Verständnis des Designs des Super-Nintendo-Videosystems

Das Design des Super-Nintendo-Videosystems

Das Innere eines Fernsehers Anfang der 90er

• Das Super Nintendo gibt Video auf einem Standard-Fernsehgerät aus
• Der Fernseher empfängt analoges TV-Signal (NTSC) über eine Antenne, nimmt das Signal über einen Tuner auf und zeigt das Bild auf einer CRT (Kathodenstrahlröhre) an
• Der Fernseher verfügt über einen Zusatzeingang (AUX); ein Standard-Fernsehgerät hat Composite-Anschlüsse (gelb) für das Videosignal und separate Buchsen (weiß und rot) für das Stereo-Audiosignal

Funktionsweise einer CRT

• Eine CRT arbeitet mit 15 kHz und zeichnet etwa 15.000 Zeilen pro Sekunde
• Im Inneren der CRT befinden sich drei Elektronenkanonen, die Elektronen immer geradeaus schießen; zwei Magnetsätze (vertikal und horizontal) lenken die Elektronen nach oben und unten sowie nach links und rechts
• Eine CRT hat keine Pixel; die von den Elektronenkanonen ausgesandten Elektronen treffen immer auf den richtigen Farbstreifen

Wie eine CRT gesteuert wird

• Eine CRT verarbeitet rote, grüne und blaue Signale, die mit den jeweiligen Elektronenkanonen verbunden sind
• Synchronisationssignale (HSYNC und VSYNC) werden über einen einzelnen weißen Draht übertragen; das nennt man Composite-Sync (CSYNC)
• Die CRT verarbeitet die Signale und versucht, die Elektronenkanonen zu synchronisieren

Wie eine CRT ein Bild zeichnet

• Eine CRT zeichnet Zeilen von links nach rechts
• Bei einem HSYNC-Ereignis kehrt sie zur linken Seite des Bildschirms (X=0) zurück, bei einem VSYNC-Ereignis zum oberen Rand des Bildschirms (Y=0)
• Während sie sich nach rechts bewegt, sinkt sie leicht nach unten und zeichnet die Zeile

Der Schlüssel zum Verständnis einer CRT

• Der entscheidende Punkt bei einer CRT ist, zu verstehen, dass sich die Elektronenkanone nach rechts bewegt und dabei nach unten sinkt
• Wenn VSYNC gleichzeitig mit dem letzten HSYNC auftritt, wird die Zeile immer an derselben Position des Bildschirms gezeichnet
• Wenn VSYNC zwischen zwei HSYNCs auftritt, werden die Zeilen versetzt bzw. überkreuzt gezeichnet

Was innerhalb einer Zeile passiert

• Beim Zeichnen der Zeilen arbeitet die CRT digital, aber der Inhalt innerhalb der Zeile ist analog
• Die drei Elektronenkanonen sind direkt mit den RGB-Leitungen verbunden, und das System kann die Farbsignale frei verändern

Umgang in bestehenden Systemen

• Die SNES-Designer mussten ein Signal liefern, das eine CRT verarbeiten konnte
• Die NTSC-Signalspezifikation musste eingehalten werden
• Seitenverhältnis 4:3, 262,5 Zeilen pro Feld, 341,25 Punkte pro Zeile, Feldfrequenz 59,94 Hz

Nintendo-Ingenieur werden

• Nachdem verstanden war, wie eine CRT funktioniert, musste ein Videosystem entworfen werden
• Es wurden 262 Zeilen verwendet, um einen Progressive-Mode zu erzeugen, mit einer Ziel-Bildrate von 59,94 Hz
• Zur Anpassung an das Seitenverhältnis 4:3 wurden 350 Punkte verwendet, wofür ein Dot-Clock von 5.496.498 Hz nötig war

Problemlösung

• Ein Dot-Clock von 5.496.498 Hz konnte nicht verwendet werden
• Es musste ein Master-Oszillator verwendet werden, den die Subsysteme über Frequenzteiler nutzen
• Das Overscan-Problem musste gelöst werden

Einführung von Overscan

• Wenn die Elektronenkanone beim horizontalen oder vertikalen Reset weiter Elektronen aussendet, entstehen sichtbare Artefakte
• Fernseher nutzen Overscan, sodass das Bild etwas größer als der sichtbare Bildschirmbereich dargestellt wird
• Nach VSYNC und HSYNC ist eine Zeit nötig, in der die Elektronenkanone stoppt

Wahl der vertikalen SNES-Auflösung

• Konkurrenzsysteme verwendeten 224 sichtbare Zeilen
• Nintendo teilte 262 Zeilen in 224 sichtbare Zeilen und 38 leere Zeilen auf

Wahl der horizontalen SNES-Auflösung

• Es wurden 262 Zeilen verwendet, und mit einem Master-Clock von 21.47727 MHz wurde ein Dot-Clock von 5.3693175 MHz erzeugt
• Mit 341 Punkten wurde eine Bildrate von 60.098 Hz erreicht

