Игровые автоматы (все же правильнее их называть — аркадные автоматы, чтобы отличать от автоматов для игры на деньги в казино) — это специальные устройства, предназначенные для запуска видеоигр. Такие устройства были чрезвычайно популярны в 1970-х — 1990-х годах. Но, с массовым появлением домашних игровых консолей и развитием игр для персональных компьютеров, их популярность сошла на нет. Однако, в последнее время наблюдается рост интереса к таким автоматам. Многие любители восстанавливают старые аппараты, а также собирают реплики наиболее популярных игр тех лет. Кстати, интересный факт: самая популярная и прибыльная игра для аркадного автомата — PacMan.
Обычно, игровой автомат представляет собой вертикальный корпус высотой 1,5 — 2 метра с экраном. Перед экраном располагаются органы управления — джойстики и кнопки. Предполагается, что игрок будет стоять за автоматом или сидеть на высоком стуле. В обязательном порядке автомат комплектуется монето- или купюроприемником, чтобы приносить прибыль своему владельцу.
❯ Подбор деталей
Для сборки своего автомата я приобрел примерно за 1000 р. списанный терминал. Терминал включает в себя два сенсорных дисплея (один для оператора и один для клиента), фирменный системный блок DELL на процессоре core i3 четвертого поколения, источник бесперебойного питания, термопринтер EPSON для печати талонов и кучу блоков питания с проводами для подключения всего этого добра. Нижняя часть терминала, станина, имеет мощный каркас, сваренный из металлических труб квадратного сечения. Сверху к этому каркасу крепится пластиковая конструкция с дисплеями. По сути, это уже и есть готовый игровой автомат. К нему нужно лишь добавить органы управления, накатить какой-нибудь эмулятор и готово.
Однако, эта конструкция меня не устроила. Если к металлической части вопросов нет — все сделано мощно, добротно и достаточно аккуратно, то к пластику есть претензии. Во-первых, он очень хлипкий. Вся верхняя часть ходит ходуном. Во вторых, внешний вид пластика за время эксплуатации существенно ухудшился. И в третьих, в некоторых местах пластиковые детали и вовсе оказались сломаны. Ну и в четвертых, пластик для игрового автомата — это как-то не аутентично.
В итоге, было решено следующее: нижнюю, металлическую часть оставить и просто подкрасить краской поврежденные места чтобы скрыть следы эксплуатации, а вот верхнюю изготовить заново, из ДСП панелей. При этом, можно сделать форму и внешний вид аппарата более похожими на реальные аппараты тех лет.
С этой же целью, для большей аутентичности, было решено вместо жидкокристаллического дисплея применить электронно-лучевую трубку. Для чего дополнительно были приобретены два телевизора больших диагоналей. Один телевизор подревнее — с выпуклым экраном, фирмы SHIVAKI. Второй — поновее, уже с плоским кинескопом, фирмы SAMSUNG. Оба телевизора были доведены до рабочего состояния. У первого была проблема с кадровой разверткой — из-за микротрещины вокруг вывода микросхемы, последняя периодически пропадала. Второй же оказалось достаточным просто очистить от векового слоя пыли и грязи.
Тот, что подревнее, с выпуклым экраном, конечно, больше подходит. Но, с другой стороны, кинескоп у него уже хорошенько так подсел и качество картинки оставляет желать лучшего. Поэтому предварительно было решено использовать менее аутентичный телевизор с плоским кинескопом.
❯ Выбор платформы
Какую же игровую платформу реализовать на этом автомате? В этом вопросе у меня не было никаких колебаний, конечно же — Dendy (она же NES), самая популярная приставка моего детства!
Сейчас все маркетплейсы завалены разного качества копиями этой приставки, причем, уже с зашитыми играми. Например, мной был приобретен такой образец.
У него, помимо собственного дисплея, есть выходы RCA для вывода изображения и звука на телевизор. В принципе, ничего не мешает запитать устройство от сетевого источника питания, подпаяться проводами к кнопкам и использовать этот девайс в качестве основы для автомата.
Но, покупать готовую приставку и просто засовывать ее в свой корпус — не наш метод. У меня давно лежала без дела китайская отладочная плата на ПЛИС Cyclone IV, почему бы не собрать на ней свой собственный клон приставки, причем, такой какой нужно именно мне? На плате, помимо самой ПЛИС имеется память SDRAM на 32 Мб, небольшая EEPROM на 4 кБита, часы DS1302Z с батарейкой, разъем VGA, разъем под SD карту, разъемы для различной периферии, светодиодный семисегментный индикатор, кнопки и зуммер. Питается плата от источника питания 5В. На ПЛИС можно реализовать внутреннюю логику приставки, а имеющуюся периферию использовать для ввода/вывода.
❯ NES на ПЛИС
Схема игровой приставки довольно проста. Она состоит из центрального процессора PR2A03-7- на основе широкоизвестного ядра MOS6502, видеопроцессора RP2C02-7-, статической памяти процессора 2 кБ, видеопамяти 2 кБ и всякой мелкой логики. На картридже приставки располагаются 32 кБ ПЗУ процессора и 8 кБ ПЗУ видеопроцессора. Это самая минимальная конфигурация системы. Есть, конечно, и более сложные картриджи, с бОльшим количеством памяти и специальными логическими схемами — мапперами, которые хитрым образом подключают банки дополнительной памяти вместо имеющейся, но их пока не будем использовать. Длинные игры со сложным геймплеем для игрового автомата не очень подходят стилистически.
Инженер Андрей Корж вместе с другими энтузиастами проделал огромную работу и выложил в своем репозитории полные потактовые клоны процессора PR2A03-7- и видеопроцессора RP2C02-7-. Если, например, взять такой модуль процессора, модуль видеопроцессора, добавить к ним модули ОЗУ, ПЗУ, соединить их между собой согласно схемы приставки, прописать логику, то, по идее, на ПЛИС должна полностью собраться приставка NES. Вроде бы, такая задумка не выглядит слишком сложной.
