Как сделать игровую консоль своими руками

9

Как сделать игровую приставку своими руками и занять себя на вечер

Как сделать игровую приставку? Подготовьте старый компьютер / ноутбук, накопитель на 2 Гб и более, два джойстика и желательно отдельный монитор с кабелем для подключения. После смонтируйте все элементы, установите операционную систему и выполните настройку. Средние расходы при самостоятельном изготовлении минимальны, что позволяет сэкономить на покупке до 10-15 тысяч рублей.

Что потребуется

Перед тем как сделать игровую приставку своими руками, запаситесь необходимым оборудованием. Вам потребуется:

• старый ПК или ноутбук — можно использовать уже имеющийся или купить за 2000-3000 р;
• USB-накопитель емкостью от 2 Гб и выше — от 160 р;
• пара джойстиков на USB — от 200 р;
• старый монитор, HDMI-кабель или переходник — от 1500 р (не обязательно).

При выборе старайтесь брать компьютер с необходимым набором портов. Мощность не имеет большого значения. Главное, чтобы можно было установить хотя бы Виндовс ХР. Флешку лучше брать отдельно с классом не меньше 10. Игровые джойстики должны быть любыми и с USB-разъемом, чтобы не было проблем с подключением.

Как сделать приставку своими руками

После подключения всех элементов игровая приставка из очень старого компьютера или ноутбука почти готова. Теперь необходимо установить ОС Recalbox, построенную на базе Линукс, но имеющую более удобный для игровой функции интерфейс. Если сделать все правильно, игровая приставка из старого ноутбука позволит играть как в старые, так и в более новые игры.

Алгоритм действий имеет следующий вид:

• Подготовьте все комплектующие.
• Загрузите образ Recalbox. При выборе системы отдавайте предпочтение 32 или 64 битам с учетом вашего компьютера. Необходимая программа занимает не больше 300-400 Мб и доступна по ссылке download.recalbox.com.

• Установите файл на USB-накопитель и сделайте его загрузочным. Для этого вставьте флешку в разъем, загрузите утилиту Etcher по ссылке balena.io/etcher/ и установите программу. После входа в Софт выберите загруженный образ, USB-накопитель и жмите Флеш, после чего дождитесь завершения копирования.

• Чтобы сделать игровую приставку из ПК, вставьте флешку в USB-разъем, перезагрузите компьютер и выберите в роли источника карту памяти. Для решения этой задачи на ПК с MAC зажмите Option до появления картинки Apple, а после выберите карту памяти из перечня. На устройстве с Windows войдите в БИОС, в настройках отыщите пункт First Boot Device и выберите флешку. Для входа в БИОС можно использовать разные кнопки в зависимости от материнской платы, к примеру, Del, F10, F1 и т. д.
• Дождитесь появления надписи Recalbox.
• Подключите джойстики для управления.

На этом главный этап, как из ПК сделать игровую приставку, завершен. Теперь можно перейти непосредственно к установке игр и настройке.

Как настроить систему

Игровая приставка из старого ПК мало отличается от обычной бюджетной консоли по своему функционалу и возможностям. После установки системы в каких-то сложных настройках нет необходимости — достаточно установить необходимые игры. В установленной ОС уже имеется несколько старых игрушек из серии приставок Сега, Супер Ниндендо и других. Многим игрокам этого набора недостаточно, поэтому лучше дополнить игротеку. Это не трудно, ведь в Интернете можно найти почти любую игру, скопировав ее на флешку.

Разобравшись, как сделать из старого ПК игровую приставку, отправляйтесь на поиск развлечений. Информацию можно найти на следующих площадках:

• emu-land.net;
• freeroms.com/nes.htm
• bestoldgames.net/eng и других.

Просто выбирайте подходящий вариант и загружайте себе на ПК. Сделать это не составляет труда, ведь игровой софт запакован в ZIP-архив. Он используется для установки на операционную систему игровой приставки. При этом просто копировать игру на USB-накопитель на ПК / ноутбук не получится — необходимо подключить устройство к Интернету.

