Картридж для 8 битной приставки своими руками

Самодельные картриджи для Dendy/Famicom

После моей статьи про дампер картриджей (которую пока что оставили на Хабре почему-то), меня очень много раз просили рассказать, как собирать и записывать картриджи для Денди/Famicom самому. Да, это очень избитая тема, даже в древних номерах журнала «Радио» про это можно было почитать, но прогресс не стоит на месте. Рассмотрим эту тему с точки зрения современных компонентов. Тем более, по-моему, она идеально подходит для изучения азов работы с ПЛИС, именно на этом я и сам учился.

Как и в прошлый раз, эта публикация в двух форматах: развлекательное видео попроще (да, уже третья серия) и обычная статья с более детальной информацией. Кому как больше нравится, но лучше посмотрите и то, и другое.

Видео:

Статья:

Начать, наверное, нужно с того что, картриджи, которые продавались и продолжают продаваться в наших магазинах, перезаписать, увы, не получится (на самом деле некоторые можно, но об этом в другой раз). Связано это с тем, что в них установлена обычная EPROM память, которую можно записать только один раз. Однако, ничто не мешает собрать свой собственный картридж с нуля.

Напомню, что картридж включается прямо в шину CPU и в шину PPU, а соответственно в первую очередь содержит две микросхемы памяти с параллельным доступом: PRG — к ней обращается процессор, и она содержит непосредственно код игры, и CHR — с ней работает PPU (графический процессор), и она содержит изображения. При чём последняя запросто может быть не ПЗУ, а оперативной памятью, куда уже в процессе игры записываются данные.

Таким образом, самый простой картридж можно сделать из любых двух микросхем памяти с параллельным доступом, будь то хоть EPROM, хоть flash. При этом больше ничего из обвязки не нужно. Например, вот так выглядел мой первый самодельный картридж:

Микросхемы просто подключаются напрямую к соответствующим выводам на разъёме картриджа. Ноги /RD можно припаять напрямую к земле, ведь консоль всегда будет только читать данные, но я записывал данные уже после сборки картриджа, с помощью всё того же дампера, поэтому подключил все выводы как положено. Биты адреса и данных при этом перепутаны местами, но это абсолютно не имеет значения. Внизу можно увидеть перемычку, которая определяет «mirroring» — как будет зеркалироваться видеопамять: горизонтально или вертикально. Это зависит от игры, и в простейших играх определялось именно перемычкой на картридже.

И ещё очень важный момент — активировать нашу память нужно только тогда, когда консоль обращается к картриджу, иначе будет возникать конфликт на шине. Для этого у микросхем есть вывод /CE (chip enable), который включает память. Тут в ход идёт достаточно простая математика. Программная (PRG) память картриджа начинается с адреса $8000 и заканчивается $FFFF, это два в пятнадцатой степени. Графическая (CHR) память картриджа начинается с адреса $0000 и заканчивается $1FFF, имея объём в 8 килобайт, а это два в тринадцатой степени. Соответственно включать нашу память надо пятнадцатым и тринадцатым контактом на адресной шине. На разъёме картриджа уже есть специальные выводы, которые выдают необходимый нам сигнал. Более того, в случае с PRG памятью нужный нам контакт так и называется — /ROMSEL — сокращённо от ROM Select. Туда консоль выдаёт 0 вольт, когда обращается к памяти картриджа в районе между $8000 и $FFFF. Всё проще некуда.

Однако, на такой картридж можно будет записать только самые простейшие игры. Более серьёзные уже используют картриджи с мапперами, чтобы увеличить максимальный объём игры. Попробую объяснить, как они работали.

У памяти с параллельным доступом каждый бит адреса задаётся отдельным выводом у микросхемы. В разъёме для картриджа есть выводы A0-A14 (15 выводов) для PRG памяти. Это соответственно 15 бит адреса, которые дают 32768 комбинаций единиц и нолей, т.е. позволяют адресовать 32 килобайта. Для CHR памяти там соответственно выводы A0-A13, это 16384 комбинаций, т.е. 16 килобайт, но половина из них отдана памяти внутри консоли.

