童年神机小霸王原理(五)滚屏渲染2

发表于 2年以前 | 总阅读数：424 次

Render&Scroll

本文继续来说滚屏渲染，讲述每条 Scanline 每个周期具体干些什么事情以及一些高级玩法，屏幕分割技术，看看前面所说的大片级效果是如何制作的。

还是先来看渲染部分，PPU (NTSC TV)每一帧渲染 262 条 scanlines，每条 scanline 又持续 341 个时钟周期，

对此，wiki 上有一张很详细的图，看懂了，就大致明白了：

上面一排数字表示周期，左边一列数字表示第几条 Scanline，也可以当作坐标来看，(scanline，cycle)，下面来详细地解读一下上图

scanline 0-239

这是可见的 240 条 scanlines，每个周期干的事情如下：

cycle 0

渲染的帧分奇偶，如果是奇数帧，这个周期直接跳过，如果是偶数帧，这个周期什么都不做 idle。奇数帧跳过一个周期是为了补偿物理信号输出方面的缺点，使其有更好的画面显示(emm具体的这方面不太懂，有知道的还请指教)

cycle 1 - 256

这 256 个周期循环往复取 4 个数据：

NameTable 中的 tile 索引
AttributeTable 中的颜色信息
根据 tile 索引取 tile 低位
根据 tile 索引取 tile 高位

每个数据花费 2 个周期，4 个数据 8 个周期取完，这刚好与 shift 寄存器每 8 个周期重新装载吻合。

cycle 8/16/24...

每 8 个周期，增加寄存器 v 中 X 坐标值：

if ((v & 0x001f) == 31){
    v &= ~0x001f;
    v ^= 0x400;    //切换NameTable
}else
    v += 1;

如果 v 的 X 坐标值小于 31，那么 X 直接加 1，如果等于 31，X 值归零，切换横向 NameTable，举个例子：

v 跟 0x400 进行异或运算，使得 NN 部分从 00->01 或者 01->00，10->11，11->10，四个 NameTable 的逻辑布局图前文说过，这里再来看一下：

0x2000 表示 NameTable 00，0x2400 表示 NameTable 01，0x2C00 表示 NameTable 10，0x2800 表示 NameTable 11，所以横向切换 NameTable 就是在水平方向相邻的两个 NameTable 之间切换。

cycle 256

在第 256 个时钟周期，增加 v 的 Y 坐标值，表示这一行像素数据已经取完，该准备下一行的数据了，所以增加 Y 的值，Y 值增加稍显复杂，来看伪代码：

if ((v & 0x7000) != 0x7000){       // if fine Y < 7
  v += 0x1000                      // increment fine Y
}else{
  v &= ~0x7000                     // fine Y = 0
  int y = (v & 0x03E0) >> 5        // let y = coarse Y
  if (y == 29){
    y = 0                          // coarse Y = 0
    v ^= 0x0800                    // switch vertical nametable
  }else if (y == 31){
    y = 0                          // coarse Y = 0, nametable not switched
  }else{
    y += 1                         // increment coarse Y
  }
  v = (v & ~0x03E0) | (y << 5)     // put coarse Y back into v
}

如果 fine_y < 7，那么之间 fine_y ++

如果 fine_y = 7，那么说明该切换纵向的下一个 tile 了，且 fine_y 回到 0，表示从新 tile 的第一行开始，此时还要检查 coarse_y，看看是否需要切换纵向 NameTable，纵向有 240 条可见 scanlines，即个 tile，即 30 行之前是 NameTable，剩下的两行是 AttributeTable：