Здесь имеется два варианта:

1. Сделать подключение новоиспеченной игровой приставки по проводу через порт Ethernet. Преимущество в том, что здесь не нужно выполнять какие-либо настройки.
2. Подключиться по Вай-Фай. В таком случае войдите в настройки Рекалбокс (зажмите кнопку Старт на джойстике), перейдите в Настройки сети, а далее Включить Вай-Фай. На следующем шаге задайте настройки WiFi и укажите пароль. После соединения на консоли появляется IP адрес. Запомните его и вбейте в адрес ноутбука, к примеру, 192.168.1.1.

После этого в новую игровую приставку можно загружать софт. Сделать это проще всего через FTP-менеджер. Размер игр, которые загружены в интерфейсе Recalbox ограничены по объему. Далее сделайте следующее:

1. Войдите в интерфейс Рекалбокс.
2. На боковой панели выберите платформу (ROMs).
3. Жмите Upload ROMs.
4. Загрузите скачанный актив.
5. После завершения загрузки перезапустите приставку Рекалбокс на ноутбуке / ПК.
6. Проверьте, что игра появилась в перечне.
7. Кликните Старт и наслаждайтесь процессом.

Как видно, сделать игровую приставку из компьютера сможет даже новичок. Здесь не нужны специальные знания, опыт паечных работ или другие сложные навыки.

Плюсы и минусы самодельной приставки

В завершение приведем преимущества и недостатки выполненной работы. Их необходимо учитывать до того, как сделать консоль из имеющегося оборудования.

• Минимальные расходы. При наличии старого ПК и USB-накопителя необходимо потратиться только на покупку старых USB-джойстиков (около 200 рублей);
• Большой ассортимент игрового софта для скачивания в Интернете;
• Минимальная сложность. Сделать игровую приставку может любой желающий в домашних условиях.;

• Для развлечений будут доступны только старые игры;
• Необходимо загружать ряд сторонних программ и делать загрузочную флешку;
• Желательно иметь старый ПК / ноутбук. Если его нет, придется покупать.;

Если у вас пылиться старый компьютер или ноутбук, можно потратить минимальную сумму и сделать игровую приставку своими руками. Она не выдаст всех возможностей современной консоли, но позволит хорошо провести время за старыми и любимыми играми. В комментариях поделитесь своим опытом создания игровой консоли (если есть) и задавайте вопросы.

Собираем свою игровую консоль

Здраствуйте уважаемые читатели!
В детстве я всегда мечтал делать компьютеры и т.д и т.п. Но детство еще не прошло как я уже собираю компьютеры и занимаюсь их продажей. Уже стало немного скучно, хотелось чего то особенного. Я немного подумав и посмотрев на свой Xbox 360, захотел сделать свою игровую консоль. Я назову его GetPlay 220. Итак, сборка прототипа GetPlay 220 Prototype.

Заранее извиняюсь за плохие фотографии 🙂

Идея была такова: консоль должна иметь в себе все функции PC; консоль должна управляться не клавиатурой, не мышью, а геймпадом; консоль должна иметь Wi-Fi и все прочие штуки; консоль должна быть тихой и мощной; консоль должна быть компактной.
Конечно, свою операционную систему не буду писать, оно будет на базе Windows 7. Почему не на Windows 8? Потому что Windows 8 слишком сильно нагружает железо. Я оформлю Windows 7 на свою тему.

1. Подготовка к сборке.

Я решил не покупать корпус, а сделать его самому.

Да, картонная коробка от видеокарты Asus GTX 560 не очень прочная, но это же прототип. Меня спрашивали друзья: «А не сгорит ли он?» (Тупой вопрос да?) Мой ответ: «Если процессор перегревается при температуре больше 100 C, а картон уж точно не сгорит при 100 C. Тем более процессор не касается картона.» 🙂