Уже в восьмидесятые годы таких объёмов стало не хватать. Конечно ничто не мешает поставить в картридж память бОльшего объёма, но у такой памяти и адресных выводов больше. Не трудно посчитать, что каждый дополнительный вывод увеличивает количество возможных адресов ровно в два раза. Но куда их подключать, если количество контактов в разъёме картриджа ограничено? Вот тут на помощь и приходят мапперы, именно они управляют дополнительными выводами в зависимости от различных условий. Почти всегда такими условиями является попытка запись в PRG-область памяти картриджа. Да, в ту, куда нельзя ничего записать.

Многие игры используют для этих целей простейшие логические микросхемы. Например, в картридже у Battletoads стоит четырёхбитный счётчик 74161, который используется как триггер. При записи по любому адресу от $8000 до $FFFF он запоминает записанное значение и выдаёт его на те самые дополнительные выводы у памяти, он же переключает мирроринг.

Но большинство игр использует для этого более сложные микросхемы, которые разработаны специально для этих целей.

Они, как правило, умеют уже переключать разные банки для разных областей памяти, управлять дополнительной памятью, генерировать прерывания, а иногда даже расширять вычислительные мощности консоли.

В качестве примера возьмём самый популярный маппер — MMC3. О нём во всех подробностях можно почитать тут: wiki.nesdev.com/w/index.php/MMC3

Первым делом читаем, как происходит взаимодействием с ним. А происходит оно через запись по определённым адресам, их 8 групп: $8000-$9FFE (чётные), $8001-$9FFF (нечётные), $A000-$BFFE (чётные), $A001-$BFFF (нечётные), $C000-$DFFE (чётные), $C001-$DFFF (нечётные), $E000-$FFFE (чётные) и $E001-$FFFF (нечётные). Запись по любому адресу внутри группы равнозначна. Видите закономерность? Регистр выбирается с помощью трёх адресных бит: A0, A13 и A14, остальные же значения не имеют.

Попробуем же имитировать работу маппера с помощью ПЛИС. Код я пишу на языке Verilog. Он тут не подсвечивается, прошу прощения за это.
Сначала описываем наши регистры, которые хранят текущее состояние:

Описываем реакцию на запись по соответствующим адресам. Возрастающий сигнал /ROMSEL говорим о том что было обращение к памяти картриджа, т.е. по адресам $8000-$FFFF, нам надо реагировать именно в этот момент.

Теперь же опишем, какой должен выбираться банк при обращении к соответствующей части памяти в зависимости от наших регистров.
Переключаются они в соответствии с такой таблицей:

Где $8000 & #$40 — это у нас prg_mode, а -2 и -1 — это предпоследний и последний банк соответственно. Получается такой код:

Теперь CHR. Там такая схема:

Где $8000 & #$40 — это chr_mode. Получается так:

Режим зеркалирования описывается всего одной строкой. В зависимости от него мы замыкаем вывод картриджа CIRAM A10 либо на A10, либо на A11:

Дальше сложнее. MMC3 умеет генерировать прерывания, когда на экране рисуется определённая строка. Это весьма полезно, и игры часто это используют. Строки на экране считаются с помощью обращений к A12 у PPU. При типичных настройках сигнал на A12 переходит из логического 0 в логическую 1 ровно один раз за строку, если не считать кратковременные переходы в 0. А их надо не считать, это всё немного усложняет:

Ах да, MMC3 поддерживает ещё подключение дополнительной оперативной памяти по адресу $6000-$7FFF! Надо не забыть и это описать:

Вот и всё, наш MMC3 готов! Полный код можно посмотреть тут: https://github.com/ClusterM/nes_mappers/blob/master/4%20(MMC3)/MMC3.v
В том же репозитории есть коды многих других мапперов.

