Как работал графический чип Super Nintendo: руководство по Super PPU

Описание концепций PPU

Super PPU

Super "Picture Processing Unit" — чип видеоконтроллера, обрабатывающий тайловую графику, плоскости скроллинга и спрайты SNES. По функциям схож с PPU консоли NES.

VRAM

VideoRAM — ОЗУ, используемое Super PPU. Содержит тайлы. В каждом режиме экрана используется собственный размер тайлов. Обычно это 8x8 или 16x16 пикселей на тайл. VRAM имеет объём 64 КБ.

OAM

«Object Attribute Memory» — содержит данные определений спрайтов. Может содержать данные не более чем 128 спрайтов. Схожа с OAM в NES, но более совершенная.

Данные OAM, хранящиеся для каждого спрайта

• Позиция спрайта по X (9 бит, 0-511 или $00-$1FF)
• Позиция спрайта по Y (8 бит, 0-239 или $00-$EF). Значения 0-239 находятся на экране, от -63 до -1 — «выше экрана», поэтому нижняя часть спрайта видна сверху экрана. Это подразумевает, что очень большой спрайт может начинаться внизу и заканчиваться наверху.
• ID первого тайла спрайта. 8-битный индекс
• Таблица имён спрайта
• ID палитры, используемой спрайтом (0-7/$00-$07). Спрайты используют индексы субпалитр в последних 8 субпалитрах, поэтому на самом деле используется ID, равный 7+N
• Размер спрайта. 1 бит: 0=для текущего режима доступен спрайт меньшего размера (обычно 1 тайл 16x16 пикселей), 1=для текущего режима доступен спрайт большего размера (обычно 4 тайлов (2x2 тайлов 16x16 пикселей))
• Приоритет спрайта. Приоритет в OAM: 2 бита; эти биты определяют приоритет спрайта относительно плоскостей фона (см. ниже раздел о плоскостях графики). Приоритет относительно других спрайтов. Нулевой спрайт в OAM имеет наивысший приоритет. Первый спрайт в OAM имеет более низкий приоритет. Второй — ещё более низкий, и так далее.

OAM Viewer эмулятора No$sns (SMW)

Два основных типа машин

NTSC-консоли

• «Super Nintendo (SNES)», 60-герцовые машины, в основном продававшиеся в США. Разрешение экрана 256x224 пикселя (как и у NTSC NES)

PAL-консоли

• «Super Famicom (SFC)», 50-герцовые машины, продававшиеся во всём остальном мире. Разрешение экрана 256x240 пикселей (как и у PAL Famicom)

Слева: NTSC Super Nintendo (Model 1), справа: PAL Super Famicom

Тайловые карты

SNES имела 7 разных «режимов» обработки фонов

• Они назывались Mode 0-7. Mode 1 имел режим варьирования. У Mode 7 был подрежим Mode 7 Ext. BG. В каждом режиме было своё количество доступных плоскостей фонов. У каждого режима было собственное количество цветов для плоскостей фонов, доступных в этом режиме. Свойства рендеринга каждого из фонов немного отличались. Во всех режимах и во всех плоскостях графики индекс цвета 0 в любой субпалитре всегда обозначал прозрачный цвет.

Сводная таблица режимов

4 плоскости графики

SNES могла обрабатывать до 4 плоскостей графики, имевших названия BG1-BG4. Эти плоскости графики могли прокручиваться (скроллиться).

Размеры тайловых карт

• Тайловые карты плоскостей скроллинга могли иметь размер 32x32, 32x64, 64x32 или 64x64 тайлов. В зависимости от размера каждого блока тайловой карты (блоки по 16x16 px/1 тайл или 32x32/2x2 тайлов), размер тайловой карты мог меняться от 256x256 до 1024x1024 пикселей
• Более подробную информацию о размерах тайлов в тайловых картах см. в разделе «Tile Maps & Character Maps» этой статьи

Свойства каждого тайла в тайловой карте

• V/HFlip тайла (отражение по вертикали/горизонтали)
• Приоритет тайла (низкий/высокий)
• Номер палитры (3 бита, 0-7/$00-$07). Плоскости используют первые 8 субпалитр CGRAM; вторые 8 субпалитр используются для спрайтов (OAM)
• ID тайла

Tilemap viewer для 4 фонов (BG) в SWM

Видеорежимы

Mode 0

• 4 фона (BG), каждый с 4 цветами
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  

Mode 1

• 2 BG c 16 цветами
• 1 BG с 4 цветами
• Приоритет BG (спереди назад). Приоритет варьируется в зависимости от состояния бита 3 в регистре $2105.
  