Где то в моем барахле валялся Core 2 Duo, и еще пара оперативных планок DDR3 по 4GB. У друга купил GT 440 Low Profile за 400р. И получил одну материнскую плату Asus P5G41T-M LX3 даром. В этом проекте участвовали несколько моих друзей. Один из них, мой друг Толя, дал мне блок питания на 350W. Спасибо ему большое. Халява закончилась, теперь покупать по рыночным ценам. Сьездив в г. Якутск (650 км. от Верхневилюйска) на каникулах, я купил: 120 мм кулер, алюминиевый пылевой фильтр, 500 GB HDD, охлаждение для процессора. Вот что мне удалось собрать:
1. Процессор: Intel Core 2 Duo E4500 2.20GHz s775 0р.
2. Материнская плата: Asus P5G41T-M LX3 s775 DDR3 mATX 0р.
3. Оперативная память: Crusial DDR3-1333 4GBx2 0р.
4. Видеокарта: NVIDIA GeForce GT440 Palit 1GB GDDR3 Low Profile 400р.
5. Жесткий диск: Samsung 1TB Sata-2 1790р.
6. Блок питания: Microlab 350W 0р.
7. Корпус: Картонка 0р.
8. Охлаждение: 120×120 Вентилятор для корпуса 80р. 92×92 Охладитель для процессора 400р.
Я все расчитал: видеокарта должна влезть, если убрать металлический «зад». Впрочем, увидим. Привод не нужен, так как есть интернет и «флэшка» 🙂

2. Сборка.
Сначала надо поставить материнскую плату:

Поработав с лобзиком, я получил такую панель. И прикрепил к нему материнскую плату. А заднюю панель сделал так:

Отлично встала 🙂 Итак, пока что все отлично получается. Потом, разбираем блок питания и вставляем:

Как разобрать блок питания, я фотки то снимал, но увы почти все потерял где-то… 🙁

Оставил только радиатор от кулера.

Как видите на этой фотографии видна видеокарта 🙂 Слава богу, ОНА ВЛЕЗЛА! Теперь можно спокойно спать ночью.

Вот это вид сверху. Два 120 мм кулера будут дуть: первая на блок питания и видеокарту; а вторая на радиатор процессора. Один 120 мм кулер снял с блока питания. А на середине будет кнопка включения и выключения.

А вот это вид спереди. Там стоит 80 мм вентилятор который выводит горячий воздух из корпуса. Вентилятор снял со старого компьютера. Рещетку снял с блока питания. 🙂
Вот это да! Мне посчастливилось найти дисковод от ноутбука. Ура! 🙂

Теперь надо поставить. Можно поставить… Но черт возьми мы совсем забыли про жесткий диск! Тогда от дисковода нужно избавиться, но ничего.

Все влезло. Теперь приступим к тестированию!

3. Тест.

Все работает прекрасно! 2 часовой стресс-тест и не было ни одного сбоя и перегрева!
Теперь не хватает только геймпада, а вид корпуса просто омерзительный! 🙁

4. Продолжение сборки.

Я купил искусственную кожу. Теперь его надо приклеить к корпусу:

Красота! Теперь собираем и включаем. Все хорошо работает…
Настал вопрос о покупке геймпада. Немного подумав, и погуглив, я нашел информацию о том что можно подключить беспроводной геймпад от Xbox 360 к ПК!
У меня же есть 2 беспроводных геймпада от Xbox 360.
Поехав в г.Якутск (на олимпиаду по физике), я купил ресивер для подключения беспроводного геймпада к ПК. Стоил 900 р. Но несмотря на цену, я купил.
Пришел домой. И все поставил, установил, настроил.
Для управления OC геймпадом, я скачал программу Xpadder. Эта великолепная программа позволяет кнопки мыши и клавиши клавиатуры переводить в геймпад.

5. Итоги.

Все прекрасно работает и функционирует. 🙂 Единственный минус в том, что при клеивании корпуса, корпус немного деформировался:

У 80 мм кулера смотри. Я исправил на несколько миллиметров, положив сверху 3 килограммовый гантель. 🙂
Так от такой сборки я точно получил огромное удовольствие!
Дополнения и тесты я выложу потом, когда будет время. После этого я сделаю настоящий GetPlay 220, не ПРОТОТИП и выложу его сюда 🙂 Не судите строго, это моя первая публикация.

Ретро игровая приставка своими руками

Этот пост является введением в мой проект «самодельной» консольной видеоприставки сделаной с нуля. Я вдохновлялся как ретро консолями так и современными образцами, но у меня получилась своя собственная архитектура. Мои друзья постоянно мне говорили, что я должен рассказать о своём проекте, а не делать всё исключительно «для себя», так что вот я публикую этот пост.

Внимание, это — перевод

Как всё началось

Меня зовут Серхио Виейра (Sérgio Vieira) я выроc в Португалии в 80-е и 90-е годы, у меня давно ностальгия по ретро-геймингу, особенно по приставкам третьего и четвертого поколения.