如果 coarse_y < 29，那么 coarse_y ++ 即可
如果 coarse_y = 29，那么 coarse_y 归 0，切换纵向 NameTable，道理同切换横向 NameTable 不再多说
coarse_y 是可以设置成 [30, 31]，这样会把 AttributeTable 中的内容当作 NameTable，理论上是错误无效的，不过也有这么干的。这种情况 coarse_y 直接归 0，不切换 NameTable

cycle 257

这个周期将 t 的 X 坐标值复制到 v 中，为什么呢？可以这样理解，现在这一行我们已经处理完了，该准备处理下一行了。cycle 256 已经使得 Y 指向下一行了，这里还需要使得 X 指向”行首“，这里的行首就是向 0x2005 写入的 X 坐标值，表示水平方向从哪开始渲染。

cycle 257-320

精灵相关，见后

cycle 321-336

取下一行背景需要的 2 个 tile，并且加载到 shift 寄存器。同样的是那 4 个数据：

NameTable byte
NameTable byte
PatternTable tile low
PatternTable tile high

同样每个取每个数据 2 周期，4 个数据 8 周期，总共 16 个周期，取两轮与 2 个 tile 吻合。

cycle 337-340

这 4 个周期取两个数据：

NameTable byte
NameTable byte

用处不明，mapper MMC5 会用到，但基本上这个没什么用。

Post-render(240)

scanline 240 为 post-scanline，不干什么事，空闲

V_Blank(241-260)

scanline 241-260 这 20 条 scanline 为 V_Blank 时间，这段时间的第一个(从0计数)周期设置产生 NMI 中断。这段时间内 PPU 不会访存，所以程序可以安全地访问 VRAM，这段时间也就是 CPU 来处理 NMI 中断的。前文曾提过，NMI 期间就可以重新填充 NameTable 来加载新的场景，设置 0x2005 scroll 寄存器来控制滚屏等等。

pre-render(-1or261)

scanline -1 或者 261 用作预渲染，一般模拟的时候当作 -1 来模拟较为方便。它的主要作用是为下一行做准备，这一行是不会渲染输出的，只是访存取数据。从图上可以看出与其他可见行没多少不同，直接来看不同的周期：

cycle 1

这个周期清除一些标志位：V_Blank，sprite 0 还有 sprite overflow，

cycle 280-304

每个周期将 t 的 Y 坐标值复制到 v

visible and pre scanline

这里对应着那张图的最后一行，描述可见的 240 条 scanline 和预渲染的 1 条 scanline

cycle 1

同样的空闲

cycle 1-64

清空 Secondary OAM，指的是将 Secondary OAM 初始化为 0xFF

cycle 65-256

为下一行的精灵做评估，就是说计算下一行将会有哪些精灵需要渲染。

奇数 cycle 从 Primary OAM 读取数据，偶数 cycle 向 Secondary OAM 写数据

下面来看具体怎么评估，伪代码如下：

struct SPRITE_ENTRY{
    unsigned char y;          //y坐标
    unsigned char id;         //使用的tile索引
    unsigned char attribute;  //该精灵的属性
    unsigned char x;          //x坐标
}

struct SPRITE_ENRY POAM[64];  //Primary OAM 64个精灵，每个精灵4个属性byte
struct SPRITE_ENTRY SOAM[8];  //Second OAM

int sprite_cnt = 0;   //目前已经评估了下一行有多少个精灵
int OAM_entry = 0;    //评估第几个精灵

// int scanline;   //当前正渲染第几条 scanline
// unsigned char control;  //control 寄存器里面的值

while(OAM_entry < 64){
    int diff = scanline - POAM[OAM_entry].y;
    int sprite_high = control.sprite_size ? 16 : 8;   //获取精灵的高度,是8*8的还是8*16的
    if(diff >= 0 && diff < sprite_high){   //如果该精灵在下一行上
        if(sprite_cnt < 8){     //如果精灵计数小于8，加进SOAM
            memcpy(&SOAM[sprite_cnt], 
                   &POAM[OAM_entry], 
                   sizeof(struct SPRITE_ENTRY));
        }
        sprite_cnt++;
    }
    OAM_entry++;
}

