Game-Boy-/Color-Architektur

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Modelle

• Der ursprüngliche Game Boy wurde in Japan am 21. April 1989, in den USA am 31. Juli 1989 und in Europa am 28. September 1990 veröffentlicht.
• Der Nachfolger der nächsten Generation, der Game Boy Color, wurde in Japan am 21. Oktober 1998, in Nordamerika am 18. November 1998 und in Europa am 23. November 1998 veröffentlicht.

Motherboard

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Diagramme

• Hauptarchitekturdiagramm des ursprünglichen Game Boy

Kurze Einführung

• Man kann sich den Game Boy als tragbares NES mit begrenzter Leistung vorstellen, das jedoch einige sehr interessante neue Funktionen enthält.

Regenbogenanalyse

• Aufgrund der enormen Beliebtheit dieser Konsole erschienen verschiedene Revisionen, z. B. Game Boy Pocket, Light und sogar Varianten im Super-Nintendo-Cartridge-Format.
• Die Marke Game Boy umfasst zwei Generationen.
• Zur 4. Generation gehören der monochrome Game Boy und seine Revisionen, die nächste Generation umfasst den Game Boy Color (der nach dem Ende des Virtual Boy erschien).
• Da dieser Artikel beide Generationen behandelt, erhält man letztlich ein gutes Verständnis dafür, wie sich die Funktionsweise und Technik des Game Boy weiterentwickelten und zum Game Boy Color wurden.

CPU

• Anstatt mehrere frei verfügbare Chips auf dem Motherboard zu platzieren, entschied sich Nintendo für ein Single-Chip-Design, das die meisten Komponenten enthält (und verbirgt).
• Ein solcher Chip wird als System On Chip (SoC) bezeichnet und wurde in diesem Fall speziell für diese Konsole entwickelt und an Nintendos Anforderungen angepasst (Energieeffizienz, Anti-Piraterie, zusätzliche I/O usw.).
• Da dieser Chip in Einzelhandelskatalogen nicht zu finden war, hatten Konkurrenten damals größere Schwierigkeiten, Klone zu bauen.
• Das im Game Boy verwendete SoC wird DMG-CPU oder Sharp LR35902 genannt und von der Sharp Corporation hergestellt.
• Dieses Unternehmen unterhält eine enge Beziehung zu Nintendo.

CPU-Kern

• Der Hauptprozessor innerhalb der DMG-CPU ist der Sharp SM83, eine Mischung aus dem Z80 (der CPU des Sega Master System) und dem Intel 8080.
• Er arbeitet mit etwa 4.19 MHz, was schneller ist als eine durchschnittliche 1-MHz-CPU.
• Der SM83 enthält weder die IX- oder IY-Register des Z80 noch die IN- oder OUT-Befehle des 8080. Das bedeutet, dass keine I/O-Ports verwendet werden können.
• Da nur der Registersatz des Intel 8080 implementiert wurde, gibt es im Gegensatz zu den 16 Registern des Z80 nur 8 allgemeine Register.
• Er enthält einen Teil des erweiterten Z80-Befehlssatzes, allerdings nur die Bitmanipulationsbefehle.
• Sharp fügte einige neue Befehle hinzu, die es weder beim Z80 noch beim 8080 gibt. Diese optimieren bestimmte Aufgaben, die mit der Art zusammenhängen, wie Nintendo/Sharp die Hardware aufgebaut haben.

Farbeffekte

• Fast zehn Jahre später, nach dem Virtual Boy und dem Verzicht auf dessen innovative Hardware, erschien mit dem Game Boy Color ein bescheidener Nachfolger.
• Im Inneren befindet sich ein neues SoC, die CPU CGB, mit einigen Ergänzungen. Der SM83-CPU-Kern ist derselbe, aber die Taktfrequenz wurde verdoppelt und arbeitet nun mit ~8.38 MHz.
• Entwickler konnten ihre vorhandenen Kenntnisse wiederverwenden, um die neue Konsole zu programmieren, Kosten sparen, ohne das System für eine neue Architektur neu entwerfen zu müssen, und mit relativ geringem Aufwand Abwärtskompatibilität ermöglichen.
• Die CPU CGB implementiert zwei Betriebsmodi:
  • Normalmodus: Der SM83 läuft mit ~4.19 MHz.
  • Dual-Speed-Modus: Der SM83 läuft mit ~8.38 MHz.

Hardwarezugriff

• Der SM83 behält einen 8-Bit-Datenbus und einen 16-Bit-Adressbus bei und kann daher bis zu 64 KB Speicher adressieren.
• Die Speicherzuordnung besteht hauptsächlich aus folgenden Endpunkten:
  • Speicherbereich des Game Pak (Spielmodul).
  • Work RAM (WRAM), High RAM (HRAM) und Display RAM (VRAM).
  • I/O (Joypad, Audio, Grafik, LCD).
  • Interrupt-Steuerung.

Verfügbarer Speicher

• Nintendo stattete das Motherboard mit 8 KB RAM aus. Dieser wird für allgemeine Zwecke verwendet (bekannt als Work RAM oder 'WRAM').
• Zusätzlich befinden sich im SoC 127 B RAM, die einen kleinen Bereich für Daten bereitstellen, auf die sofort zugegriffen werden muss (z. B. den Stack).