Несколько лет назад я решил получше разобраться в электронике и попытаться сделать свою собственную приставку.

По профессии я программист и не имел никакого опыта как электронщик, если не считать (и не стоит этого считать) самостоятельных апгрейдов своего десткопа.

Хотя у меня и не было опыта, я сказал себе «почему бы и нет?», купил несколько книжек, несколько наборов электронщика и начал изучать исходя из своих ощущений о том, что именно стоит изучать.

Я хотел сделать приставку похожую на те которые вызывают у меня ностальгические чувства, я хотел что-то между NES и Super Nintendo, или может между Sega Master System и Mega Drive.

У этих приставок были CPU, оригинальный видео чип (тогда их ещё не называли GPU) и аудио чип, иногда встроеный, а иногда внешний.

Игры распространялись на картриджах, которые в общем были расширениями железа иногда просто ROM чипами, а иногда имели дополнительные компоненты.

Изначальный план был сделать приставку со следущими характеристиками:

• Без эмуляции, игры и программы должны работать на настоящем железе, не обязательно том самом из тех времён, но достаточно быстром для задачи, и не более того.
• С настоящим ретро CPU.
• С аналоговым ТВ выходом.
• Со звуком
• С поддержкой двух контроллеров
• Скроллинг бэков и анимация спрайтов
• С возможностями для поддержки платформерных игр вроде Mario, ну и конечно всяких других игр.
• С загрузкой игр и программ с SD карт.

Почему именно SD карты, а не картриджи, ну в основном просто так намного практичнее, их можно копировать с компа. А картриджи это значило бы, во-первых больше железа в приставке, а во-вторых производить железо для каждой программы.

Производство

Видео сигнал

Первое чем я занялся это генерация видео сигнала.

Любая консоль того периода, который я взял за образец, имела различные проприетарные графические чипы, что означает, что у всех у них были различные технические характеристики.
По этой причине я не хотел использовать готовый графический чип, я хотел чтобы и моя консоль имела уникальные технические характеристики по графике. И поскольку я не мог сделать свой собственный графический чип, и в то время ещё не умел использовать FPGA, я решил ограничиться софтварным генерированием графического сигнала используя 8-битный, 20 мегагерцовый микроконтроллер.

Это не перебор, и как раз достаточно мощное решение для графики того уровня который мне был интересен.

И так, я начал использовать микроконтроллер Atmega644 на чистоте 20 Мгц для генерации видеосигнала в формате PAL для телевизора. Мне пришлось бит-бангить протокол PAL, поскольку сам чип не умеет его.

Микроконтроллер выдаёт 8-битный цвет (RGB332, 3 бита красный, 3 бита зелёный и 2 синий) и пассивный ЦАП преобразует это всё в RGB. К счастью в Португалии почти все телевизоры оборудованы разъёмом SCART и они поддерживают RGB вход.

Правильная графическая подсистема

Поскольку микроконтроллер довольно мощный, а использовать его я решил исключительно для генерации видео сигнала (я назвал это VPU — Video Processing Unit), то я решил заодно организовать дабл-буфер.

У меня получилось что второй микроконтроллер (PPU, Picture Processing Unit, чип Atmega1284 тоже на 20 МГц) генерировал картинку в микросхему ОЗУ номер 1 (я назвал её VRAM1), а первый в это же время отправлял содержимое второй микросхемы (VRAM2) в телевизор.

После одного кадра, а два кадра в системе PAL это 1/25 секунды, VPU переключает VRAM-ы и они меняются местами, PPU генерирует картинку в VRAM2, а VPU дампит VRAM1 на ТВ вывод.

Видео плата получилась очень сложной поскольку мне пришлось использовать внешнее железо чтобы оба микроконтроллера могли пользоваться обоими модулями памяти и чтобы ускорить доступ к ОЗУ, ведь там тоже бит-бангинг, так что пришлось добавить чипы 74 серии как счётчики, line-селекторы, трансиверы и тд.

Прошивки для VPU и PPU тоже получились громоздкие поскольку пришлось писать много кода чтобы выжать максимум скорости из графики. Сначала всё было написано на ассемблере, потом часть была переписана на Си.

