童年神机小霸王原理(四)滚屏渲染

发表于 2年以前 | 总阅读数：428 次

滚屏渲染(基础部分)

本文继续 PPU 的话题来讲述滚屏，从我们小时候玩游戏的经验知道 NES 是支持像素级滚屏的，这在当时那个年代是个创举，这也是为什么 FC/NES 那么火热的原因之一

那 PPU 是如何支持像素级的滚屏？这就要先来看看 PPU 的一些硬件部分。

内存映射寄存器

首先来看看映射到 CPU 地址空间的一些寄存器，也是 CPU 与 PPU 通信的端口。从本文开始十六进制数我还是用 0x 表示，用 $ 有太多的格式问题，前文我每个 $ 前面加上了 \ 转义，然后使用 mdnice 导格式始终有问题，所以干脆直接就使用 0x 算了，大家也还熟悉些，只是如果要对 nes 汇编开发的话十六进制数得使用 $，不过估计几乎也没人干这事。不多说了，来看 PPU 的寄存器：

PPUCTRL

控制寄存器(0x2000)：

bit0-1，选取 NameTable，00-0x2000, 01-0x2400, 10-0x2800, 11-0x2C00
bit2，有个专门的寄存器记录访问 VRAM 时的地址，每次访问现存 VRAM，这个值都要增长，0：增长 1 即水平移动，1：增长 32 即纵向移动
bit3，精灵使用哪个 PatternTable，0：0x0000, 1：0x1000
bit4，背景使用哪个 PatternTable，0：0x0000, 1：0x1000
bit5，精灵大小，0：，1：
bit7，在 V_Blank 开始的时候产生 NMI

基本上前文都说过，详细的情况后面也还会说到。

PPUMASK

mask 都知道啥意思，要屏蔽什么东西，所以这个寄存器就是来控制哪些渲染哪些不渲染：

bit0，0：显示正常颜色，1：显示黑白图像
bit1，1：渲染背景最左侧 8 列像素，0：不渲染
bit2，当精灵位于屏幕最左侧时，1：渲染精灵左侧 8 列像素，0：不渲染
bit3，1：渲染背景，0：不渲染
bit4，1：渲染精灵，0：不渲染

PPUSTATUS

状态寄存器，主要记录 3 个状态：

bit5：精灵是否溢出，精灵溢出是只当前扫描行有没有超过 8 个精灵，超过则该位置 1，表溢出

bit6：sprite 0 hit，当 sprite 0 的不透明像素与背景不透明像素重叠时该位置 1，这个主要用于屏幕分割，就是制造那大片级的效果

bit7：是否处于 V_Blank，是的话置 1

OAMADDR & OAMDATA & DMA

看到像是 addr 和 data 寄存器，大概就知道是是用 addr 来选取一个地址，然后从 data 寄存器对该地址上的内容进行读写。的确如此，这两个端口就是用来操作 OAM 这片空间的。这里要注意因为地址总线有 16 位，而数据只有 8 位，所以每次对地址相关信息读写时要连续操作 2 次。

However，一般不这样使用，因为每次传输数据经过 CPU，太慢，通常是 OAMADDR、OAMDMA(0x4014) 两个端口配合使用。DMA 大家应该很熟悉，这里一样的道理，只要将 CPU 地址空间中的精灵信息首地址(通常是 0x200)的高低 8 位分别填入 ADDR 和 DMA 中，DMA 就会自动将 CPU 地址空间中的精灵信息加载到 OAM，不用每次经过 CPU 中转速度大大加快。

而且大多数时间都不应该更改 OAM 里面的内容，通常情况下 OAM 里面的内容只应在 V_Blank 期间更改，因为其他时间段都处于渲染阶段，比如说当前帧渲染刚开始时坐标值表示精灵在地上，当前帧渲染要结束时修改坐标值使得精灵跑天上去了，这明显不合理是吧。

Scroll

滚屏寄存器，只写，连续写两次来决定哪一个像素位于屏幕左上角。举个例子直观了解，这是马里奥的两个 NameTable：

上图一个小格就是 8 个像素，如果我向 Scroll 先后写入 24，16，则会从下图所示位置开始渲染：

ADDRESS&DATA

PPUADDR 寄存器地址 0x2006，PPUDATA 寄存器地址 0x2007，同样的还是 addr/data 的方式读写内存。只不过这里的内存是 PPU 地址空间的内存，也就是说可以通过这两个寄存器访存 PPU RAM，PatternTable，Pallete，其他的没啥说的，基本一样。

内部寄存器

这一部分讲述 PPU 内部不可见的寄存器，前面那几个内存映射的寄存器我们是可以操作访问的，但是下面这几个寄存器是不能直接访问的，来看：

v

Currrent VRAM address，15 bit，即 v 里面存放的是当前访问要 VRAM 的地址

t

Temporary VRAM address，15 bit，临时存放要访问的 VRAM 地址，或者存放滚屏地址，关于这后面详细解释。

x

fine X Scroll，3bit 存放滚屏时 x 轴方向的细致地址，关于滚屏后面详细说明。

w

toggle，1bit，一个开关，因为地址有 16bit，数据总线只有 8bit，所以写地址需要连续写两次，因此需要一个 toggle 来记录是第一次写还是第二次写。

