NES专题——PPU工作原理
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摘要
一、2C02概述
二、PPU内存映射
三、PPU寄存器
四、调色板
五、图案表
六、名称表/属性表
七、精灵
八、滚动
九、电视标准
十、参考资料
摘要
本文介绍了NES游戏机上PPU的工作原理以及背景和精灵图像的显示方法，本文参考《Nintendo Entertainment System Documentation（任天堂娱乐系统文档）》，如需对PPU进一步的了解可以查阅该文档。在查资料的时候也发现了一篇写的很好的文章，我附在了文章最后的参考资料里。
一、2C02概述
在6502的基础上，理光也提供了2C02作为PPU（Picture Processing Unit 图形处理单元），相当于现在的显卡。PPU的寄存器主要位于CPU内存的I/O寄存器部分，地址为$2000-$2007和$4014。另外，还有一些特殊的寄存器用于屏幕滚动。（“$”在文中代表16进制的意思）。
二、PPU内存映射
PPU有自己的内存，称为VRAM(Video RAM)。与CPU一样，PPU也可以寻址64 KB的内存，尽管它只有16 KB的物理RAM。PPU的内存映射如下图所示。左边部分显示了一个简化的版本，这是由右边部分详细说明的。由于物理地址空间和逻辑地址空间的不同，任何超过$3FFF的地址都被包装起来，使逻辑内存位置$4000-SFFFF实际上成为位置$0000-$3FFF的镜像。
可以通过使用CPU内存中的I/O寄存器$2006和$2007来完成对PPU内存的读写。这通常是在帧末的V-Blank期间完成的，因为它影响在绘制屏幕时使用的地址，因此会破坏显示的内容。然而，这个效果可以用来产生分割屏幕效果。
由于PPU内存使用16位地址，但是I/O寄存器只有8位，所以需要两次写入$2006来设置所需的地址。数据可以从$2007读取或写入。每次写入到$2007之后，地址将按照$2000的第2位的要求增加1或32。$2007的第一次读取是无效的，数据将在下一次读取时被缓冲并返回。这不适用于调色板。
PPU还有一个单独的256字节的内存区域，即Sprite RAM (Sprite RAM)，用于存储Sprite（精灵）属性。精灵本身可以在模式表中找到。（精灵指的是游戏中的角色或者怪物）。
PPU内存映射图
三、PPU寄存器
CPU和其他设备之间的通信通过内存映射I/0寄存器进行。PPU使用的寄存器位于主存中，价格为$2000-$2007，另一个寄存器用于直接内存访问，地址为$4014。请记住，位置$2000-$2007在$2008-$3FFF区域中每8个字节镜像一次。CPU可以通过写入$2000和$2001来控制PPU的动作，分别称为PPU控制寄存器1和PPU控制寄存器2，这两个寄存器是只写的。$2000的第7位可以用来禁用NMIs。请记住，这种类型的中断是在出现V-Blank时产生的，并且不受状态寄存器的中断禁用标志的影响。由于NES同时支持8x8和8x16的精灵，所以清除这个位将防止NMI在V-Blank上发生，设置$2000的第5位将切换到8x16的精灵。每次I/O发生后，PPU内存中要读写的下一个地址将增加。通过设置$2000的第2位的值来调整要增加的值。如果该位是清除的，地址增加1(水平)，否则增加32(垂直)。使用$2001，背景可以通过清除第3位隐藏，同样，精灵可以通过清除第4位隐藏。
PPU状态寄存器位于$2002并且是只读的，寄存器被PPU用来向CPU报告它的状态。程序将频繁地让CPU去读取这个地址以确定PPU的状态。第7位由PPU设置，以指示V-Blank正在发生。第6位和第7位与精灵有关，将在后面介绍。第4位表示PPU是否愿意接受对VRAM的写操作，如果该位清除，则写操作会被忽略。当从$2002读取数据时，第7位被重置为0，就像$2005和$2006一样。
直接内存访问（DMA）
在设备之间传输大量数据时，通过处理器传输数据是低效的。例如，将数据从CPU内存传输到精灵内存需要以下步骤:
（1）将所需的SPR-RAM地址加载到CPU。
（2）写入所需的SPR-RAM地址到$2003。
（3）加载字节到CPU。
（4）将字节写入$2004。
当填充精灵内存的内容时，这项技术需要重复256次。直接内存访问(DMA)是一种允许更有效地将数据从CPU内存复制到精灵内存的技术。使用DMA，整个精灵内存可以通过使用一条指令来填充，写入到$4014。CPU内存中的起始地址由操作数指定，写操作数乘以$100。从这个地址开始的256字节被直接复制到sprite内存中，而不需要进一步的CPU介入。当DMA发生时，内存总线正在使用中，从而阻止CPU访问内存，从而阻止它访问更多的指令。这被称为周期窃取，CPU必须等待DMA传输完成。在NES上，DMA相当于512个周期(大约4.5扫描行)，之后CPU可以恢复。这比通过CPU手动复制要少得多。
