы могут и не иметь заголовка вовсе, так как он был введен в спецификацию сравнительно недавно.

Регистр флагов

Типы условий для команд условного перехода

Условия используются для команд условного перехода (прыжков) или команд условного вызова подпрограмм. К примеру: «jle метка» или «cno some_label2». В квадратных скобках приводится состояние флагов, когда условие срабатывает.

Так же можно использовать альтернативные мнемоники:

Команды процессора

Любой опкод CHIP16 занимает ровно 4 байта (32 бита).
HH — старший байт.
LL — младший файт.
N — nibble (4х-битное значение).
X, Y, Z — 4х-битный идентификатор регистра.

Где почитать подробнее, как «пощупать»?

Почитать подробнее можно, как я уже говорил, на англоязычном форуме.
— Первая (и уже устаревшая и закрытая) тема с обсуждением CHIP16
— Вторая тема с обсуждением (основная). Здесь вся информация собирается в первом посте темы. Там спецификация, инструменты, примеры программ. Нужна регистрация, что бы что-то скачивать с форума.

Хороший эмулятор RefCHIP16: code.google.com/p/refchip16/downloads/list Исходники на Си++, имеется возможность как простой интерпретации, так и AOT (Ahead Of Time) компиляции, что несомненно доставляет. Пожалуй единственный нормальный эмулятор, который корректно обрабатывает спецификацию 1.1 (в особенности ADSR звук).

Немного устаревший набор игр, демок и тестовых образов для CHIP16. Там же исходники на ассемблере для большинства программ: rghost.ru/38862474 Новые игры и программы выкладываются в теме на форуме.

Разработка

Программы и игры для CHIP16 пока в подавляющем большинстве пишутся на ассемблере. Скачать его можно здесь: code.google.com/p/tchip16/downloads/list Для примера, возьмем наш спрайт из этого топика (стрелочку) и выведем его на экран. Для этого открываем любой текстовый редактор, создаем пустой файл habr.asm и пишем туда команды:

     spr #0504       ; установим размер спрайта 8x5
     ldi r0,10       ; в регистр r0 - X координата
     ldi r1,10       ; в регистр r1 - Y координата
     drw r0,r1,arrow ; выведем спрайт на экран по координатам (10,10)

end: jmp end         ; бесконечный цикл

; Спрайт
arrow: db #f1, #11, #11, #ff
       db #f1, #1f, #ff, #ff
       db #f1, #f1, #ff, #ff
       db #f1, #ff, #1f, #ff
       db #f1, #ff, #f1, #ff

После чего компилируем программу с помощью данной команды:
tchip16.exe habr.asm -o habr.c16
Затем открываем получившийся файл habr.c16 в эмуляторе и наслаждаемся видом черной стрелочки на белом фоне :)

Для отладки сложных алгоритмов можно использовать мой отладчик — chip16debugger: code.google.com/p/chip16debugger/downloads/list

Пока альфа версия, говнокод, наверняка с багами, но лучше чем ничего. Иногда реально помогает словить баг.

Эмулятор… А что еще прикольного можно замутить?

Ну, например какой-нибудь компилятор (или транслятор) с языка высокого уровня. Я, например, пытался написать транслятор с паскале-подобного языка. Кое-что конечно получилось, но до полноценного языка явно не дотягивает. Вот такие программки можно было на нем писать:

var
   xPixels, yPixels, xStart, yStart, Xsize, YSize, maxiter : integer;
   xStep, yStep : integer;
   ix,iy,x,y,x0,y0,iteration,xtemp : integer;
   dist : byte;
   temp : byte;
   xx,yy : byte;

begin
  XPixels := 160;
  YPixels := 100;
  XStart := $FF9c;
  YStart := $FFce;
  XSize := 160;
  YSize := 100;
  MaxIter := 16;

  XStep := XSize div XPixels;
  YStep := YSize div YPixels;

  yy := 20;
  For iy := 0 to yPixels do
    begin
          xx := 0;
          For ix := 0 to xPixels do
            begin
               x := xStart + ix * xStep;
               y := yStart + iy * yStep;
               x0 := x;
               y0 := y;
               iteration := 0;
               Repeat
                     xtemp := ((x*x) div 48) - ((y*y) div 48) + x0;
                     y := 2*((x*y) div 48) + y0;
                     x := xtemp;
                     iteration := iteration + 1;
                     dist := ((x*x) div 48) + ((y*y) div 48);
                     If iteration = maxiter then dist := 4000;
               Until dist > 192;

               If iteration <> maxiter then
                If iteration > 1 then
                begin
                 temp := ((iteration shl 4) or iteration) shl 8;
                 temp := temp or ((iteration shl 4) or iteration);
                 DrawSprite(xx,yy,$0201,^temp);
                end;
               xx := xx + 2;
            end;
          yy := yy + 2;
    end;
end.

На выходе получалась тонна ассемблерного говнокода, который компилился вышеуказанным ассемблером tchip16. В итоге это как-то работало и давало такую картинку:

К сожалению забросил, не хватило скила довести все до релиза или хотя бы беты.

Что еще… Ах да, был случай интересный — хотели замутить CHIP16 демо-компо, типа написание демок под сабж. Ну а что, олдскульно, ресурсы ограниченны, это вам не шойдеры с гигами оперативы. В теории можно вполне крутить старые эффекты, так, как хоть тут нет фрейм-буффера, зато есть 32Kb оперативы под спрайт размером с весь экран. И 32Kb на код остается. Будет даже без морганий экрана. Моя небольшая демка sinedots (такие точки крутятся в пространстве, получается как-бы трехмерные). Правда я тут ступил, и выводил точки именно точками (спрайтами в один байт) из-за чего получается моргание.

Еще можно создать всю платформу аппаратно (для любителей ПЛИС и прочих транзисторов). А я быть может напишу свой эмулятор под эту железяку:

И пускай не совсем аппаратно с точки зрения аппаратности (там обычный MIPS процессор), зато все равно интересно.

Всем удачи!

Автор: tronix286