  
  

Mode 2

• 2 BG с 16 цветами каждый
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  
  
• Первый режим со «смещением на тайл» (подробнее см. в Mode 2)

Mode 3

• 1 BG с 256 цветами
• 1 BG с 16 цветами
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  
  
• Доступен Direct Color Mode (регистр $2130)

Mode 4

• 1 BG с 256 цветами
• 1 BG с 4 цветами
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  
  
• Второй режим со «смещением на тайл» (подробнее см. в Mode 4)

Mode 5

• 1 BG с 16 цветами
• 1 BG с 4 цветами
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  
  
• «Mode 5 отличается от предыдущих режимов. Вместо стандартного тайла шириной 8/16 пикселей он всегда использует тайл шириной 16 пикселей (высота по-прежнему может быть 8 или 16) и пользуется только половиной пикселей (начиная с нуля, чётные пиксели для подэкранных тайлов, нечётные — для тайлов основного экрана). Затем он переключается в псевдо-hires для рендеринга растровой строки шириной 512-пикселя. Кроме того, если включен Interlace mode (см. бит 0 в регистре $2133), то экран в высоту вместо 224 или 239 составляет 448 или 478 полустрок. В каждом кадре отрисовываются или чётные, или нечётные строки, что определяется битом 7 в регистре $213f. Это также означает, что $212c и $212d можно присвоить одинаковое значение, чтобы получить „ожидаемый“ дисплей».

Mode 6

• 1 BG с 16 цветами
• Приоритет BG (спереди назад)
  
  
  
• Особые свойства: как и Mode 5, имеет определённые отличия. Как и Mode 2, тоже является режимом со «смещением на тайл». «Однако стоит помнить, что в Mode 6 всегда используются тайлы шириной 8 пикселя (16 полупикселей), что относится к BG3, а также к BG1. Невозможно применить смещение к тайлу в 8 полупикселей или к области шириной 16 пикселей (только если не использовать два значения смещений для двух 8-пиксельных областей).»

Mode 7

• 1 BG с 256 цветами
• Сильно отличающийся режим; позволяет выполнять матричные преобразования слоя BG
• Используется для эффекта псевдо-3D в таких играх, как Super Mario Kart, FZero, и т.д.
• Все подробности см. в Mode 7

CGRAM

«Color Graphics RAM»

• Содержит информацию о цвете для палитр
• В сумме содержит 256 ($FF) записей цветов палитр.
• Каждый графический режим разделяет 256 записей палитр на подпалитры, в каждой из которых по N цветов. N зависит от видеорежима. По умолчанию каждая субпалитра состоит из 16 цветов (256 цветов/16 цветов на субпалитру = 16 субпалитр). По умолчанию первые 8 субпалитр (с ID 0-7/$00-$07, ID записей палитр 0-63/$00-$3F) используются для тайлов переднего плана (FG), а последние 8 субпалитр (ID субпалитр 8-16/$08-$10, ID записей палитр 64-127 или $40-$80) — для спрайтовых объектов. Первый цвет в субпалитре рендерится прозрачным для тайлов/спрайтов, использующих эту субпалитру
• 15-битный формат цвета BGR. Каждая запись цвета в CGRAM имеет формат 2 байта («слово») и вид 0BBBBBGG GGGRRRRR (B=биты синего, G=биты зелёного, R=биты красного). 16 бит, первый бит не используется, поэтому остаётся 15-битный диапазон цветов. Каждый компонент цвета (B, G, R) имеет значение в интервале 0-31 (десятичные) или $00-$1F (шестнадцатеричные)

Разбивка палитры SNES (Super Mario World в Palette viewer эмулятора no$sns)

Рекомендуемые инструменты для отладки и создания графики

Поиск хорошего ПО для создания ретро-графики, разделения пиксель-арта на тайлы и снижения количества цветов для обработки в различных видеорежимах SNES может оказаться сложным процессом. Ниже представлен список рекомендуемого ПО для работы с ретро-графикой и специализированных эмуляторов, позволяющих исследовать содержимое VRAM и плоскости.

ПО для графики:

YY-CHR

• Мультиплатформенный редактор тайлов
• Новая версия на C#
• Старая версия на C++

Irfanview

• Программа для просмотра/редактирования общего назначения, имеет плагины и широкую поддержку множества типов файлов
• Может редактировать, экспортировать и импортировать палитры, а также увеличивать/уменьшать количество цветов в изображениях и отображать это количество
• Свободное и открытое ПО
• Имеет PNG-плагин для изменения изменения глубины цвета с сохранением порядка палитры
• Домашняя страница

Рекомендуемые специализированные эмуляторы для отладки Super PPU

No$sns

• Эмулятор SNES, предназначенный для отладки
• Может эмулировать homebrew-прототипы SNES-CD Super Disc
• Может отображать состояние машины/ЦП
• На лету отображает слои BG
• Может отображать на лету OAM
• Может отображать содержимое тайлов VRAM в различных режимах цвета
• Может отображать содержимое CGRAM
• Информация

Higan

• Эмулятор различных ретро-консолей
• Имеет очень точную эмуляцию циклов оборудования SNES; используется для эмуляции/отладки аппаратных проблем SNES
• Информация

Ссылки и дополнительное чтение

• Веб-сайт SNESDev
• Спрайты SNES
• Информация о палитрах
• Информация о слоях фонов SNES
• Тема на форуме о PAL/NTSC