私以为伪码还是挺清晰的，不太明白的话再来看看示意图：

cycle 257-320

取下一行精灵需要的数据，同样的是那 4 个数据：

Garbage NameTable byte
Garbage NameTable byte
PatternTable tile low
PatternTable tile high

同样的每个数据需要花费 2 个周期，这里有朋友可能会发现，Garbage NameTable byte？NameTable 里面存放的是背景 tile 索引，而不是精灵的，精灵使用的 tile 索引存放在 OAM，之所以这里取精灵需要的 tile 也是这么个形式，是为了精灵可以重用背景的电路。

这里总共花费 64 个周期，，与每一行支持的精灵数 8 吻合。

屏幕分割

到此每条 scanline 每个周期干啥说完了，下面来说一些高级玩法，就是屏幕分割技术。

split X scroll

split X scroll 需要用到 sprite 0 hit，主要的作用可以用来制作静止的分数，血条等等，举个马里奥的例子：

深色部分是不会像下面浅色部分滚屏的，感觉上面和下面分割开来，且只有水平方向的分割，所以叫做 split X scroll，下面来看看是如何实现的。

I sprite 0 hit

先来了解什么叫做 sprite 0 hit，sprite 0 hit 就是说如果第 0 个精灵的不透明像素与背景不透明像素重合的话，就将 0x2002 PPUSTATUS 状态寄存器的 bit6 置 1，表示触发了 sprite 0 hit。

这有什么作用？它是 PPU 与 CPU 同步的一种手段，当 V_Blank 触发 NMI 时，CPU 只是知道当前帧渲染完了，准备下一帧，这个时间同步不精细。于是创造一个 sprite 0 hit，编程人员将 sprite 0 放在一个特定位置，当触发 sprite 0 hit 时，CPU 就知道，哦，原来渲染到这条 scanline 了。

我们就可以利用这个特性来实现 split X scroll，我们就以超级马里奥为例子，来看 split X scroll 如何实现的。

II Implement

首先看超级马里奥的 sprite 0 在哪儿：

这是游戏刚开始的“两个”精灵，其中上面那个就是 sprite 0，具体在哪儿？

具体的，就是在金币的下方，金币是背景，且不是使用的通用背景色，sprite 0 也不是透明色，所以每一帧渲染到这一行的 sprite 0 所在的位置时就会触发 sprite 0 hit。

之后就在 NMI 的中断处理程序中做文章：

NMI:
    LDA #$00
    STA $2006        ; 清理VRAM addr，也就是 t v 清0
    STA $2006

    LDA #$00         ; 设置滚屏地址为0，也就是先让分数条等不滚动
    STA $2005
    STA $2005

    LDA #%10010000   ; 使能NMI和选取NameTable
    STA $2000

这部分主要就是先清空寄存器 v 中存放的 VRAM 地址，然后设置滚屏地址为 0，即不滚屏。

WaitNotSprite0:
    lda $2002
    and #%01000000
    bne WaitNotSprite0   ; 等待sprite0 标志位清0

上述我们已经知道预渲染期间是会清零标志位的，其中就包括 sprite0。

WaitSprite0:
  lda $2002
  and #%01000000
  beq WaitSprite0      ; wait until sprite 0 is hit

然后这里就等待 sprite 0 hit

  ldx #$10
WaitScanline:
  dex              ; 递减
  bne WaitScanline ; 等待sprite0这一行渲染完成

  LDA scroll       ; 设置水平滚屏地址
  STA $2005        
  LDA #$00         ; 纵向不滚屏
  STA $2005

触发 sprite 0 hit 之后，我们要先等待 sprite 0 所在的这一行渲染完成，经验值大概 16 次运算(上述递减)就差不多了。

之后将新的滚屏地址写进 0x2005 即寄存器 t 里面去，这就完成了 split X scroll。

可能有朋友疑惑为什么能行，这里就联系上面讲述的内容，每条 scanline 的 257 cycle，会重新将 t 中的 X 坐标复制到 v 中，所以实现了在渲染中途改变滚屏地址，实现 split X scroll。