Вывод изображения из и видеопроцессора RP2C02-7- осуществляется в виде трех сигналов R, G, B и сигнала синхронизации. На отладочной плате имеется разъем VGA, через который также выходят сигналы R, G, B и синхронизация. Ничего мудрить не нужно, достаточно спаять кабель-переходник по следующей схеме:
В качестве заготовки кабеля я использовал старый VGA кабель от монитора. Один 15-контактный разъем я отрезал и припаял вместо него разъем SCART. Сигналы R, G, B в разъеме SCART идентичны по уровню и импедансу интерфейсу VGA, их можно подключать напрямую. Аналоговый сигнал на отладочной плате формируется простейшим резистивным ЦАП. А вот сигналы синхронизации требуют немного внимания. Прежде всего, в телевизоре не используются отдельно сигналы кадровой VS и строчной HS синхронизации, а используется их синхросмесь. Я ее подключил на контакт HS. Также, для переключения разъема SCART в режим RGB необходимо подать напряжение около 1 В на контакт 16. Его я взял с выхода VS, на который ПЛИС должна выводить постоянно лог. 1. В цепях HS и VS на отладочной плате стоят резисторы по 22 Ом. Их необходимо увеличить до 100 Ом (резистор в цепи VS) и 180 Ом (в цепи HS) соответственно. Эти резисторы можно просто добавить в кабель-переходник, если не хочется портить отладочную плату. Также по кабелю идут сигналы звука левого и правого каналов. На разъеме VGA они подключены к неиспользуемым контактам 12 и 15.
Звук выводится аналогичным способом, с помощью простейших резистивных ЦАП, аналогичных тем, через которые формируются сигналы RGB. Их два — 6-разрядный (выход суммы каналов SQA + SQB + RND + TRIA) и 7-разрядный (выход канала дельта-модуляции). Эти резисторы пришлось смонтировать отдельно на небольшой макетной плате и подключить к разъему на плате с ПЛИС. С резистивного ЦАП звук нужно будет подать на вход Audio IN телевизора.
И действительно, все получилось! После нахождения и исправления некоторых ошибок, приставка заработала. Вначале, для отладки я записал в ПЗУ прошивку генератора тестового сигнала, так как этот образ требует всего по 8 кБ ПЗУ процессора и ПЗУ видеопроцессора.
Весь проект выложен в репозитории на Гитхабе.
Данные для ПЗУ можно взять из файла *.nes. Структура этого файла довольно проста: вначале идет заголовок 16 байт, потом данные ПЗУ процессора (16 или 32 кБ) и в конце данные ПЗУ видеопроцессора (8 кБ). Файл можно легко разобрать с помощью любого шестнадцатиричного редактора, например WinHEX.
К сожалению, имеющихся на борту ПЛИС Cyclone IV ячеек памяти недостаточно для организации даже минимальной рабочей конфигурации приставки 16 кБ/8 кБ. Их хватило только для генератора тестового сигнала. Поэтому было решено реализовать следующую схему: для хранения ПЗУ процессора использовать имеющуюся на плате память SDRAM, ПЗУ видеопроцессора организовать в виде SRAM (поскольку видеопроцессор обращается к своей памяти намного чаще), а в SDRAM загружать данные с SD карты. Вроде бы, такая схема выглядит как рабочий вариант. Это уже достаточно сложная логика для аппаратной реализации, поэтому я подключил к системе дополнительное процессорное ядро (назовем его APU).
❯ APU
(Примечание, чтобы не было путаницы: в терминологии приставки Dendy обычно термином APU называют микросхему PR2A03-7-, центральный процессор 6502 вместе со звуковым сопроцессором).
Чтобы не изобретать велосипед, я взял уже имеющееся в проекте ядро процессора 6502. А почему бы и нет? Писать на ассемблере для процессора полувековой давности — весьма увлекательное занятие. Итак: берем процессорное ядро, к нему обязательно необходимо добавить ПЗУ, в котором будет лежать его исполняемый код. ПЗУ процессора 6502 должно располагаться в самом конце его адресного пространства. Например, в последних 2 кБ. Также потребуется ОЗУ, пусть тоже будет 2 кБ, сильно много не нужно. В нем процессор организует стек и хранит всякие переменные. В диапазон адресного пространства 8…16 кБ будем подключать память SRAM, в которую будут заливаться данные ПЗУ видеопроцессора. Да, еще нужно будет организовать несколько регистров ввода-вывода, чтобы читать данные с SD-карты и управлять как самой приставкой (отбирать шину и держать в сбросе приставку на время пересылки данных), так и некоторыми другими устройствами на отладочной плате. Например, можно подключить светодиодный индикатор и спикер.
И только я собрался писать на ассемблере 6502 код для чтения SD карты, как мне весьма удачно попалась на глаза статья, где упоминается уже готовый модуль на Verilog для чтения SD карт. Этот модуль чрезвычайно упрощает задачу. С его помощью можно даже отказаться и от дополнительного процессорного ядра и реализовать всю логику исключительно аппаратно. Но, поскольку ядро уже было добавлено, а на ассемблере писать все еще хотелось, было решено его оставить. В этом случае тогда логика работы такая: Файл образа читается из SD карты в память SDRAM. Затем, вспомогательный процессор находит в образе начало игры, считывает заголовок, ищет и загружает в SRAM данные ПЗУ видеопроцессора. Затем устанавливает указатель на начало ПЗУ процессора в памяти SDRAM и передает управление приставке NES. В один файл образа можно напихать большое количество различных игр и по нажатию кнопок управления вспомогательный процессор легко сможет вместо одной игры загружать другую.
