Implementacja PPU (Picture Processing Unit) stanowi jeden z najbardziej skomplikowanych elementów projektu emulacji konsoli NES. To właśnie PPU odpowiada za wyświetlanie grafiki na ekranie. Dla uproszczenia, grafikę można podzielić na dwie główne kategorie: tło i sprity. Tło to statyczna warstwa grafiki, która zazwyczaj nie porusza się sama lub porusza się tylko w sposób zorganizowany, np. w przewijanej scenie. Sprity natomiast to dynamiczne obiekty, takie jak postacie czy wrogowie, które poruszają się niezależnie na ekranie.

NES wykorzystuje specjalizowany sprzęt do obsługi aż 64 sprite'ów o rozmiarze 8×8 lub 8×16 pikseli na ekranie w danym momencie. Jednym z największych wyzwań przy implementacji PPU jest prawidłowe odwzorowanie tego procesu w emulatorze, biorąc pod uwagę ograniczenia sprzętowe oryginalnej konsoli. Istnieje wiele podejść do symulacji PPU, a najbardziej dokładne polega na generowaniu każdego piksela na ekranie jeden po drugim, co jest najbliższe rzeczywistemu działaniu układu, ale jest to metoda wymagająca dużych zasobów obliczeniowych.

Alternatywnie, popularnym rozwiązaniem jest symulacja przetwarzania jednej linii skanowania (scanline) na raz. W tym przypadku, zamiast aktualizować każdy piksel, aktualizacja zachodzi po przetworzeniu całej linii skanowania. Nasz emulator wykorzystuje jeszcze prostsze podejście, które polega na aktualizacji całego ekranu raz na klatkę. Choć ta metoda jest najmniej dokładna, to jest również najbardziej wydajna, ponieważ wymaga najmniej aktualizacji w ciągu jednej klatki i nie wiąże się z tak skomplikowanym odwzorowywaniem procesów, jak w przypadku symulacji prawdziwego PPU.

Aby zrozumieć sposób działania PPU, konieczne jest zapoznanie się z kilkoma podstawami dotyczącymi pamięci tła i sprite'ów, a także miejscem, z którego pochodzi ta grafika. Dane te przechowywane są w specjalnym obszarze pamięci na kartridżu, znanym jako CHR ROM. Rozmiar tej pamięci może się znacznie różnić w zależności od gry – wczesne gry używały zazwyczaj tylko 8 KB CHR ROM, podczas gdy późniejsze gry mogły korzystać z mapera, który umożliwiał wymianę regionów pamięci, co pozwalało na przechowywanie o wiele większej ilości danych. Część gier zastępowała CHR ROM pamięcią CHR RAM, którą można było modyfikować w trakcie rozgrywki, ale w większości gier dane tła i sprite'ów były przechowywane w stałym CHR ROM.

Ważnym elementem jest to, że PPU nie ma bezpośredniego dostępu do pamięci RAM, z której korzysta CPU. To oznacza, że wszystkie operacje związane z grafiką odbywają się z wykorzystaniem danych zapisanych w pamięci ROM lub RAM kartridża, a procesy te są w pełni kontrolowane przez układ PPU.

Dodatkowo, warto zrozumieć, jak dokładnie działa system zarządzania pamięcią w kontekście sprite'ów i tła. Gdy mówimy o sprite'ach, mówimy o dynamicznych obiektach, które mogą poruszać się po ekranie. PPU przydziela każdemu sprite'owi miejsce w specjalnej tabeli o rozmiarze 256 pozycji, gdzie każda z nich zawiera dane na temat pozycji, rozmiaru i innych właściwości sprite’a. Ważne jest, by pamiętać, że NES może wyświetlić maksymalnie 64 sprite’y na raz. Gdy na ekranie znajduje się więcej sprite’ów, układ PPU nie jest w stanie ich wszystkich wyświetlić, co skutkuje pojawieniem się efektu tzw. "sprite overflow" – nadmiarowe sprite’y zostaną zignorowane.

