Game Boy Advance的体系结构

Game Boy Advance的内部设计对于使用两节AA电池运行的便携式游戏机而言非常出色。

该控制台将使用任天堂的签名GPU进行操作。此外，它将引入来自英国公司的相对较新的CPU，并将在未来几年内迅速普及。

大多数组件都组合到一个称为CPU AGB的软件包中。该软件包包含两个完全不同的CPU：

夏普LR35902，其运行频率为8.4或4.2 MHz：如果与Game Boy上的CPU不同！它有效地用于运行Game Boy（DMG）和Game Boy Color（CGB）游戏。如果您想了解更多有关这方面的信息，请参阅我的上一篇文章。

运行在16.78 MHz的ARM7TDMI：这是我们将重点关注的新处理器，它肯定可以运行Game Boy Advance游戏。

请注意，两个CPU永远不会同时运行或进行任何精美的协同处理。包括非常老的Sharp的唯一原因是为了向后兼容。

在ARM控股公司（现为“手臂”）在智能手机领域变得异常流行之前，他们许可其CPU设计为Acorn的计算机，苹果的Newton，诺基亚的电话和松下3DO提供动力。任天堂选择的CPU ARM7TDMI基于早期的ARM710。设计，包括：

三阶段流水线：指令的执行分为三个步骤或阶段。 CPU将同时获取，解码和执行最多三个指令。这样可以最大程度地利用CPU资源（从而减少空闲硅片），同时还可以增加每单位时间执行的指令量。

T→Thumb：ARM指令集的子集，其指令被编码为16位字。 Thumb指令为16位，需要一半的总线宽度并占用一半的内存。但是，由于Thumb指令仅提供ARM的功能子集，因此您可能必须编写更多指令才能达到相同的效果。

Thumb仅在分支上提供条件执行，其数据处理操作使用双地址格式，而不是三地址格式，并且它只能访问寄存器文件的下半部分。

实际上，Thumb使用了70％的ARM代码空间。对于16位宽的内存，Thumb运行速度比ARM快。

如果需要，可以将ARM和Thumb指令混合在同一程序中（称为互通），以便开发人员可以选择何时何地使用每种模式。

M→增强乘法器：以前的ARM内核需要多个周期才能计算出完整的32位乘法，因此这种增强将其减少到几个。

I→EmbeddedICE宏单元：调试模块，它允许硬件断点，观察点并允许在调试时暂停系统。

特别是Thumb的包含对此控制台的最终设计有很大的影响。 Nintendo在其不同模块之间混合使用16位和32位总线，以降低成本，同时为程序员提供优化其代码所需的资源。可用内存分布在以下位置：

IWRAM（内部WRAM）→具有32 KB的32位：用于大块存储ARM指令和数据。

EWRAM（外部WRAM）→16位（256 KB）：优化用于以小块形式存储Thumb指令和数据。

PAK ROM-＆gt;具有可变大小的16位：这是访问盒式ROM的位置。

购物车RAM->具有可变大小的16位：这是访问盒式RAM的位置。

尽管此控制台以32位系统的形式销售，但其大部分内存只能通过16位总线访问，这意味着游戏将主要使用Thumb指令集，以避免每次获取指令花费两个周期。只有关键部分才应使用ARM指令集。

您会惊讶地发现，没有安装用于检测插入的盒带是GB还是GBA的软件的软件。相反，控制台依赖于硬件开关：形状检测器可有效识别墨盒的类型，然后仅通过所需的总线供电。

在开始之前，您会发现该系统是SNES和Game Boy之间的混合体，图形核心仍然是著名的称为PPU的2D引擎。我建议您先阅读这些文章，然后再继续，因为我将重新审视许多以前解释过的概念。

与以前的Game Boys相比，我们现在有一个彩色LCD屏幕，该屏幕可以显示多达32,768种颜色（15位）。它的分辨率为240x160像素，刷新率约为60Hz。