Регистры APU
inreg0 — SD card reader status
[7 - 4] [3 - 2] [1 - 0]
card stat (4 bit) card type (2 bit) FS type (2 bit)
На этот регистр выводится состояние модуля чтения SD карты
inreg1 - buttons & sdram data read
[7 - 6] [5 - 4] [3] [2] [1] [0]
buttons +/- (2 bit) not used(2 bit) coin_inp data valid read cmpl file found
Сюда скоммутированы кнопки + и – для переключения игр, сигнал с монетоприемника, сигнал data valid (единица говорит о том, что в буфере лежит байт, прочитанный из SDRAM), и сигналы read_cmpl и file_found с модуля чтения SD карты. Когда контроллер обнаружит файл, он установит бит file_found, когда весь файл будет прочитан в SDRAM установится бит read_cmpl. У примененного модуля чтения SD карты нет такого сигнала, поэтому для его генерации пришлось применить отдельный таймер-счетчик. Если долгое время нет импульсов записи данных с модуля, счетчик досчитывает до максимального значения и формирует сигнал о готовности данных.
inreg2 — address read
[7 - 0]
address byte read (8 bit)
Через этот регистр можно прочитать текущий 24-разрядный адрес на шине записи данных SDRAM. Последний адрес на этой шине после окончания чтения, очевидно, будет равен размеру прочитанного файла. Этот адрес нужен вспомогательному процессору чтобы правильно ориентироваться среди образов игр. С помощью управляющих бит 6 и 7 регистра outreg0 можно выбирать, какая именно часть адреса (младшая, средняя или старшая) будет отображена в этот регистр.
inreg3 — data read
[7 - 0]
data byte read (8 bit)
В этот регистр выводятся данные при чтении из SDRAM.
outreg0 — control register
[7 - 6] [5] [4] [3] [2] [1] [0]
sel addr byte (2 bit) block scroll read NES ext buzzer
rom type ack reset LED enable
Управляющий регистр. Биты 6 и 7 выбирают нужную часть 24-разрядного адреса для чтения. Бит 5 (block rom) блокирует линию адреса 14 процессора NES для правильного чтения ПЗУ в случае если у игры используется только одна 16 кБ страница. Бит 4 (scroll type) устанавливает тип скроллинга. Этот бит управляет линией А10 ОЗУ видеопроцессора, коммутируя его на 10-ю или 11-ю линию шины адреса видеопроцессора. Таким образом обеспечивается вертикальный или горизонтальный скроллинг страниц видеопамяти. В приставке этой линией управляет картридж. В заголовке образа игры за этот бит отвечает нулевой бит 6-го байта. Бит 3 регистра (read ack) нужно устанавливать для запроса чтения байта из SDRAM. Бит 2 (NES reset) вводит NES в состояние сброса, при этом шины SRAM и SDRAM коммутируются на вспомогательный процессор для загрузки образов. Через бит 1 можно помигать светодиодиком на плате. Этот же бит блокирует кнопки на клавиатуре после истечения времени счетчика монетоприемника. Бит 0 управляет буззером. Он кратковременно пищит каждый раз при смене игры и издает длительный писк, если при загрузке образа возникли проблемы.
outreg1 — address register outreg2 — address register outreg3 — address register
[7 - 0] [7 - 0] [7 - 0]
address lower byte (8 bit) address middle byte (8 bit) address higher byte (8 bit)
Эти три байта задают 24-разрядный адрес SDRAM, из которого вспомогательный процессор хочет прочитать байт.
❯ Прошивка APU
Прошивка написана на ассемблере процессора 6502 и после компиляции и преобразовании в формат *.mif попадает в образ для прошивки модуля ПЗУ в проекте на Verilog. Программный код состоит из нескольких сегментов. Поскольку, используется универсальный компилятор CC65, который в общем случае не знает, под какую систему компилируется код, необходимо предварительно настроить файл конфигурации. В файле конфигурации сегментам прописываются их реальные адреса и размер в системе. Например, в нашей самодельной системе сегмент с переменными «DATA» должен располагаться в начале адресного пространства процессора (первые 2 кБ). Сегмент с кодом — в конце адресного пространства (последние 2 кБ). Кроме этих основных сегментов используются еще следующие:
Сегмент «EROPAGE». Процессор 6502 имеет команды быстрого доступа к первым 256 байтам адресного пространства (старший байт адреса равен нулю), поэтому эту область выделяют отдельно для хранени специфических переменных. В частности, индексных переменных для косвенной адресации, которые хранить в ином месте нельзя.
Сегмент «VRAM». Размер 8 кБ. Этот сегмент отображается на статическое ОЗУ, которое, в свою очередь работает ПЗУ видеоконтроллера приставки. В эту область записываются видеоданные из образа изгры.
Сегмент «IO». Сюда отображаютс регистры ввода-вывода APU. 12 регистров на запись, 4 регистра для чтения. Запись и чтение разделены физически для упрощения логики ПЛИС.
Сегмент «VECTORS». В нем прописаны адреса трех векторов прерываний - по сбросу, по NMI и по IRQ. При возникновении этих событий процессор ищет эти адреса в этом сегменте и осуществляет переход.
В сегменте кода сначала идут обработчики векторов прерываний. По прерыванию IRQ (один раз в секунду) происходит обработка логики монетоприемника. Уменьшается счетчик времени и когда он доходит до нуля на индикатор выводится заставка и блокируются органы управления. За 10 сек. до окончания времени подается звуковой сигнал. Перед обработкой прерывания дополнительно сохраняются в стек аккумулятор и регистр Х, так как они используются в обработчике. Прерывание может возникнуть в любой момент, если в это время в регистрах лежали какие-то данные, обработчик их может повредить. По завершению прерывания регистры восстанавливаются.
Обработчик прерывания NMI - просто заглушка. Оно не используются. В обработчике прерывания по сбросу просто осуществляется переход на исполняемый код.
В сегменте кода также расположен знакогенератор семисегментного индикатора. Это фиксированные данные, поэтому помещены в ПЗУ.
Далее идет исполняемый код. Он весьма большого объема, несколько сотен строк. Назначение отдельных блоков поясняют комментарии.
Текст программы
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; APU code.