В результате PPU генерирует картинку 224×192 пикселей, которая потом отпраляется на ТВ через VPU. Может разрешение вам покажется низким, но вообще-то это почти столько, сколько консоли того времени имели на самом деле, обычно 256×224. Несколько меньшее разрешение зато позволило мне добавить больше фич которые система успевает просчитать за один кадр.

Как и в старину, PPU имеет свою жёсткую механику которой надо уметь пользоваться. Подложка (бэк) рендерится из символов 8×8 пикселей, так же называемых тайлами. Получается что размер бэкграунда 28х24 тайла.

Чтобы бэк мог скроллиться плавно, попиксельно, я сделал так что всего есть 4 виртуальных экрана, каждый по 28х24 тайла которые идут в памяти последовательно и обёрнуты вокруг друг друга, на картинке это понятнее.

Поверх бэкграунда, PPU может отрендерить 64 спрайта которые могут быть 8 или 16 пикселей по высоте или ширине, то есть 1, 2 или 4 тайла и ещё могут быть флипнуты горизонтально и/или вертикально.

Сверху бэка можно ещё рендерить оверлеем один буфер размером 28х6 тайлов, это было задумано для отрисовки HUD-ов, скоров так чтобы не мешать основным спрайтам и скроллингу бэка.

Одна «продвинутая» фича в том, что бэк можно скролить не целиком, а каждую линию в отдельности, что позволяет всякие интересные эффекты вроде сплит скрина или почти-параллакса.

Ещё есть таблица аттрибутов, которая позволяет задавать каждому тайлу значение от 0 до 3, и потом можно всем тайлам с одним аттрибутом задать страницу тайлов или инкрементировать их символьное значение. Это удобно когда есть части бэка которые надо регулярно изменять и CPU не придётся обсчитывать каждый тайл в отдельности, ему достаточно только сказать что-то вроде: «все тайлы с аттрибутом 1 инкрементируйте числовое значение своего символа на 2», подобные вещи реализованые разными техниками можно наблюдать, например, в блочных тайлах в Mario где знак вопроса анимируется или в играх где есть водопад в котором все тайлы постоянно меняются создавая эффект падающей воды.

Когда моя видеоплата заработала, я начал работать с CPU в качестве которого для моей приставки был выбран Zilog 80.

Одна из причин по который был выбран именно Z80, ну кроме того, что это классный ретро CPU, это его способность адресовать два 16 битных пространства, одно для памяти и второе для портов ввода-вывода, не менее легендарный 6502, например, так не может, он может только одно адресовать 16 битное пространство и в него приходится мапить как память так и различные внешние устройства, видео, аудио, джойстики, апаратный генератор случайных чисел и тд. Удобнее иметь два адресных пространства, одно полность отданное на 64 килобайта кода и данных в памяти и второе для доступа к внешним устройствам.

Сначала я подсоединил CPU к EEPROM в котором разместилась моя тестовая программка и ещё присоединил его через пространство ввода-вывода к микроконтроллеру который я установил чтобы можно было общаться с моим компом через RS232, и мониторить как работает CPU и всё остальное. Этот микроконтроллер Atmega324 работающий на 20 МГц я называю IO MCU — input/output microcontroller unit, он отвечает за контроль доступа к игровым контроллерам (джойстикам), SD карт ридеру, клавиатуре PS/2 и коммуникатору по RS232.

CPU подключается к микросхеме памяти на 128 килобайт, из которых только 56 килобайт доступны, это конечно бред, но я мог достать только микросхемы по 128 или 32 килобайта. Получилось, что память состоит из 8 килобайт ПЗУ и 56 килобайт ОЗУ.

После этого я обновил прошивку IO MCU с помощью этой библиотеки и у меня появилась поддержка SD карт ридера.

Теперь CPU мог ходить по директориям, смотреть что в них лежит, открывать и читать файлы. Всё это делается посредством записи и чтения в определённые адреса пространства ввода-вывода.

Подключение CPU к PPU

Следущее, что я сделал это связь между CPU и PPU. Для этого я применил «простое решение» которое заключалось в приобретении двухпортового ОЗУ, это такая микросхема ОЗУ которую можно подключать сразу к двум разным шинам. Это позволяет избавиться он дополнительных микросхем вроде лайн-селекторов и, к тому-же, позволяет практически одновременный доступ к памяти с обоих чипов. Ещё PPU напрямую может обращаться к CPU на каждом кадре активируя свои немаскируемые прерывания. Получается, что CPU получает прерывание на каждом кадре, что полезно для разных задач по таймингу и для понимания когда пора заняться апдейтом графики.