96 KB 16位VRAM（视频RAM）：其中64 KB存储背景图形，而32 KB存储子画面图形。

1 KB 32位OAM（对象属性存储器）：最多可存储128个精灵条目（不是图形，仅是索引和属性）。其总线已针对快速渲染进行了优化。

1 KB 16位PAL RAM（调色板RAM）：存储两个调色板，一个用于背景，另一个用于精灵。每个调色板包含256个15位颜色的条目，颜色“ 0”是透明的。

如果您已经阅读了以前的文章，尽管对GBA感到有些惊讶，但您会发现它对GBA很熟悉，并且请不要忘记该控制台使用两节AA电池供电。

我将借用Sega Sonic Advance 3的图形来显示框架的构成。

GBA的图块严格来说是8x8像素位图，可以使用16种颜色（4bpp）或256种颜色（8bpp）。 4bpp瓦片占用32个字节，而8bpp瓦片占用64个字节。

磁贴被分组为字符块。每个块都为特定类型的层保留。

由于每个字符块设计为可容纳16 KB内存，因此每个块最多可以存储256个8bpp瓦片或512个4bpp瓦片。分配了六个字符块，这些字符块总共需要96 KB的内存：该控制台具有的VRAM的确切数量。

自从Game Boy Color以来，该系统的背景层已得到显着改善。最后，它包括超级任天堂中的一些功能（还记得仿射变换吗？）。

PPU最多可以绘制四个背景层。每个人的能力将取决于所选的操作模式：

模式1：只有三层可用，尽管其中一层是仿射的（可以旋转和/或缩放）。

每层的宽度最大为512x512像素。如果是仿射，则最大为1024x1024像素。

Sprite的大小可以达到64x64像素宽，但是由于屏幕太小，它们最终将占据很大一部分。

如果这还不够，那么PPU现在可以将仿射变换应用于精灵了！

属性：包含x / y位置，h / v翻转，大小，形状（正方形或矩形），子画面类型（仿射或常规）和第一个图块的位置。

与往常一样，PPU会自动合并所有图层，但尚未结束！系统具有可应用于这些层的几个效果：

窗口化：将屏幕分为两个不同的窗口，每个窗口可以有自己单独的图形和效果，两个窗口的外部区域也可以提供图块。

另一方面，为了更新框架，有多个可用选项：

使用DMA控制器：DMA可将传输速率提高约10倍，并可在VBlank和HBlank期间进行调度。该控制台提供4个DMA通道（两个保留用于声音，一个保留用于关键操作，另一个保留用于通用）。请记住，控制器将在操作过程中暂停CPU（尽管几乎不会注意到它！）。

有时，我们可能想构成一个背景，瓷砖引擎将无法从中绘制所有必需的图形。现在，现代的控制台通过实现帧缓冲体系结构来解决此问题，但是当RAM＆amp; mldr很少时，这是不可能的。好吧，GBA恰好有96 KB的VRAM，足以分配具有我们LCD屏幕尺寸的位图。 。

好消息是，PPU实际上通过包括三个额外的模式（称为位图模式）来实现此功能：

模式5：有两个全彩色的帧，每个帧的大小减半（160x128像素）。

具有两个位图的原因是为了启用页面翻转：在显示的位图上绘制会在此过程中暴露出一些奇怪的伪像。相反，如果我们操纵另一故障，则不会向用户显示任何故障。一旦第二个位图完成，就可以更新PPU以指向第二个位图，从而有效地交换显示的帧。

总体来说，这听起来像是一项尖端功能，但是大多数游戏都采用了切片引擎。为什么？因为在实践中，它花费了大量的CPU资源。

您会看到，使用图块引擎时，CPU可以将大多数计算委托给图形芯片。相比之下，PPU提供的帧缓冲系统仅限于将该内存段显示为单个背景层，这意味着除非CPU计算出它们，否则就不再需要单独的仿射变换，分层或效果。而且，帧缓冲区占用80 KB的内存，因此只有16 KB（一半）可用于存储精灵图块。

因此，这些模式特别用于播放运动视频（完全依赖Game Boy Advance Video）或使用CPU渲染3D几何形状。

GBA具有2通道样本播放器，可与旧版Game Boy声音系统结合使用。

新的声音系统现在可以播放PCM样本，它提供了两个称为直接声音的通道，在这里它使用FIFO队列（实现为16字节缓冲区）接收样本。

样本为8位并带符号（以-128到127的值编码）。默认采样率是32 kHz，尽管这取决于每个游戏：由于更高的采样率意味着更大的尺寸和更多的CPU周期，因此并非每个游戏都会花费相同数量的资源来填充音频芯片。