四、调色板
NES有一个包含52种颜色的调色板，尽管实际上有64个区域。然而，并不是所有这些都可以在给定的时间显示。NES使用两个调色板，每个有16个条目，图像调色板($3F00-$3F0F)和精灵调色板($3F10-$3F1F)。图像调色板显示当前背景块可用的颜色。精灵调色板显示精灵当前可用的颜色。这些调色板不存储实际的颜色值，而是系统调色板中的颜色索引。由于只需要64个唯一值，所以可以忽略第6和第7位。
调色板条目$3F00是背景色，用于透明。使用镜像使调色板中的每四个字节是$3F00的一个副本。因此，$3F04、$3F08 $3FOC、$3F10、$3F14、$3F18和$3F1C只是$3F00的副本。每个调色板的颜色是13，而不是16。因此，在任何时候，屏幕上的颜色总数是52种颜色中的25种。两个调色板也镜像到$3F20-$3FFF。
五、图案表
NES有两个图案表，分别为$0000和$1000。图案表存储可以在屏幕上绘制的8x8像素的块。许多游戏将图案表存储在磁带的CHR-ROM中，但是，没有CHR-ROM的游戏将使用RAM作为图案表，并在执行期间填充它们。图案表存储标识该像素使用的图像或精灵调色板索引所需的4位数字中最不重要的两位，比如00b是调色板条目0，01b是1，10b是2，11b是3。
图案表
上图显示了图案表的工作方式。字符“A”是最后的结果，显示在底部。该字符是通过从左上角和右上角各取一个比特来构建一个像素，从而生成一个2比特的颜色。颜色的其他两位来自属性表。显示的颜色不是真正的NES调色板值。
六、名称表/属性表
名称表本质上是一个编号矩阵，指向存储在图案表中的编号。名称表是32x30块，由于每个块是8x8像素，所以整个名称表是256x240像素。
每个名称表都有一个相关的属性表。属性表包含颜色块的上两位。属性表中的每个字节表示4x4组块，因此属性表是这些组的8x8表。每个4x4组进一步划分为4个2x2的正方形，如下图所示。8x8块的编号是$0-$F。字节的布局为33221100，其中每两位指定对应正方形的最有效的两个颜色位。
4X4编号组布局
NES只有2KB来存储名称表和属性表，允许它分别存储两个。然而，它最多可以解决其中的四个问题。镜像是用来实现这一点的。以下描述了四种镜像类型，它们使用逻辑名称表的缩写(可以寻址的)：L1($2000)、L2($2400)、L3($2800)和L4 ($2C00)。
（1）水平镜像将L1和L2映射到第一个物理名称表，将L3和L4映射到第二个物理名称表，如下图所示。
水平镜像
（2）垂直镜像将L1和L3映射到第一个物理名称表，将L2和L4映射到第二个物理名称表，如下图所示。
垂直镜像
（3）单屏幕镜像将所有四个逻辑名称表指向同一个物理名称表，如下图所示。
单屏幕镜像
（4）四屏镜像在磁带本身中使用额外的2KB RAM，允许逻辑名称表映射到各个独立的物理名称表，如下图所示。
四屏幕镜像
七、精灵
精灵是要画在屏幕上的角色。精灵可以是8x8像素，也可以是8x16像素。大多数角色是由多个精灵组成的。精灵图案数据存储在模式表中，而精灵属性存储在ram中。最多有64个精灵，每个精灵在ram中使用4个字节。字节的工作方式如下：
字节0：存储精灵的y坐标。
字节1：图案表中精灵的索引号。
字节3：存储精灵x坐标。
字节2：存储精灵的属性表。
（1）Bits 0 -1——颜色的最重要的两位。
（2）Bit 5——表示这个精灵是否比背景拥有显示的优先权。
（3）Bit 6——表示是否水平翻转精灵。
（4）Bit 7——表示是否垂直翻转精灵。
8x16精灵根据索引号使用不同的模式表。如果索引号是偶数，则精灵数据位于第一个模式表中的$0000。否则，它在第二个模式表中为$1000。
可以一次读取或写入一个精灵，方法是先将所需的地址写入$2003，然后读取或写入$2004。或者，整个SPR-RAM可以通过一个DMA操作在$4014处写入。
精灵的优先级是基于他们在SPR-RAM中的位置。第一个精灵称为sprite 0，具有更高的优先级。在每一行，系统会计算出哪些精灵在哪一行，然后画出它们，最低优先级优先，以确保高优先级的精灵画在最上面。每个扫描线只允许8个精灵，系统通过设置$2002的I/O寄存器第5位来指示何时达到这个数字。
用于滚动的一个常用技术涉及到确定sprite 0是否重叠了一个不透明的背景像素。如果系统正在绘制sprite 0，并且其中任何不透明的像素与不透明的背景像素处于相同的位置，那么系统将在$2002的第6位中设置sprite 0 hit标志。因此，如果背景块只包含透明像素，那么sprite 0 hit标志将不会被设置。下图显示了sprite 0检测。左边的图像显示背景，中间的图像显示精灵，右边的图像显示两者的合成。颜色0表示透明度，圈内的像素表示设置了sprite 0 hit标志的位置。