Grafik

• Alle Grafikberechnungen werden von der CPU durchgeführt, danach rendert die Picture Processing Unit oder 'PPU' das Ergebnis.
• Die Ausgabe erfolgt auf dem integrierten LCD-Bildschirm mit einer Auflösung von 160×144 Pixeln; beim monochromen Game Boy werden 4 Graustufen dargestellt (Weiß, Hellgrau, Dunkelgrau und Schwarz).

Inhaltsaufbau

• Die PPU ist mit 8 KB VRAM bzw. 'Display RAM' verbunden und gewährt auch der CPU einen abgestimmten Zugriff.
• Das Spiel ist dafür verantwortlich, die verschiedenen Bereiche mit dem richtigen Datentyp zu füllen.

Frame-Aufbau

• Wenn wir uns ansehen, wie die PPU Dinge auf den Bildschirm zeichnet, kann Super Mario Land 2 als Beispiel dienen.

Kacheln

• Die PPU verwendet Tiles als Grundbausteine für das Rendern der Grafik.
• Ein Tile ist eine 8x8-Bitmap, die in einem Bereich des VRAM gespeichert wird, der als Tile Set oder 'Tile Pattern Table' bezeichnet wird.

Hintergrundebene

• Die Hintergrundebene ist eine 256x256-Pixel-Karte (32x32 Tiles), die statische Tiles enthält.
• Welcher Teil auf dem Bildschirm angezeigt wird, bestimmt das Spiel; der sichtbare Bereich kann während des Spielens verschoben werden.

Fenster

• Das Fenster ist eine 160x144-Pixel-Ebene, die über dem Hintergrund und den Sprites angezeigt wird und nicht scrollt.

Sprites

• Sprites sind Tiles, die sich unabhängig über den Bildschirm bewegen können.
• Diese Ebene verwendet bzw. benötigt eine zusätzliche Farbe: Transparent.

Ergebnis

• Sobald ein Frame fertig ist, geht es zum nächsten Frame weiter.

Geheimnisse und Einschränkungen

• Durch die Einführung der Fenster-Ebene und zusätzlicher Interrupts wurden neue Arten von Inhalten und Effekten möglich.

Farberweiterungen

• Die PPU des Game Boy Color arbeitet als Obermenge des Originals.

Audio

• Das Audiosystem wird von der Audio Processing Unit (APU) übernommen, einem PSG-Chip mit 4 Kanälen.

Funktionen

• Jeder der vier Kanäle ist für einen einzigen Wellentyp reserviert:
  • Puls
  • Rauschen
  • Welle

Geheimnisse und Einschränkungen

• Der Mixer gibt Stereo-Sound aus, daher können Kanäle dem linken oder rechten Ausgang zugewiesen werden.

Betriebssystem

• Anders als beim NES ist der Game Boy so ausgelegt, dass er immer zuerst von einem internen 256-Byte-ROM bootet und danach zum Spielcode springt.

Spiele

• Spiele werden in Assembler geschrieben und haben eine maximale Größe von 32 KB.

Externe Kommunikation

• Mit dem Game-Boy-Link-Kabel kann mit anderen Game-Boy-Geräten kommuniziert werden.

Anti-Piraterie

• Die Konsole startet das Spiel nicht sofort, sondern führt eine Reihe von Prüfungen durch, um die Ausführung nicht autorisierter Module zu verhindern und zu prüfen, ob das Modul korrekt eingesetzt ist.

Meinung von GN⁺

• Die technische Entwicklung des Game Boy stellt einen wichtigen Fortschritt in der Geschichte tragbarer Spielkonsolen dar.
• Nintendos SoC-Ansatz war innovativ im Hardwaredesign und erschwerte es Konkurrenten, Klone zu bauen.
• Die Abwärtskompatibilität des Game Boy Color bot sowohl Entwicklern als auch Nutzern große Vorteile.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Das Erstaunliche an der Entwicklung des originalen Game Boy ist, dass das Team von Gunpei Yokoi damals erheblichem Zweifel ausgesetzt war. Es gab die Meinung, dass es unpraktisch wäre, im Bus oder auf der Toilette Spiele zu spielen. Ihre Vision war es, ein Gerät zu bauen, das mit einfacher Technik einfache und kurze Spiele bietet. Dieses Team war der maßgebliche Ausgangspunkt für mobiles Gaming.
• Der Game Boy Color wurde zwar erwähnt, aber die Angabe, dass die Cartridge-Größe 1 MB betrage, wurde nicht korrigiert. Einige GBC-Spiele sind bis zu 4 MB groß. Außerdem gibt es ein Zugspiel mit 8 MB, das kurze Videos und hochauflösende Bilder enthält.
• Danke für die Demo mit Pokémon-Audio. Das war eine Reise in die Vergangenheit.
• Der Game Boy ist bis heute meine Lieblingskonsole. Ich entwickle derzeit ein Pinball-Dungeon-Crawler-Spiel in ASM (Assemblersprache). Die Hardware ist leicht zu verstehen, und die Einschränkungen erzwingen Kreativität.
• Ich frage mich, ob wir inzwischen in einer Zeit leben, in der jede Person die nötigen Bauteile und PCBs kaufen kann, um einen Game Boy nachzubauen.
• Was kann man lernen, wenn man die Game-Boy-Architektur versteht — plant hier jemand vielleicht, die Erde zu hacken?
• Es gibt ein ganzes Buch über den Game Boy, das leider nicht ins Englische übersetzt wurde. Ich habe es auf Spanisch gekauft. Es enthält einzigartige Interviews mit den Entwicklerinnen und Entwicklern.