DMA对于避免阻塞CPU周期至关重要。计时器也可用于与队列保持同步。

虽然Game Boy子系统不会共享其CPU，但它确实允许访问其PSG。出于兼容性的原因，这与原始Game Boy中的设计相同。我之前写过这篇文章，其中特别详细介绍了每个渠道。

大多数GBA游戏都将其用于伴奏或效果。后面的将优化其PCM音乐，而保留PSG不用。

即使GBA只有两个PCM通道，某些游戏仍然可以神奇地播放两个以上的并发样本。这怎么可能？好吧，尽管纸上只有两个通道似乎有些薄弱，但主CPU可以使用其某些周期来提供音频排序和混合（这应该让您了解ARM7的强大功能！）

有些游戏会进一步提升PCM-PSG的对偶性，并根据具体情况“替代”领先的芯片。

在此游戏中（母亲3），玩家可以进入两个不同的房间，一个相对普通，另一个带有怀旧背景。根据角色所在的房间，相同的分数听起来可能会有些现代或8位。

GBA的编程与SNES相似，另外还具有在2000年代初期开发游戏的所有优势：标准化的高级语言，更好的编译器，更快的RISC CPU，用于开发的非专有计算机，相对更好的文档和＆mldr互联网！

游戏大多用C编写，而汇编中的关键部分（ARM和Thumb）可以节省周期。任天堂为SDK提供了库和编译器。 BIOS调用可简化I / O访问并减小盒式磁带的大小。

虽然ARM7具有32位地址总线，但仅24条地址线连接到卡式盒，这意味着无需映射器即可在卡式盒上访问多达16 MB的内存，但是官方文档指出32 MB的盒带数据映射到内存中。那这是怎么回事？事实是，Gamepak使用25位地址（这解释了32 MB的块），但是其最低位固定为零，因此仅剩下24位被设置。这就是Gamepak寻址的工作方式。

现在，这是否意味着将无法访问位于奇数地址（其最低有效位为“ 1”）的数据？否，因为数据总线是16位的：对于每次传输，CPU / DMA都会获取所定位的字节加上下一个字节，从而允许读取偶数和奇数地址。如您所见，这只是工程的另一项工作，它充分利用了硬件功能，同时降低了成本。

SRAM：这些需要电池来保存其内容，最大容量为64 KB。可通过GBA的内存映射进行访问。

闪存ROM：类似于SRAM，无需电池，最大容量为128 KB。

EEPROM：这些需要串行连接，并且理论上可以扩展到任何大小（通常最多8 KB）。

著名的Game Boy Link Cable提供了多种播放功能。此外，电缆还具有内部称为多重启动的特殊功能：另一个控制台（GBA或GameCube）可以将功能性游戏发送到接收器的EWRAM，然后后者从那里启动（而不需要盒带）。

一般而言，与其他游戏机制造商在使用CD-ROM时必须面对的不断的猫鼠游戏相比，专有盒带的使用是一个很大的障碍。

为了打击盗版墨盒（未经授权的复制品），GBA的BIOS引入了与原始Game Boy中相同的启动过程。

随着固态存储的价格越来越便宜，一种新型的盒式磁带出现在市场上。抽认卡看起来像普通的Game Paks，但增加了一个卡槽（SD，MiniSD，MicroSD或其他任何卡槽），可以运行游戏ROM。这个概念实际上并不是什么新鲜事物，开发人员内部使用了类似的工具，以便在真实的控制台上测试他们的游戏（制造商提供了支持该功能的硬件）。

但是，这些卡的商业可用性被证明是一个灰色地带：任天堂谴责其使用由于盗版，因为一些用户辩称盗版是运行Homebrew的唯一方法（程序是在游戏工作室之外制作的，因此未经任天堂批准） 。经过任天堂的法律尝试，这些墨盒在某些国家（例如英国）被禁止使用，但它们仍在全球范围内使用。

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