W przypadku tła, NES korzysta z systemu siatek zbudowanych z tzw. "tiles" (płytek), które są małymi obrazkami, wykorzystywanymi do tworzenia większych, statycznych elementów, jak platformy czy tła. Te płytki są zapisywane w pamięci CHR ROM i mogą być wyświetlane na ekranie w różnych kombinacjach, tworząc złożoną scenę. Każdy tile ma swój unikalny identyfikator, który wskazuje, który kawałek grafiki ma być wyświetlony w danym miejscu ekranu.

PPU ma również za zadanie synchronizować wyświetlanie grafiki z procesem renderowania, aby uniknąć artefaktów graficznych. Aby to osiągnąć, działa w ramach tzw. "VBlank" – okresu, w którym nie wykonuje się rysowania nowych ramek na ekranie. Jest to moment, w którym odbywa się przetwarzanie wszystkich danych potrzebnych do wyświetlania kolejnej klatki gry, zapewniając płynność wyświetlania grafiki.

Zrozumienie działania PPU w emulacji NES wymaga więc nie tylko technicznego wglądu w sposób zarządzania pamięcią, ale także w sposób synchronizacji wszystkich elementów, które składają się na końcowy obraz na ekranie. Choć istnieją różne metody implementacji, to zależnie od podejścia, można dostosować dokładność wyświetlania, wydajność oraz poziom realizmu w emulacji. W przypadku naszego emulatora, metoda przetwarzania całego ekranu raz na klatkę jest kompromisem pomiędzy wydajnością a dokładnością, co w kontekście ograniczeń sprzętowych i programowych jest najbardziej odpowiednie.

Jak działa implementacja pamięci PPU w emulatorze NES?

Implementacja PPU (Picture Processing Unit) w emulatorze NES jest jednym z kluczowych elementów, które decydują o poprawnym odwzorowaniu grafiki i interakcji z pamięcią w systemie NES. Celem jest zapewnienie, by emulator poprawnie zarządzał pamięcią graficzną, taką jak tablice wzorców (pattern tables), tabele nazw (nametables) czy paleta kolorów. Poniżej przedstawiamy szczegóły implementacji tych funkcji w emulatorze, które mogą stanowić podstawę dla pełnego zrozumienia działania PPU.

Rejestry PPU odpowiadają za manipulację adresami i danymi w różnych obszarach pamięci. Przykładem mogą być rejestry 0x2003 i 0x2004, które odpowiadają za ustawienie adresu i zapis danych w odpowiednich tablicach. Rejestr 0x2003 ustawia zmienną spr_address, która wskazuje na bieżący adres w tablicy sprite'ów. Rejestr 0x2004 zapisuje wartość w tym adresie, a następnie zwiększa adres o 1, wskazując na kolejny element w tablicy sprite'ów.

Warto również zwrócić uwagę na rejestr 0x2005, który odpowiada za przewijanie ekranu. Choć w omawianym przykładzie przewijanie to nie zostało zaimplementowane, pełna implementacja wymagałaby dodania obsługi tej funkcjonalności. Z kolei rejestr 0x2006 pozwala na modyfikację 16-bitowego adresu addr. Ze względu na to, że adres jest 16-bitowy, operacja zapisu wymaga dwóch oddzielnych zapisów — pierwszy zapis dotyczy tylko 8 bitów najmłodszych, a drugi 8 bitów najstarszych. W tym przypadku pomocnym narzędziem jest tzw. latch (zatrzask), który umożliwia poprawne zapisanie pełnego 16-bitowego adresu w dwóch etapach.

Rejestr 0x2007 jest wykorzystywany do zapisu danych w pamięci PPU, w której zapisuje się różne informacje graficzne, jak np. dane tekstur w tablicach wzorców. Przy każdym zapisie do tego rejestru, adres pamięci PPU (self.addr) jest inkrementowany o wartość określoną przez address_increment.