.segment "ZEROPAGE"
indx_lo:.byte $00
indx_hi:.byte $00
.segment "DATA"
waddr0: .byte $00 ;переменные для записи
waddr1: .byte $00 ;адреса в регистры
waddr2: .byte $00 ;out1, out2, out3
ctrl: .byte $00 ;регистр управления out0
prom: .byte $00 ;количество блоков 16K program ROM
vrom: .byte $00 ;количество блоков 8K video ROM
ctrl1: .byte $00 ;байт управления маппером 1
ctrl2: .byte $00 ;байт управления маппером 2
mapper: .byte $00 ;тип маппера
raddr0: .byte $00 ;максимальный адрес
raddr1: .byte $00 ;файла (количество
raddr2: .byte $00 ;прочитанных байт)
game: .byte $00 ;номер игры
gamed: .byte $00 ;номер игры в двоично-десятичном формате
strta0: .byte $00 ;стартовый адрес игры
strta1: .byte $00
strta2: .byte $00
nexta0: .byte $00 ;адрес следующей игры
nexta1: .byte $00
nexta2: .byte $00
mins: .byte $00 ;переменные таймера
secs: .byte $00
.segment "VRAM" ;8K буфер VRAM (отображается на
vram: .res 8192 ;VRAM приставки)
.segment "IO" ;регистры ввода-вывода
;только запись
dig1: .res 1 ;самый левый разряд
dig2: .res 1
dig3: .res 1
dig4: .res 1 ;светодиодный
dig5: .res 1 ;индикатор
dig6: .res 1
dig7: .res 1
dig8: .res 1 ;самый правый разряд
out0: .res 1 ;регистр управления
out1: .res 1 ;регистр адреса (мл.)
out2: .res 1 ;регистр адреса (ср.)
out3: .res 1 ;регистр адреса (ст.)
;только чтение
in0: .res 1 ;состояние SD reader
in1: .res 1 ;регистр состояния
in2: .res 1 ;регистр чтения адреса
in3: .res 1 ;регистр чтения данных
.segment "CODE"
.proc irq_handler
PHA ; сохранить A
TXA
PHA ; сохранить X
LDA mins
BEQ nmi10
JMP nmi20
nmi10:
LDA secs
BEQ nmi11
JMP nmi20
nmi11:
LDA #$A1 ;вывод заставки dendy
STA dig1
STA dig4
LDA #$86
STA dig2
LDA #$AB
STA dig3
LDA #$8D
STA dig5
LDA #$FF
STA dig6
LDA ctrl ;блокировка кнопок
ORA #$02
STA ctrl
STA out0
JMP nmi30
nmi20:
LDA mins
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig1
LDA mins
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig2
LDA #$BF
STA dig3
LDA secs
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig4
LDA secs
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig5
DEC secs ;декремент и
LDA secs ;двоично-десятичная
AND #$0F ;коррекция
CMP #$0F
BEQ nmi21
JMP nmi25
nmi21:
SEC
LDA secs
SBC #$06
STA secs
AND #$F0
CMP #$F0
BEQ nmi22
JMP nmi25
nmi22:
SEC
LDA secs
SBC #$A0
STA secs
DEC mins ;декремент и
LDA mins ;двоично-десятичная
AND #$0F ;коррекция
CMP #$0F
BEQ nmi23
JMP nmi25
nmi23:
SEC
LDA mins
SBC #$06
STA mins
AND #$F0
CMP #$F0
BEQ nmi24
JMP nmi25
nmi24:
SEC
LDA mins
SBC #$60
STA mins
nmi25:
LDA mins
BEQ nmi26
JMP nmi30
nmi26:
LDA secs
AND #$F0
BEQ nmi27
JMP nmi30
nmi27:
LDA secs
AND #$01
BEQ nmi28
LDA ctrl ;beep on
ORA #$01
STA ctrl
STA out0
JMP nmi30
nmi28:
LDA ctrl ;beep off
AND #$FE
STA ctrl
STA out0
nmi30:
PLA
TAX ;восстановить X
PLA ;восстановить A
RTI
.endproc
.proc nmi_handler
RTI
.endproc
.proc reset_handler
SEI
CLD
JMP main
.endproc
;знакогенератор семисегментного индикатора
codegen:
.byte $C0, $F9, $A4, $B0, $99, $92, $82, $F8, $80, $90, $88, $83, $C6, $A1, $86, $8E
; 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
.proc main
LDA #$00 ;обнуляем outreg0
STA ctrl
STA out0
STA strta0 ;обнуляем стартовый адрес
STA strta1
STA strta2
STA nexta0 ;обнуляем стартовый адрес
STA nexta1
STA nexta2
STA secs ;задаем начальное состояние
LDA #$01 ;таймера 01:00
STA mins
LDA #$01
STA game
STA gamed
met1:
LDA in0 ;читаем состояние контроллера SD
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig1 ;выводим его в поз. 1 и 2
LDA in0
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig2
LDA #$00 ;выбираем для чтения младший байт адреса записи
STA out0
LDA in2 ;читаем младший байт адреса записи
STA raddr0
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig7 ;выводим его в поз. 7 и 8
LDA in2
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig8
LDA #$40 ;выбираем для чтения средний байт адреса записи
STA out0
LDA in2 ;читаем средний байт адреса записи
STA raddr1
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig5 ;выводим его в поз. 5 и 6
LDA in2
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig6
LDA #$80 ;выбираем для чтения старший байт адреса записи
STA out0
LDA in2 ;читаем старший байт адреса записи
STA raddr2
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig3 ;выводим его в поз. 3 и 4
LDA in2
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig4
LDA in1 ;проверяем установку бита окончания чтения SD
AND #$03
CMP #$03
BEQ met2 ;если да, то переход на met2, иначе
JMP met1 ;переход на met1
;разбираем файл
met2:
LDA #$FF ;гасим индикаторы
STA dig1
STA dig2
STA dig3
STA dig4
STA dig5
STA dig6
STA dig7
STA dig8
new:
LDA in1
AND #$C0
CMP #$C0
BEQ met41
JMP new
met41:
LDA #$00
STA ctrl
STA out0
LDA strta0
STA waddr0
LDA strta1
STA waddr1
LDA strta2
STA waddr2
;читаем сигнатуру
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 0
CMP #$4E
BEQ met31
LDX #$01
JMP error
met31:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 1
CMP #$45
BEQ met32
LDX #$02
JMP error