滚屏简析

滚屏前面在 Scroll 寄存器的地方说过一点，这里稍微详细地解释一下，也是解释内存映射寄存器和其内部的寄存器的关系。

前面我们说过向 Scroll 寄存器连续写两次(X 地址和 Y 地址)就可以设定哪一个 NameTable 的哪一个像素位于屏幕的左上角。虽然 NameTable 实际上是存放着一屏 tile 的索引，但是我们从逻辑上可以看作就是一屏 tile。

其中设定哪一个 NameTable 是通过写 0x2000 PPUCTRL 寄存器的低 2bit

而 X 地址可以分为 coarse X 和 fine X，简单的翻一下就是粗糙的 X 地址和细致的 X 地址(有啥好的翻译？？)，Y 地址同样也是如此，可以分为 coarse Y 和 fine Y，什么意思呢，直接来看图：

还是很好理解吧，coarse 表示某个 tile 的坐标，fine 表示这个 tile 内某个像素的精确位置

而这与 t v x t 啥关系呢？

如果 t，v 表示滚屏地址的话，它们有如下的结构：

图示很清晰不再解释，只是这里少了 fine X scroll，fine X 单独存放在 x 寄存器里面。

向 0x2000 写的数据低 2 bit 写进 t 的相应位置，表示使用哪个 NameTable

当 w = 0 即第一次向 Scroll 寄存器写时，X 地址的高 5 位写进 t 的低 5 位，数据低 3 位写进 x，写后将 w 置 1 表示下一次写将是第二次写。

当 w = 1 即第二次向 Scroll 寄存器写时，Y 地址直接写进 t 的相应位置，写后将 w 清 0.

上述操作就可以设置某个 NameTable 的某像素位于屏幕左上角，一般情况是在 V_Blank 期间也就是 CPU 处理 NMI 的时候设置，每次使其加 1，就可以实现横向滚屏。

从编程人员的角度来说，这就是滚屏，再来总结一番：向 0x2000 低 2 位写入 NameTable，连续向 0x2005 写两次 X、Y 选取某个像素位于左上角，每次 V_Blank 期间设置一次就可以实现滚屏。

这只是一般情况下的简单滚屏方式，有一些高级玩法屏幕分割技术后面再说，另外这也只是从编程人员的角度理解，硬件怎么做的渲染部分详述。

硬件抠门部分

前面说过 NES 很多抠门的地方，不过都是软件部分，这里来说说硬件部分抠门的部分。

向 0x2005 写入数据实际上就是写入 t，向 0x2006 写入地址实际上也是写入 t，只不过最后再从 t 复制到 v。地址 16 位同样需要写 2 次，所以需要一个 toggle 来记录到底是第几次写，而这个 toggle 也是共用上面提到的 w。

也就是说可以认为向 0x2005 和 0x2006 写入数据时，实际上共用两个寄存器 t 和 w，下面详细说说：

向 0x2006 第一次写入高地址时，只有数据的低 6 位有效，t 的最高位是清 0 的，另外 w 置 1。

向 0x2006 第二次写入低地址，数据的 8 位全都有效，将其写到 t 的低 8 位，写完立即将 t 复制一份到 v，这就是写 0x2005 和写 0x2006 的区别。写完 0x2005 后不会从 t 复制到 v，而写 0x2006 需要。另外写完之后都是需要将 w 清 0 的。

另外不论是读还是写 VRAM，都会使得 v 中的值自动加 1 或 32，这由 PPUCTRL 寄存器 bit2 控制，加 1 表示横向下一个 tile，加 32 表示纵向下一个 tile。

这部分的最后好好捋捋两个地址，一是向 0x2005 写入的滚屏地址，二是向 0x2006 写入的普通地址。

普通地址就没什么说的，它是 PPU 地址空间的地址，但是 PPU 地址空间有 64KB，但是有用的只有 8KB，所以其实 14 位就足够了，因此第一次写 0x2006 高位字节时只有低 6 位有效。

而向写 0x2005 写的滚屏地址，严格意义上来说不能算是地址，t 与 x 加起来算是某个像素的位置。

明显的看这个图，怎么都不想一个地址的格式，一个地址也不可能这么分割。但是，t 的低 12 位，也就是 NNYYYYYXXXXX 确实可以看作一个地址。

12bit 可以索引 4KB，刚好是 4 个 NameTable & AttributeTable 的大小，而地址划分的格式刚好就是 NNYYYYYXXXXX，NN 选取 NameTable，YYYYY 表示 tile 的 Y 坐标，XXXXX 表示 tile X 坐标。