sprite 0 检测图
精灵通常比单个字符大，因此由多个字符组合而成。例如，如下图显示了马里奥角色是如何由8个独立的8x8字符组成的。
精灵的构建
八、滚动
背景可以水平或垂直滚动，滚动使用单独的名称表。在任何给定的时间，屏幕上的背景要么直接取自一个名称表，要么是两个名称表的组合。如下面两张图所示，第一张图显示了两个名称表的内容（另外两个当然是镜像），第二张图显示了屏幕上显示的合成图像，包括精灵。
”超级玛丽”中的水平滚动
合成图像
最后的图像从第一个名称表开始，一直延伸到第二个名称表。第一张图显示了两个名称表之间的灰线分隔。两条蓝线表示屏幕上显示的区域。在屏幕的左边是已经显示的部分，现在已经从屏幕上滚动了。在屏幕的右侧是系统当前正在用前面的名称表填充名称的地方，当“马里奥”继续前进时，名称表将显示在屏幕上。正如被切成两半的云所展示的，并不是所有的区域都被系统填满了。有些游戏只允许在一个方向上移动，而有些则允许在两个方向上滚动。这是任天堂描述如下：
“PPU一次只能显示960个字符，但它实际存储的字符是这个数字的两倍。在单向滚动中，新字符不断地替换滚动后面的旧字符。这就是为什么在像《超级马里奥兄弟》这样的游戏中，屏幕只能向一个方向滚动。然而，在《大都会》中，玩家可以在两个方向上滚动，并不断地向滚动方向添加新角色。”
水平和垂直滚动的大致情况如下图所示，这里显示的名称表A是由$2000的0-1位指定的，B是后面的名称表(这取决于镜像技术)。这不适用于允许同时水平和垂直滚动的游戏，背景图像将跨越名称表。
水平和垂直滚动
用于背景的名称表
滚动的工作方式在[8]中进行了描述，并在这里进行了总结。系统维护一个16位的VRAM地址寄存器，其值设置为$2006。寄存器的布局如下：
Bits 0-11——将名称表中的地址存储为$2000的偏移量。BIts 0-4是x-scroll（指示X方向上的滚动），并随着线条的绘制而递增。当这个值从31增加时，它将清0并交换Bit 10。Bits 5-9是y-scroll（指示Y方向上的滚动）并在行尾递增。当从29开始增加时，它将清0并交换Bit 11。如果写入到$2007的值设置为大于29，那么当它达到31时，它将清0，但是第11位不受影响。
Bits 12-14：位是平铺y偏移量。
由于x-scroll和y-scroll表示平铺数字，因此允许32个平铺在屏幕上(256个像素)，30个平铺在屏幕上(240个像素)，总共960个平铺。
还有第二个临时VRAM地址寄存器，也是16位长。最后是3位平铺的x偏移量。这些数据通过写入寄存器和绘制帧来更新。
九、电视标准
NES连接电视向用户显示游戏。NTSC(国家电视标准委员会)是北美、南美大部分地区和亚洲部分地区使用的标准。PAL(相位交替线)是欧洲、亚洲大部、非洲和大洋洲所采用的标准。下表显示了NES的NTSC版本和PAL版本的区别。
| NTSC | PAL | |
| 帧/秒 | 60 | 50 |
| 时间/帧(毫秒) | 16.67 | 20 |
| 扫描线/帧(其中为V-Blank) | 262(20) | 312(70) |
| CPU周期/扫描线 | 113.33 | 106.56 |
| 分辨率 | 256x224 | 256x240 |
| CPU速度 | 1.79MHz | 1.66MHz |
电视屏幕上显示的图像是由高速电子流在屏幕上从左到右移动，画出每个像素。一行像素作为扫描线。在扫描线的末端，电子束必须移动到下一行并返回到左边才能继续。完成此操作所需的时间称为水平空白周期(H-Blank)。
在绘制屏幕一次后，电子束必须回到左上角，准备开始下一帧。执行此操作所需的时间称为垂直空白周期(V-Blank)。当进入V-Blank周期时，PPU通过设置I/0寄存器$2002的第7位来表明这一点。这个位将在CPU下一次读取$2002时重置。
在NES的NTSC版本中，屏幕上有240行扫描线(尽管顶部和底部的8行被切断了)，它需要额外的3行扫描线的CPU周期输入V-Blank。在绘制下一帧之前，V-Blank周期又需要20行扫描线。
十、参考资料
文章：
《说说小霸王学习机的PPU》http://blog.sina.com.cn/s/blog_50658d150102xc4b.html
《Nintendo Entertainment System Documentation（任天堂娱乐系统文档）》
资料链接：
https://pan.baidu.com/s/1QhbK6ADAHqe1mHkKGALH6A 提取码：rr69