met32:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 2
CMP #$53
BEQ met33
LDX #$03
JMP error
met33:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 3
CMP #$1A
BEQ met34
LDX #$04
JMP error
met34:
LDA ctrl ;включаем звуковой сигнал
ORA #$03 ;и светодиод
STA ctrl
STA out0
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 4
STA prom ;сохраняем значение в переменной prom
AND #$0F ;выводим его на дисплей
TAX
LDA codegen, X
STA dig2
LDA prom
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig1 ;выводим в поз. 1 и 2
LDA prom ;проверяем на допустимость
BEQ met36
SEC
SBC #$01
BEQ met37
SEC
SBC #$01
BEQ met38
LDX #$05
JMP error
met38:
LDA ctrl ;устанавливаем блокировку
ORA #$20 ;адреса ADDR[14] для одностраничного
STA ctrl ;образа
met37:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 5
STA vrom ;сохраняем значение в переменной vrom
AND #$0F ;выводим его на дисплей
TAX
LDA codegen, X
STA dig4
LDA vrom
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig3 ;выводим в поз. 3 и 4
SEC ;проверяем на допустимость
LDA vrom
SBC #$01
BEQ met35
met36:
LDX #$06
JMP error
met35:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 6
STA ctrl1
AND #$0F ;выводим его на дисплей
TAX
LDA codegen, X
STA dig6
LDA ctrl1
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig5 ;выводим в поз. 5 и 6
LDA ctrl1 ;устанавливаем бит отражения
AND #$01
BEQ met39
LDA ctrl
ORA #$10
STA ctrl
met39:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 7
STA ctrl2
AND #$F0
STA mapper
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig7 ;выводим в поз. 7 и 8
LDA ctrl2
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig8
LDA ctrl1
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
ORA mapper ;сохраняем тип маппера
STA mapper
BEQ met48
LDX #$07
JMP error ;если не 0 то ошибка
;читаем VROM
met48:
LDA waddr0 ;вычисляем адрес начала
CLC ;области VROM
ADC #$09
STA waddr0
LDA waddr1
ADC #$40
STA waddr1
LDA waddr2
ADC #$00
STA waddr2
met42:
DEC prom
BEQ met45
CLC
LDA waddr1
ADC #$40
STA waddr1
LDA waddr2
ADC #$00
STA waddr2
met45:
LDX #$00 ;обнуляем счетные регистры
LDY #$00
LDA #<vram ;настраиваем индексный адрес
STA indx_lo
LDA #>vram
STA indx_hi
met43:
JSR rd_byte ;чтение байта
STA (indx_lo),Y ;запись байта
JSR inc_addr
INY ;счетчик по элемету страницы
BEQ met40
JMP met43
met40:
INC indx_hi
INX
TXA
CMP #$20
BEQ met60
JMP met43
met60:
LDA waddr0 ;сохраняем адрес
STA nexta0 ;начала следующего ROM
LDA waddr1
STA nexta1
LDA waddr2
STA nexta2
LDA strta0 ;устанавливаем адрес
CLC ;начала ROM
ADC #$10
STA out1
LDA strta1
ADC #$00
STA out2
LDA strta2
ADC #$00
STA out3
LDA ctrl ;снимаем nes_rst
ORA #$04
AND #$FC
STA ctrl
STA out0
LDA #$A1 ;вывод заставки
STA dig1
STA dig4
LDA #$86
STA dig2
LDA #$AB
STA dig3
LDA #$8D
STA dig5
LDA #$FF
STA dig6
LDA gamed ;вывод номера игры
AND #$F0
LSR A
LSR A
LSR A
LSR A
TAX
LDA codegen, X
STA dig7 ;выводим его в поз. 7 и 8
LDA gamed
AND #$0F
TAX
LDA codegen, X
STA dig8
; бесконечный цикл
forever:
CLI
LDA in1 ;проверяем кнопку +
AND #$40
BEQ met72
LDA in1 ;проверяем кнопку -
AND #$80
BEQ met71
LDA in1 ;проверяем монетоприемник
AND #$08
BEQ for10
JMP forever
for10:
JMP met90
; обработка кнопки +
met72:
INC game ;инкремент и
LDA game ;проверка на 100
CMP #$64
BEQ met74
LDA nexta2 ;проверка на
CMP raddr2 ;максимальный адрес
BEQ met79
BPL met74
JMP met81
met79:
LDA nexta1
CMP raddr1
BEQ met80
BPL met74
JMP met81
met80:
LDA nexta0
CMP raddr0
BEQ met74
BPL met74
met81:
INC gamed ;инкремент и
LDA gamed ;двоично-десятичная
AND #$0F ;коррекция
CMP #$0A
BEQ met75
JMP met78
met75:
CLC
LDA gamed
ADC #$06
STA gamed
met78:
LDA nexta0 ;загрузка следующего
STA strta0 ;адреса образа
LDA nexta1
STA strta1
LDA nexta2
STA strta2
JMP new
met74:
DEC game
JMP forever
; обработка кнопки -
met71:
DEC game ;декремент и
BEQ met73 ;проверка на 0
DEC gamed ;декремент и
LDA gamed ;двоично-десятичная
AND #$0F ;коррекция
CMP #$0F
BEQ met76
JMP met77
met76:
SEC
LDA gamed
SBC #$06
STA gamed
met77:
LDA #$00
STA out0
STA ctrl
LDA strta0
STA waddr0
LDA strta1
STA waddr1
LDA strta2
STA waddr2
met83:
JSR dec_addr
JSR rd_byte
CMP #$4E
BEQ met82
JMP met83
met82:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 1
CMP #$45
BEQ met84
JMP met83
met84:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 2
CMP #$53
BEQ met85
JMP met83
met85:
JSR inc_addr ;инкремент адреса
JSR rd_byte ;чтение байта по адресу 3
CMP #$1A
BEQ met86
JMP met83
met86:
LDA waddr0
AND #$F0
STA strta0
LDA waddr1
STA strta1
LDA waddr2
STA strta2
JMP new
met73:
INC game
JMP forever
; обработка монетоприемника
met90:
CLC
LDA mins
ADC #$05
STA mins
AND #$0F
CMP #$0A
BMI met92
CLC
LDA mins
ADC #$06
STA mins
met92:
LDA mins
CMP #$61
BMI met91
LDA #$60
STA mins
met91:
LDA in1
AND #$08
BEQ met91
LDA ctrl ;разблокировка кнопок
AND #$FD
STA ctrl
STA out0
JMP forever ;бесконечный цикл
; вывод сообщения об ошибке
error:
LDA codegen, X ;вывод сообщения
STA dig8 ;об ошибке и его номера
LDX #$0E
LDA codegen, X
STA dig5
LDX #$11
