世嘉大师系统架构的实践分析

主人制来自于一长串的继承人。由于世嘉的工程设计，它最初只是一批现成的零部件，现在已经获得了一个新的身份。

一开始，当我读到世嘉最终推出的不同型号时，我有点困惑，所以下面是为避免进一步混淆而讨论的主要型号的摘要：

世嘉主控系统(欧洲和美国)：更名为Mark III，配有新外壳、BIOS ROM芯片和不同的墨盒插槽。

世嘉主控系统(日本)：欧洲/美国主控系统，带有Mark III的墨盒插槽、新的调频芯片和用于“3D眼镜”的插孔端口。但是，它没有重置按钮。

从现在开始，我将使用术语“主系统”或“短信”来指代所有这些功能，除非涉及到特定型号的独有功能。

世嘉决定采用功能齐全的Zilog Z80 CPU，运行频率约为3.58 MHz。这是ZX Spectrum和Amstrad CPC等其他机器的热门选择。Z80具有与Intel8080兼容的指令集，但扩展了更多指令。

文章开头的主板图片显示的是NEC D780C-1 CPU，这只是SEGA将芯片二次外包给不同的制造商，其他版本甚至包括Zilog制造的芯片。但是对于本文来说，谁制造CPU并不重要，因为内部特性保持不变。

Z80具有16位地址总线，因此CPU可以找到高达64KB的内存。在内存映射中，您会发现8KB的RAM用于一般用途，这被镜像到另一个8KB的块中。最后，还映射了高达48KB的游戏ROM。

正如您可以从上一段中读到的，在地址空间中只找到主RAM和一些盒式ROM，那么程序如何访问其他组件呢？嗯，与任天堂的Famicom/NES不同，并不是主系统的所有硬件都是使用内存位置映射的。相反，一些外围设备位于I/O空间。

这是因为Z80系列包含一个称为I/O端口的有趣功能，它使CPU能够与其他硬件通信，而不会耗尽内存地址。为此，有一个单独的地址空间用于“I/O设备”，称为端口，两者共享相同的数据和地址总线。然而，不同之处在于端口分别使用IN和OUT指令读取和写入-与传统的加载/存储指令(LD)相反。

当执行IN或OUT指令时，Z80设置指向外围设备(例如，键盘)的地址线，标记其IORQ引脚以指示已启动I/O请求，并且还分别标记RD引脚或WR引脚是IN指令还是OUT指令。寻址的外设必须手动检查地址总线和I/O引脚，并执行所需的操作。在IN指令的情况下，CPU将把接收到的值存储在预定义的寄存器中。

SEGA将CPU与其余组件互连的方式不仅可以访问值，还可以显示/隐藏某些组件，使其不会出现在内存映射中。

奇怪的是，Game Boy有一个Z80“变种”，完全省略了I/O端口。因此，它必须适合内存映射中的所有内容。

该控制台的架构与其前身世嘉SG-1000非常相似，因此主系统设法获得了与SG-1000的向后兼容性。不过，这只适用于日本机型，因为其他机型包含不同的墨盒插槽。

屏幕上的图形是由一种名为视频显示处理器(VDP)的专有芯片产生的。在内部，它与德州仪器TMS9918(在SG-1000中使用)具有相同的设计，但增强了更多功能，我们将在以下部分讨论这些功能。

VDP旁边连接着16 KB的VRAM，只有VDP才能使用16位数据总线访问该VRAM。如果你再看一遍主板图片，你会注意到RAM和VRAM芯片大致相同，只是VRAM使用的芯片型号以‘20’结尾，延迟较低。

在主系统中，VRAM包含VDP渲染所需的所有内容(彩色RAM除外)。CPU通过写入VDP的寄存器来填充VRAM，而VDP的寄存器又会将值转发到VRAM。由于VDP是使用I/O端口访问的，因此CPU必须使用IN和OUT指令。

VDP渲染分辨率高达256x192像素的帧，进一步修订添加了对256x224像素和256x240像素的支持，但是为了保持与所有型号的兼容性，开发人员坚持使用标准分辨率。这种芯片与任天堂的PPU有着相同的工作方式，换句话说，图形是就地渲染的。

另一方面，VDP有四种不同的操作模式，它们将改变帧的特性(颜色深度和分辨率)：

模式0至模式III：继承自SG-1000上的TMS9918。包括向后兼容性，尽管任何SMS游戏都可以使用它们。

模式IV：主系统的本机模式，允许访问VDP的所有最先进功能。为了进行分析，我们将重点放在这一点上！

现在让我们看看框架是如何一步一步画出来的，为此，我将借用刺猬Sonic的资产。此外，为了便于解释，我将重点介绍世嘉建议的用于组织图形内容的标准内存布局(只需记住，VDP在这方面非常灵活，因此允许游戏对其进行优化)。