W ramach implementacji PPU emulator korzysta z metod read_memory() oraz write_memory(), które odpowiadają za odczyt i zapis danych w różnych obszarach pamięci. Oto jak wygląda struktura tych metod:

Metoda read_memory() obsługuje różne regiony pamięci, takie jak:

  1. Tablice wzorców (pattern tables): Przechowują dane tekstur. Odczyt odbywa się bezpośrednio z pamięci ROM.

  2. Tabele nazw (nametables): Zawierają dane o rozmieszczeniu obiektów na ekranie. Aby poprawnie obsłużyć tabele nazw, uwzględnia się mechanizm powielania pamięci (mirroring), dzięki czemu możliwe jest korzystanie z różnych metod rozmieszczania danych (np. wertykalne lub horyzontalne powielanie).

  3. Paleta kolorów: Zawiera dane o kolorach używanych w grafice. Także tutaj stosowane jest powielanie pamięci, a zapis do pamięci odbywa się w określony sposób, aby umożliwić poprawne odwzorowanie kolorów.

Metoda write_memory() działa analogicznie do read_memory(), ale wykonuje zapis do odpowiednich obszarów pamięci. Obsługuje te same regiony: tablice wzorców, tabele nazw i paletę kolorów, z zachowaniem odpowiednich zasad dla każdego z tych obszarów pamięci.

Kiedy operujemy na tych metodach, zwracamy uwagę na konieczność obsługi powielania pamięci, co jest realizowane przy pomocy operacji modulo (%). Dzięki temu możemy zapewnić, że adresy przekraczające określone granice (np. 0x2000) będą poprawnie odwzorowane w odpowiednich przedziałach pamięci.

Testowanie emulatora jest niezwykle ważnym etapem, który pozwala na weryfikację poprawności implementacji. Istnieje szereg testów ROM, które zostały stworzone w celu sprawdzenia działania emulatorów NES. Takie testy weryfikują zarówno działanie CPU, jak i PPU, sprawdzając poprawność zapisu i odczytu z pamięci oraz interakcję między procesorem a jednostką graficzną. W przykładowym teście test_nes_test() porównywane są wyniki generowane przez emulator z oczekiwanymi wynikami zapisanymi w pliku logu. W ten sposób sprawdzana jest zgodność emulacji z rzeczywistym zachowaniem systemu NES.

Również testy jednostkowe, takie jak test_blargg_instr_test_v5_basics(), test_blargg_instr_test_v5_implied() i test_blargg_instr_test_v5_branches(), zapewniają, że operacje na pamięci RAM i testy opcode'ów działają poprawnie. W przypadku tych testów sprawdzane są różne aspekty działania CPU, takie jak obsługa instrukcji, stan rejestrów i poprawność wykonania operacji.

Warto zauważyć, że choć wiele testów jest skoncentrowanych na sprawdzaniu CPU, to implementacja PPU również odgrywa kluczową rolę, szczególnie w kontekście renderowania grafiki. Dla pełnej zgodności emulatora z rzeczywistym sprzętem NES, ważne jest, aby wszystkie interakcje pomiędzy CPU i PPU były starannie przetestowane, co umożliwia odtworzenie pełnego doświadczenia użytkownika z oryginalnym NES.

Również istotnym aspektem, który warto uwzględnić, jest konieczność dalszej rozbudowy emulatora o dodatkowe funkcje, takie jak obsługa przewijania ekranu w rejestrze 0x2005, które są istotne dla pełnej kompatybilności z grami wymagającymi tej funkcjonalności.

Jakie są zalety i wyzwania związane z wykorzystaniem różnych sensorów w autonomicznych pojazdach?
Jak zmieniają nas klęski żywiołowe i innowacje technologiczne?
Jak rośliny i zwierzęta używają sztuczek do obrony przed wrogami?