LDA codegen, X
STA dig6
STA dig7
forever1:
JMP forever1
.endproc
; процедура чтения байта (прочитанный байт в аккумуляторе )
.proc rd_byte
LDA waddr0 ;установка адреса
STA out1
LDA waddr1
STA out2
LDA waddr2
STA out3
LDA ctrl ;запрос чтения байта
ORA #$08
STA out0
AND #$F7
STA out0
metrd1:
LDA in1 ;проверяем бит валидности
AND #$04
BEQ metrd1 ;если нет, то ждем
LDA in3 ;читаем байт
RTS ;возврат из процедуры
.endproc
; процедура инкремента адреса на 1
.proc inc_addr
INC waddr0
BEQ metinc1
RTS
metinc1:
INC waddr1
BEQ metinc2
RTS
metinc2:
INC waddr2
RTS
.endproc
; процедура декремента адреса на 16
.proc dec_addr
SEC
LDA waddr0
AND #$F0
SBC #$10
STA waddr0
LDA waddr1
SBC #$00
STA waddr1
LDA waddr2
SBC #$00
STA waddr2
RTS
.endproc
; вектора прерываний
.segment "VECTORS"
.addr nmi_handler, reset_handler, irq_handler
.segment "STARTUP"Весь проект выложен в репозитории на Гитхабе.
❯ NES и VGA
NES выдает сигнал в телевизионном стандарте PAL 15,625 кГц/50 Гц или NTSC 15,734 кГц/60 Гц. Однако у многих возникает желание подключить вместо телевизора монитор VGA. Хотя бы по той причине, что найти монитор VGA сейчас намного проще чем телевизор в хорошем состоянии, имеющий входы RGB. И тут самое простое решение — просто удвоить тактовую частоту видеопроцессора. Тогда он начнет выдавать видеосигнал с частотой 31,25 кГц/100 Гц. Строчная частота, в этом случае, полностью соответствует стандарту VGA, с ней проблем нет. А вот кадровую — 100 Гц — принимают не все мониторы. Большинство ширпотребных офисных ЖК принимают частоту кадров в диапазоне 50...75 Гц (надо смотреть спецификацию на конкретный монитор). Однако у меня нашелся старый кинескопный монитор фирмы HP, который спокойно переваривал 100 Гц. Да и, насколько я помню, многие кинескопные мониторы на закате их эры, 100 Гц принимали без проблем.
Далее возникают две проблемы: первая — видеопроцессор, работающий на удвоенной частоте, начинает с удвоенной частотой генерировать прерывание NMI. Это прерывание генерируется в начале кадрового гасящего импульса и в это время процессору нужно обновить картинку на экране. Также, во многих играх к этому прерыванию привязана скорость обновления игровой ситуации. Проще говоря, персонажи и события начинают двигаться в два раза быстрее. Чтобы это обойти, можно, например, пропускать каждое второе прерывание. Тогда скорость игры останется на прежнем уровне.
Вторая проблема — помимо того, что импульсы NMI идут в 2 раза чаще, они становятся в два раза короче. А за это время процессор должен успеть обновить игровую ситуацию на экране. Если процессор останется работать на прежней частоте, он не успеет обновить картинку и на экране появятся артефакты. Значит, также нужно еще увеличить в два раза тактовую частоту процессора. И, в принципе, после этого все более-менее работает, за исключением того, что сигналы звукового сопровождения увеличивают свою тональность на октаву (в два раза). Также в некоторых играх могут возникать артефакты в случае если картинка выводится путем переключения экранов. Если мы пропускаем каждый второй запрос на прерывание, то один экран обновляется нормально, а второй стоит на месте. В общем, изображение как-то более-менее выводится, игра играется, но тут нужно еще глубоко разбираться в таймингах работы CPU и PPU и подгонять их под стандарт. Это задачка на будущее.
Другим путем решения этой проблемы (более сложным) является организация буфера на одну строку, который подключается уже к выходу видеопроцессора. В этом случае сама приставка работает в штатном режиме. Видеопроцессор записывает в буфер строку медленно, а схема удвоения считывает эту строку в 2 раза быстрее и два раза подряд.
❯ Подключение джойстиков
В качестве заготовки для джойстиков я приобрел пульт управления видеокамерами от системы видеонаблюдения. На этом пульте имеется, собственно, джойстик, который я предполагал использовать для управления персонажем и большое количество кнопок.
Кнопки оказались механические, весьма приличного качества и с приятным тактильным эффектом. Поскольку логика использования аркадного автомата предполагает, в основном, только одного игрока, я решил сделать только один полноценный пульт с джойстиком. А пульт второго игрока сделать вспомогательным, без джойстика, только на кнопках.
Джойстик собран на переменных резисторах (потенциометрах), для преобразования аналогового сигнала с потенциометра собрана простейшая схема.
В среднем положении движка потенциометра оба транзистора открыты, на выходах А и Б, соответственно, лог. 0 и лог. 1. Если перемещать рукоятку вверх, то верхний транзистор закроется, а нижний останется открытым. На обоих выходах будет лог. 0. При движении вниз, соответственно на выходах будет лог. 1. Преобразовывать эти логические комбинации в нажатие кнопок будет логика внутри ПЛИС. Номиналы резисторов в схеме подобраны так, чтобы при работе совместно с логическими порогами ПЛИС, логика срабатывала примерно в середине движения рукоятки джойстика в том или ином направлении.