Wahl des horizontalen Overscan beim SNES

• Von 341 Punkten wurden 256 sichtbare Punkte verwendet, und 85 Punkte dienten als HBLANK
• Das Bildseitenverhältnis beträgt 8:7, was zu einer leichten Verzerrung führt

Hochauflösender Modus: Interlacing

• Die vertikale Auflösung kann auf 448 Zeilen verdoppelt werden
• Die horizontale Auflösung zu verdoppeln ist schwierig

PAL und NTSC

• In Europa wurde statt NTSC PAL verwendet, in Frankreich SECAM
• PAL verwendet eine Bildrate von 50 Hz und 312,5 Zeilen pro Feld
• Die PAL-Version des SNES verwendet einen Master-Clock von 17.7344750 MHz
• Die sichtbare Auflösung beträgt 224 Zeilen und 256 Punkte, bei einer Bildrate von 50.00697891 Hz

Ausgabe

• Das SNES wandelt das CRT-Signal in Composite und S-Video um
• Über den AV-Anschluss liefert es reine RGB/CSync-Signale, Composite-Signale und S-Video-Signale

Zusammenfassung von GN⁺

• Dieser Artikel erklärt den Entwurfsprozess des Super-Nintendo-Videosystems und behandelt die Funktionsweise von CRTs sowie die Signalverarbeitung
• Anhand des Verständnisses von CRT-Verhalten und Signalverarbeitung werden die Designentscheidungen des SNES-Videosystems erklärt
• Der Artikel ist nützlich für Menschen, die sich für das Hardware-Design von Videospielkonsolen interessieren, und hilft dabei, die Geschichte und Funktionsweise der CRT-Technologie zu verstehen
• Ähnliche Projekte mit vergleichbaren Eigenschaften sind Sega Genesis und Neo-Geo AES

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentar

• 224 ist durch 16 teilbar und passt daher gut zur Tilemap der Grafik-Rendering-Pipeline

  • CGA/EGA/VGA hatten alle einen 320x200-Modus
  • Das NES hatte 256x224, und beim SNES war es genauso
  • Pac-Man hatte in der Arcade 288x224
  • Pac-Man-Klone auf dem PC sahen immer seltsam aus
  • Verstanden habe ich das erst, nachdem ich die Details der Hardware gelernt hatte
  • Die Pixel sind bei PC-Auflösungen nicht quadratisch
  • Wenn ich mir Pac-Man-Ports oder -Klone ansah, versuchte ich immer, die Weltgröße, Tile-Größe und Sprite-Größe herauszufinden

• 59,94 Hz ist eine seltsame Zahl

  • Nordamerika und einige andere Regionen nutzen ein 60-Hz-Stromnetz

• Das 8:7-Seitenverhältnis des Artworks sieht man bei auf andere Plattformen portierten SFC/SNES-Spielen

  • PSX-/Saturn-/PC-Versionen behalten die Originalgrafik bei und fügen Padding auf 4:3 hinzu
  • Wenn man Screenshots der Saturn-Version ansieht, wirkt alles ein wenig zu schmal

• Bei europäischen Spielen erfolgt VSYNC bei 50,00697891 Hz, wodurch Spiele 17 % langsamer laufen als beabsichtigt

  • Ich war enttäuscht, als ich Sonic the Hedgehog zum ersten Mal auf dem Mega Drive spielte
  • Den Geschwindigkeitsunterschied zwischen NTSC und PAL habe ich erst durch YouTube kennengelernt
  • Auch die Musik klingt auf PAL furchtbar
  • DooM auf dem SNES hatte in der NTSC-Version einen größeren Bildschirmbereich
  • Ich war gut in Punch-Out auf dem NES, aber hätte ich in den USA angetreten, wäre ich in der ersten Runde ausgeschieden

• Im TFA gibt es einen Tippfehler; ein 8:6-Verhältnis ist dasselbe wie 4:3

  • Ich habe den RF-Ausgang genutzt, um zwischen dem SNES und der TV-Antenne umzuschalten

• Die Ausgaberesolution 256x224 (8:7) wird zu einem 4:3-Bild skaliert

  • Die Dot-Clock des SNES ist langsamer als die Pixel-Clock mit quadratischen Pixeln im ATSC-Standard
  • Die Pixel werden horizontal um 8/7 gestreckt, sodass die 8:7-Auflösung auf 64:49 erweitert wird
  • 224*(4/3) = 298 sichtbare Dots
  • 224*(7/6) = 261,33... sichtbare Dots kommt dem näher

• Ich frage mich, ob es Emulatoren gibt, die das Erscheinungsbild eines CRT exakt simulieren

  • Mit GPU-Shadern sollte das aus Performance-Sicht möglich sein

• Ich hatte mir Einsichten dazu erhofft, wie dadurch ikonisches Game-Design entstanden ist

  • Ich liebte das SNES, konnte meine Eltern aber nicht davon überzeugen
  • Danke fürs Schreiben. Sehr interessant