当然这里的 12 位地址不是绝对地址，而是相对于 0x2000 的相对地址。

渲染

渲染就分两部分，背景渲染和精灵渲染，以像素为单位渲染。PPU 的 “每个时钟周期” 获取背景的颜色信息和精灵的颜色信息，两者优先级竞争决定输出哪个。

很粗浅的解释，要弄清楚还是得来了解 PPU 内部的一些硬件：

背景

首先是前面提到过的 VRAM address，temporary VRAM address，Scroll，toggle
2 个 16bit 移位寄存器，后面我称作 pattern_shifter，这 2 个寄存器存放将要渲染的 2 个 tile，这里要清楚 tile 是高低位分开存放的，所以一个寄存器存放 2 个 tile 的高位，一个寄存器存放 2 个 tile 的低位。一个 tile 图案是 64 个像素，128 位信息，因为是一行一行的渲染，只用存放一行的 tile 信息，所以 shifter 16 位就足够了。
2 个 8bit 移位寄存器，后面我称作 attribute_shifter，这 2 个寄存器存放相应的 Atrribute 信息。

下面来详细说明这些硬件在渲染期间的作用：

前面说过，渲染的方式是一个像素一个像素的渲染，且走的是 Z 字型。对于一般的 NTSC 系统来说有 262 条 Scanline，其中有 240 条 Scanline 可见，每条 Scanline 持续 341 个时钟周期，这期间就是不停的取数据然后输出渲染。这里我们先不说明每条 Scanline，每个时钟周期干什么，先来了解背景总体的渲染过程。

渲染一个背景像素需要 4bit 的颜色信息，渲染过程其实就是取得这 4bit 颜色信息。如何取得呢？

PPU 会从 v 中获取该像素所在的 tile 索引的地址信息，将这个 tile 取过来分高低位存放到 pattern_shifter 寄存器当中。然后取该 tile 的 attribute 信息分高低位存放到 attribute_shifter 寄存器当中，如此一个像素的 4 bit 颜色信息就齐了。

在每条 Scanline 的前 256 个周期，每个周期 shifter 寄存器左移 1 位，每 8 个周期就加载下一个 tile 信息到 shifter 寄存器，之后根据 fine_x 选出当前要渲染的像素，举个例子说明：

上图将 0x2005 设置滚屏地址，shifter 寄存器联系起来了，像是 attribute_shifter 也是类似的操作，图上有说明，应该能看懂什么意思的，我就不详细解释了，另外这些细节 wiki 上其实并没有明说，这是我根据模拟器的源码推出来的，这方面似乎应该也没什么详细的手册资料吧，如果有错还请指出。

可能有朋友有疑问，为什么 v 中存放着该像素所在的 tile 地址信息，这个问题其实与为什么向 0x2005 连续写两次就可以选取某个 NameTable 的某个像素位于屏幕左上角相似。

当我们向 0x2005 写两次，其实就是将某个 NameTable 的某个像素地址写入了 t，在渲染期间 t 会被复制到 v(这里我们再后文会讲述)，所以写 0x2005 后第一次用 v 中的地址信息取得的 tile 就是我们所设定的，那么就使其位于屏幕左上角。之后每次使用 v 中的地址读取 tile 索引的地址信息都会自动加 1 指向下一个 tile，如此循环往复渲染 960 个 tile，一帧背景。

背景的渲染总过程就先说到这儿，一句话总结，根据 v 中记录的 tile 地址从 PatternTable 中取得 2bit 颜色信息到 pattern_shifter 寄存器，然后从 AttributeTable 中又取得 2bit 颜色信息到 attribute_shifter 寄存器，最后根据 fine_x 从 shifter 寄存器中选取要渲染的像素颜色信息

精灵

对于精灵来说，有这些相关硬件

Primary OAM，前文说过，256 字节，每一帧支持 64 个精灵
Secondary OAM，当前正渲染的扫描行支持的 8 个精灵
8 对 8bit 移位寄存器，存放当前正渲染的扫描行上的精灵 tile
8 个锁存器，存放 8 个精灵相应的 Attribute
8 个计数器，记录 8 个精灵的 X 坐标值

存放 tile 图案信息到 pattern_shifter 和 attribute 信息到锁存器道理同背景，只是换了个名字锁存器其他的基本没啥不同，也不需要了解那么深入，有兴趣的可以在我后台回复 NES 获取 PPU 的手册。

这里主要说说计数器有什么作用，渲染是一行一行的渲染，每行像素的 x 坐标值范围为 [0, 255]，存放在计数器中的 X 坐标每个周期是会减 1 的，所以说，当某个计数器减到 0 时说明渲染到该精灵了。

而对于精灵渲染总体过程与背景大致相同，主要是取得一个像素的 4bit 颜色信息，只是 shifter 寄存器只有等到计数器为 0 的时候才会活动(每个周期左移)。

取数据到 shifter 需要地址，这个地址就不是在 v 里面了，而是在精灵条目 OAM 中(正渲染的时候是在 Primary OAM 当中)，从这里面取得 tile 索引的地址之后就去获取 tile 图案信息存放到 pattern_shifter 寄存器当中，然后获取 attribute 信息就简单了，直接从 OAM 当中获取。

好了现在我们精灵的 4bit 颜色信息和背景的 4bit 颜色信息都有了，然后就竞争到底输出哪个，当然只有背景和精灵重合的时候会有竞争，方式如下：

如果只有背景，输出背景

如果背景像素和精灵像素重合：