这里再总结一下如何实现 split X scroll：

设置滚屏地址为 0，主要是为了状态条不滚动
等待清除 sprite 0 标志位
等待触发 sprite 0 hit
延迟一会儿，等待 sprite 0 所在行渲染完成
重新设置滚屏地址

这里可能有朋友疑惑，为什么要先等待 sprite 0 not hit 然后再等待 sprite 0 it，这里我们假设没有等待 sprite 0 not hit，那么 V_Blank 期间会一直检测到 sprite 0 hit，但实际上这只是当前帧的 sprite 0 hit，下一帧的 sprite 0 hit 还没到，所以需要等待 sprite 0 not hit。

split X/Y scroll

sprite X scroll 总的来说还是简单，设置滚屏地址只需要写 0x2005 就行了，但是如果想要在纵向也滚屏，那么只写 0x2005 就行不通了。因为每一行的 257 只会将 t 的 X 坐标值复制到 v，不会复制 Y 坐标值，预渲染会复制 Y 坐标值，但是每一帧只有一条预渲染 scanline，这时复制 Y 坐标值并不能实现渲染中途更改 Y 坐标值。

所以得另想它法，在前文滚屏渲染基础部分我们说过连续两次向 0x2006 写入数据后，t 中全部数据都会复制一份到 v。因此我们利用 0x2005 和 0x2006 来实现 split X/Y scroll

这里又因为 0x2005 和 0x2006 共享 w 和 t，且两者写入数据方式不太一样，具体的话我再放一遍图片，详细情况可以看前文：

正因为两者写入数据的差异，所以有如下所示的写入顺序和方式：

NameTable number << 2 to 0x2006
scroll Y to 0x2005
scroll X to 0x2005
((Y & 0xF8) << 2) | X >> 3

当然也可以不这样，wiki 上还列出的有另外的方式，但是这种比较简单，有兴趣的话可以模拟走一遍，如此的确是能将 X/Y 写进 t 然后复制到 v 的，这里直接看 wiki 上给出的一个例子理解一下这个过程：

这种方式会立即设置 v，加之前面我们知道每一行有的周期会增加 X 有的周期会增加 Y，所以写入时间很重要。通常最后一个写入要在 H_Blank，前面我们多次提到垂直消隐 V_Blank，其实也还有个水平消隐 H_Blank，它发生在一条 scanline 末尾，通常将 cycle 257-320 视作 H_Blank。

cycle 256 会增加 Y 的值，所以如果在 256 之前写入，那么实际写入 0x2006 的值应为 Y-1，具体有没有一个什么参照使得写入时间确定呢？应该是没得的，我目前没发现相关资料，看到的代码都是经验值，可以使用 sprite 0 hit 来大致确认，但精确参照应该是没得的，这里有份大佬的代码，有兴趣的可以看一眼：


    ;Write nametable bits to t.
    lda splitNT
    asl    
    asl
    sta PPUADDR

    ;Write y bits to t.
    lda splitY
    sta PPUSCROLL

    ;The last write needs to occur during horizontal blanking
    ;to avoid visual glitches.
    ;HBlank is very short, so calculate the value to write now, before HBlank.

    and #$F8
    asl
    asl
    sta tmp

    lda splitX
    ;Write the X bits to t and x.
    sta PPUSCROLL       

    ;Finish calculating the fourth write.
    lsr
    lsr
    lsr
    ora tmp

    ;Wait for HBlank.
    ldx #06     ;How long to wait. Play around with this value 
                ;until you don't have a visual glitch.
loop:
    dex
    bne loop

    ;Write to t and copy t to v.
    sta PPUADDR

这份代码的意思就是上述所说的 4 次写入，只是增加了个等待 H_Blank，就不具体解释了。

好了本文就讲述这些，主要继续滚屏渲染的话题，有什么还请批评指正。