Остальные кнопки подключаются напрямую к ПЛИС с помощью простых подтягивающих резисторов.
❯ Доработка телевизоров
Не у всех телевизоров может оказаться в наличии разъем SCART. Также, не все разъемы SCART поддерживают входы RGB. Поэтому может оказаться необходимым доработка телевизоров для подключения по RGB. Так оказалось и у меня. Маленький телевизор фирмы PHILIPS, который я использовал для отладки, имел разъем SCART, а у больших телевизоров, которые я предполагал использовать в самом автомате, разъема SCART не оказалось.
Однако, у телевизора SAMSUNG на корпусе имелись заглушки под этот разъем, значит в некоторых исполнениях этой модели этот разъем присутствовал. Я предполагал, что, просто впаяв недостающие детали в плату телевизора согласно схемы, я таки получу желаемое. Но получилось не все так гладко. Во первых, сам телевизор оказался подделкой под SAMSUNG. Внутри все было самое дешевое и самое китайское. Ни обозначение самой модели телевизора, ни обозначение шасси (платы) в интернете не гуглилось. Соответственно, уже найти схему оказалось проблемой. После достаточно продолжительного поиска была найдена похожая схема. При поиске очень сильно помогает перечисление основных компонентов — типа процессора, типа микросхем кадровой развертки, усилителя звука и т.д. Например, таким образом:
TV SUPRA шасси CY-PH2529TOP-EW. Состав: проц NT11136PG305EG, тюнер CWC-5053-V8. TDKS BSC25-N0608. кадровая LA78141, УНЧ AN17821A, HOT D1557,БП C4460.
В среде ремонтников хорошим тоном является полное перечисление основных компонентов аппарата перед описанием проблемы.
И на найденной схеме действительно оказался разъем SCART как опциональный элемент. Однако, впаяв все недостающие детали, изображения со входа RGB так и не появилось. Оказалось, необходимо еще дополнительно в сервисном меню телевизора переключить тип видео входа (он может быть композитным AV, компонентным YPrPb, компонентным RGB+Sync). Далее начались пляски с бубном по входу в сервисный режим (плата ведь ноунейм, китайская, какая там секретная комбинация — неизвестно). Это все еще осложнялось тем, что телевизор был куплен без родного пульта, а универсальный пульт мог поддерживать не все команды. Однако, тем не менее, в сервисный режим попасть удалось. Но в нем, кроме настроек синхронизации, геометрии изображения и баланса белого, никаких других настроек, связанных со входом SCART не оказалось. Тогда я решил пойти в лоб и тупо подать сигналы RGB непосредственно на выходные видеоусилители. И изображение, наконец, появилось.
К подаче сигнала на видеоусилители следует прибегать только в крайних случаях. Во первых, схемотехника этих каскадов может кардинально отличаться от аппарата к аппарату. В моем случае повезло — уровень сигнала с ПЛИС (0...3.3В) замечательно подошел и его не пришлось инвертировать. Во вторых, дорогостоящую ПЛИС отделяет от высоковольтных цепей кинескопа только один резистор и один транзистор. На эти сигналы нужно обязательно напаять хотя бы ограничительные стабилитроны. В третьих, теряются регулировки яркости, контрастности и насыщенности. Но, в общем и целом, это все несущественные проблемы.
Есть также еще одна проблема — при включении питания телевизор находится в режиме показа телевизионных каналов. Для переключения его в режим AV нужно кратковременно нажать на соответствующую кнопку на передней панели. Подать сигнал можно, например, с помощью каскада на биполярном транзисторе. Резистор в цепи коллектора должен соответствовать тому сопротивлению, которое стоит у интересующей нас кнопки. В моем случае это 2,2 кОм.
Картинка с этого китайского телевизора мне как-то не очень понравилась. Вроде бы яркость нормальная, и цвета насыщенные, но что-то было в ней не то, не так как в детстве. Да еще и само изображение было кривое и немного подергивалось. Подделка — что с нее взять. А это значит, нужно дальше лезть в схему и искать высохшие или потерявшие емкость конденсаторы или какие то иные неисправности.
Поэтому я решил попробовать аналогичным образом подключить более древний телек фирмы SHIVAKI.
С этим телевизором, как ни странно, все оказалось намного проще. У него уже были разведены дорожки на плате под разъем SCART. И даже не пришлось допаивать дополнительные детали, они все уже были установлены на плате. И картинка на этом телевизоре мне понравилась больше, даже несмотря на изрядно подсевший кинескоп. В конечном итоге, я решил использовать его. А кинескоп заменить уже потом, при случае.
Единственный момент — входы RGB почему то работают только когда телевизор находится в дежурном режиме. В этом режиме вывод звука на динамики блокируется процессором. Пришлось подпаяться проводами и принудительно включить звук.
❯ Изготовление конструкции
Как я писал ранее, верхнюю часть автомата было решено изготовить заново, используя панели ДСП. Для моделирования корпуса я воспользовался программой Fusion 360 фирмы Autodesk. Эта фирма ранее выпускала очень популярный в нашей стране продукт AutoCAD. К чести этой фирмы, она позволяет бесплатно использовать свой продукт (Fusion 360) студентами и для хоббийного (некоммерческого) применения.
Кроме боковых панелей сложной формы и панели с вырезом под кинескоп, все остальные детали сделаны простой прямоугольной формы, что позволяет их выпилить без применения станков с ЧПУ. В качестве материала используется стандартный мебельный щит толщиной 18мм черного цвета без выраженной фактуры.
Передняя панель с органами управления сделана из 2мм стали, вырезана на лазере и покрыта краской (молотковая эмаль, цвет антрацит). Для облегчения сгиба передней панели пришлось слегка надрезать линии сгиба болгаркой.