На самом деле собрать картридж для какой-то одной определённой игры весьма просто, ведь нужно будет установить только необходимые компоненты. А вот сделать универсальный картридж гораздо сложнее.Если установить ПЛИС на 128 макроячеек, flash на 512 килобайт для PRG, flash на 512 килобайт для CHR, SRAM на 32 килобайта для CHR, SRAM на 32 килобайта в качестве дополнительной памяти, питание которой поддерживается батарейкой для игр, которые умеют сохраняться, то на нём пойдёт уже около 90%-95% игр. Схема получается весьма замороченная, я долго вручную рисовал плату под всё это дело. Кстати, при выборе компонентов не стоит забывать, что у Famicom/Dendy пятивольтовые уровни. Китайцы сейчас очень часто это игнорируют.

Первая ревизия моего универсального картриджа выглядела как-то так:

Ну и программу для записи игр написал конечно же:

Как видите, всё не так сложно, если немного посидеть и разобраться в принципах работы.

Источник

Dendy своими руками

Долго назревало что-то подобное как Dendy своими руками, и стоял выбор между Dendy и ZX. Выбор пал на Dendy, но ZX буду собирать позже, после окончания рыболовного сезона )

На мой взгляд, вся суть сборки приставки заключается в 3 этапах.

Найти сбалансированную плату для монтажа Dendy своими руками.

Точнее сказать, найти граберы платы, сделанные профессионалами. Такие есть. Хочу выразить благодарность Хардварычу с форума emu-land.net и всем, кто участвовал в проекте по адаптации и настройке платы для Junior.

Так выглядит готовая плата. Заказывал я её у китайских друзей с АЛИ. Приехала она в течении 2 недель. Заказывал 10 штук, приехало 11. За что им и спасибо. По Москве сделать такую плату предлагали в 4 раза дороже. Она полностью подходит под стандартный корпус, имеет стереовыход аудио. Микросхемы выставлены оптимально для распайки и уменьшения длины дорожек.

Сами граберы для вытравливания, версия платы 01. Есть более новая, в ней отличается только расположение одного конденсатора. Считаю такую доработку не новой версией. Выкладывать её не буду. Собирал по версии 01, всё отлично, рабочая и отлично встаёт в стандартный корпус.

Полный комплект деталей для спайки Dendy своими руками.

Вот тут возникают сложности. Процессоры и сопроцессоры уже не выпускают, и найти можно либо старые запасы, либо через китайских друзей.

Процессоры и сопроцессоры. Для заказа через АЛИ обязательно вступать в переговоры о том, что будет высылать китайский друг. Короче капец) Но рано или поздно приезжают рабочие микросхемы и даже с небитыми пикселями. Последний, у которого заказывал, вот этот. От него приехали UA6527p, но они оказались обычными UA6527 и работали на частоте 21.47, пришлось собрать 2 генератор и проверять работоспособность процессора и сопроцессора на разной частоте. Будьте внимательны.

Самих систем может быть 2 варианта: PAL и NTSC версии.

NTSC версии: Процессор — UA6527, Видео процессор UA6528
PAL версии: Процессор — UA6527p, Видео процессор UA6538

Для выбора системы передачи видео сигнала, не забываем про основной генератор приставки. Разница в выдаваемой частоте генерации, на которых работают эти разные системы.

PAL работает на частоте 26.6
NTSC работает на частоте 21.47

Это все отличия в деталях при сборе PAL или NTSC систем.

По задумке ребят, которые делали данную плату, все CMD компоненты размера 0805, но это большие по 2 мм детали я рекомендую впаивать размер 0603. Они более подходят для монтажа на данную плату.

Перед закупкой рекомендую посмотреть компоненты на старых платах модемов, материнках, роутерах и подобном хламе. Я выпаял от туда порядка 60% всех CMD компонентов.

Микросхемы: Как выяснилось, память не так уж и ограничена маркировкой. Главное — найти подобную память с характеристиками: 5V 32K X 8 CMOS SRAM, очень часто встречаются на старых материнках.

После того, как у нас есть все компоненты, осталось найти 60-пиновый разъём для картриджа)

Или мы его выпаиваем со старой приставки, или опять на АЛИ. Я заказывал вот тут, и у меня в запасе ещё остались, могу вручить по себестоимости закупки.