Органы управления (кнопки) предполагается крепить на резьбовых втулках. На макете отверстия под них не закладывались, их необходимо просверлить по месту.
С наружной стороны втулки закреплены винтами с потайными головками. Отладочная плата также крепится на втулках. Она располагается таким образом, чтобы в отверстие был виден светодиодный индикатор. Индикатор заклеен светофильтром красного цвета
Задняя часть с вентиляционными отверстиями изготавливается из ДВП толщиной 4 мм.
Деревянные панели собираются вместе обычными мебельными уголками с помощью мебельных шурупов. Задняя стенка откидывается на длинной мебельной петле. В прорези в верхней части должно вставляться стекло. На стекло будет наклеена полупрозрачная пленка с привлекающим оформлением. Изнутри стекло будет подсвечиваться светодиодной лентой.
С геометрией выреза под кинескоп я, конечно же, не угадал. Кинескоп имеет очень сложную форму, из-за чего его трудно точно измерить. Пришлось немного подпиливать рамку электролобзиком.
Кинескоп крепится с помощью родных фланцев, снятых с корпуса телевизора.
На панели под стеклом крепятся динамики телевизора. Для беспрепятственного прохода звука в панели сделаны прорези. В полусобранном состоянии:
Монтаж платы телевизора:
❯ Подключение монетоприемника
Какой же аркадный автомат и без монетоприемника?! Пошарившись на маркетплейсах я нашел монетоприемник за весьма доступный прайс. Это модель BL-616. Аналогичного вида монетприемники встречаются в продаже и под иными обозначениями.
Монетоприемник подключается всего четырьмя проводами. По двум из них подается питание 12 В. Два остальных — выходы типа «открытый коллектор». К одному из них подключается механический счетчик монет (для контроля), на втором появляются короткие импульсы при приеме монет. Перед использованием монетоприемник необходимо настроить. Во-первых, необходимо задать виды принимаемых монет, во вторых — прогнать через него по 20 монет каждого номинала. Устройство распознает монету по ее весу. При обучении устройство измеряет вес и рассчитывает среднее его значение для каждого номинала.
Общий порядок настройки следующий:
Включить питание, установить переключатель 1 в позицию «NO» (normal open — нормально разомкнутый выход), переключателем 2 — выбрать нужную скорость формирования импульсов (fast, medium, slow);
Нажать одновременно кнопки «ADD» и «MINUS», отпустить, на индикаторе появится «A»;
Нажать и отпустить кнопку «SET», появится «E»;
Кнопками «ADD», «MINUS» установить кол-во различных типов монет для приема (1...6);
Нажать кнопку «SET»;
На дисплее появилось «H1» — количество экземпляров монеты типа 1 для калибровки монетоприемника;
Кнопками «ADD», «MINUS» установить значение H для первого типа монет;
Нажать кнопку «SET»;
На дисплее появилось «P1» — количество выдаваемых импульсов при успешном приеме монеты типа 1 (1...50);
Примечание: количество выдаваемых импульсов необходимо сделать пропорциональным стоимости монеты. Например: монета 1 р должна выдавать 1 импульс, монета 5 р должна выдавать 5 импульсов, монета 10 р — 10 импульсов. В этом случае автомат будет добавлять игровое время пропорционально стоимости монеты вне зависимости от порядка ввода монет.
Кнопками «ADD», «MINUS» установить значение количества выдаваемых импульсов для первого типа монеты;
Нажать кнопку «SET»;
На дисплее появилось «F1» — задается точность опознания монеты типа 1 (1...30), можно ввести 10;
Кнопками «ADD», «MINUS» установить значение F для первого типа монеты;
Нажать кнопку «SET»;
Повторить последние 9 пунктов для других типов монет.
На дисплее появится «0»;
Калибровка монетоприемника:
Нажать два раза кнопку «SET»;
На дисплее появилось «A1» — опускаем в монетоприемник монеты типа 1 в количестве H1 для калибровки;
По загрузке последней монеты раздастся звуковой сигнал и на дисплее появится «A2»;
Опускаем в монетоприемник монеты типа 2 в количестве H2 для калибровки;
По загрузке последней монеты раздастся звуковой сигнал и на дисплее появится «A3»;
Опускаем в монетоприемник монеты типа 3 в количестве H3 для калибровки;
После ввода всех монет на дисплее появится «0».
Монетоприемник готов к приему монет. Можем опускать различные монеты, на дисплее будет высвечиваться количество импульсов.
При получении сигнала с монетоприемника APU добавляет игровое время, например по 1 мин на импульс. Время индицируется на светодиодном индикаторе. По истечении этого времени органы управления игрой блокируются (кроме кнопки START, чтобы игрок смог поставить игру на паузу и докинуть еще монет). Таймер тактируется от отдельного делителя, формирующего сигнал с периодичностью 1 с. Этот сигнал заведен на прерывание IRQ процессора APU. Таким образом, раз в секунду процессор отвлекается от своей работы и обрабатывает логику монетоприемника.
❯ Питание
Телевизор питается от 230 В сам. Отладочная плата питается через USB от 5-вольтового преобразователя. Преобразователь, светодиодная лента и монетоприемник питаются напряжением 12В от отдельного адаптера. Адаптер и телевизор соединены вместе и одновременно включаются тумблером, расположенном сзади устройства. Все разводка собрана в коммутационной коробке, в которой также дополнительно смонтированы защитные предохранители. В принципе, можно все необходимые напряжения взять сразу из телевизора, если внимательно изучить его схему. Но, в этом случае не получится быстро заменить один телевизор на другой без переделки схемы, а я пока таки надеюсь найти экземпляр с более живым кинескопом.
Дополнительно в коммутационной коробке можно будет смонтировать реле, автоматически отключающее телевизор после некоторого времени бездействия для экономии ресурса ЭЛТ. Но это уже идея на будущее.
Вот такой вот получился аппарат. Небольшое видео про автомат можно посмотреть на YouTube. Вопросы и замечания прошу писать в комментариях.
Может быть интересно:
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