Ну и заключительный поиск упрётся в разъёмы для джойстиков. Тут, к сожалению, альтернатив мало: либо снимать со старой, либо лепить ляпуху из вот такой альтернативы: D-Sub DB15 Вилка должна быть угловая. Она отлично входит в плату и отлично держит джойстик.

Некоторые ссылки на детали:

Обратите внимание на микросхемы SRAM. Случайно не закажите широкие 24-пиновые. Нужны узкие 28-пиновые.

Диодный мост — его можно устанавливать и на 1 ампер. 1.5 стоит с запасом.

И сама плата в сборе со всеми деталями.

Дорожная карта при сборке Dendy своими руками

Схема, если кто всё-таки дочитал до этапа сборки) Чтобы открыть в полном расширении, на открывшейся картинке правой кнопкой — открыть в новой вкладке и уже левой кнопкой +.

Первым делом

Впаиваем 60-пиновый разъём и проверяем, как прозваниваются все его 60 контактов по дорожкам до тех мест, куда приходит каждый контакт. Почти половина ведёт к СPU, вторая половина — к PPU. Питание и выходы с генератора.

Вторым делом

Собираем схему питания. Разъём питания, диодный мост, стабилизатор с радиатором, конденсаторы до стабилизатора и после, кнопка включения и кнопка resset. Подаём питание и проверяем все последние ножки на всех микросхемах на наличие стабильного питания в +5 вольт. Последняя нога микросхемы +, минус находится на противоположной стороне в конце микросхемы.

Третьим делом

Собираем схему усилителя звука и вывода изображения. После сборки можно проверить работоспособность каскада касаниями к выходам левого и правого каналов с CPU, ножки 1 и 2. При касании к ним рукой должен появляться тихий шум на выходе усилителя звука. На вашем телевизоре, если вы подключили красный и белый выход ко входу аудио)

Касаниями к выходам с PPU ножка 21 на телевизоре при подключенном желтом кабеле к входу видео будет появляться мелкая рябь.

Четвёртым делом

Паяем все детали и каретки для микросхем на плату. Проверяем каждую припаянную деталь трижды: номинал, как припаяли, прозвонили её по месту.

Пятым делом

Вставляем все микросхемы на свои места. И пробуем запустить без картриджа. На экране должен появится квадрат, называется растр. Ну и какой-то непонятный хруст и звук при включении. Включаем.

Вставляем картридж и включаем.

Долгие мучения с бубном и тщательная проверка пайки ведёт к запуску данного аппарата)

Жёлтым — каскад аудио и видео усилителей и выходов.

Красным — детали питания схемы.

Синим — генератор частоты — для смены частоты с PAL на NTSC меняется только кварц, PPU и CPU.

Напоследок опишу основные проблемы, которые почерпнул на форуме и с которыми сталкивался сам:

Основная проблема: картинка есть, игра идёт на экране артефакты — битый PPU, не починить никак, только замена на заранее стабильный для проверки.

Вторая причина

Питание есть, ничего не запускается вообще HELP.

Причин море)

Первое и главное: ПАЙКА. Проверяйте 10 раз все детали на работоспособность перед пайкой.

Второе: микросхемы. Очень часто купленные микры не совместимы с китайскими катриками на 400 игр. Не хватает скорости обработки. Проверяйте работоспособность на старых картриджах, которые ещё на капле. У них микры на 5 вольт и там скорость медленнее, чем на новый китайских многоигровках. В моём случае причина незапуска картриджа Кулбой была в микросхеме SN74HC139N. На каплях все катрики работали , а новый 400 в 1 не запускался, пока я её не поменял.

Третья причина:

Криво спаянный генератор частоты. Проверяйте, есть ли генерация на ножках: PPU нога 18 и на CPU нога 29.

На них и проверяем осцилографом наличие генерации с нашего генератора частоты сигнала.

Если чего еще вспомню, добавлю)

За некоторыми деталями можно обращаться ко мне.

На основании всего вышеизложенного можно самому вполне быстро и с удовольствием собрать Dendy своими руками.

Источник