Каждый кадр взаимодествия CPU, PPU и VPU происходит согласно следующей схеме:

1. PPU копирует информацию из памяти PPU в внутреннюю память.
2. PPU отправляет сигнал прерывания на CPU.
3. Одновременно:
   • CPU прыгает на функцию прерывания и начинает обновлять PPU память новым графическим состоянием. Программа должна вернуться из прерывания до следующего кадра.
   • PPU рендерит картинку на основании информации ранее скопированой в одну из VRAM.
   • VPU отправляет картинку из другой VRAM на ТВ выход.

Примерно тогда же я занялся поддержкой игровых контроллеров, сначала я хотел использовать контроллеры от Nintendo, но сокеты для них проприетарные и вообще их трудно найти, поэтому я остановился на 6-кнопочных контроллерах совместимых с Mega Drive/Genesis, у них стандартные сокеты DB-9 которые везде есть.

Написание первой настоящей игры

В это время у меня уже был CPU способный контролировать PPU, работать с джойстиками, читать SD карточки… пора было писать первую игру, конечно на ассемблере Z80, у меня на это ушло несколько дней из свободного времени.

Добавляем динамическую графику

Всё было супер, у меня была своя игровая приставка, но мне этого было мало, потому-что приходилось в игре использовать графику прошитую в памяти PPU и нельзя было нарисовать тайлы для конкретной игры и изменить её можно было только перепрошив ПЗУ. Я стал думать как добавить ещё памяти, чтобы CPU в неё мог бы загружать символы для тайлов, а PPU потом мог оттуда это всё считывать и как это сделать попроще поскольку приставка и так уже получалась сложной и большой.

И я придумал следущее: только PPU будет иметь доступ к этой новой памяти, а CPU будет загружать туда данные через PPU и пока этот процесс загрузки происходит, эта память не может быть использована для отрисовки, но можно будет в это время рисовать из ПЗУ.

После конца загрузки CPU переключит внутреннюю ПЗУ память на эту новую память, которую я назвал Character RAM (CHR-RAM) и в этом режиме PPU начнет рисовать динамическую графику, это наверное не лучшее решение, но оно работает. В результате новая память была установлена 128 килобайт и может хранить 1024 символа 8х8 пикселей каждый для бэкаграунда и ещё столько-же символов для спрайтов.

И наконец звук

До звука руки дошли в последнюю очередь. Сперва я хотел звук наподобие того что есть в Uzebox, то есть чтобы микроконтроллер генерировал 4 канала ШИМ-звука.

Однако, оказалось, что я могу легко достать винтажные чипы и я заказал несколько микросхем FM синтеза YM3438, эти ребята полностью совместимы с YM2612 которые использовались в Mega Drive/Genesis. Установив их можно получить музыку качества Mega Drive и звуковые эффекты производимые микроконтроллером.

Я установил ещё один микроконтроллер и назвал его SPU (Sound Processor Unit), он управляет YM3438 и сам может генерировать звуки. CPU управляет им через двух-портовую память, в этот раз она всего 2 килобайта.

Как и в графическом блоке, звуковой блок имеет 128 килобайта памяти для хранения PCM сэмплов и звуковых патчей, CPU загружает данные в эту память обращаясь к SPU. Получилось, что CPU либо говорит SPU исполнять комманды из этой памяти или обновляет комманды для SPU каждый кадр.

CPU управляет четырьмя ШИМ каналами через четыре циркулярных буфера находящихся в памяти SPU. SPU проходит через эти буферы и исполняет комманды записаные в них. Ещё есть один такой-же буфер для микросхемы FM синтеза.

Итого, как и в графике взаимодействие между CPU и SPU идёт согласно схеме:

1. SPU копирует данные из памяти SPU во внутреннюю память.
2. SPU ждёт сигнала прерывания от PPU (это для синхронизации)
3. Одновременно
   • CPU обновляет буферы ШИМ каналов и буферы FM синтезатора.
   • SPU исполняет комманды в буферах согласно данным во внутренней памяти.
   • Одновременно со всем этим, SPU обновляет ШИМ звуки на частоте 16 килогерц.

Что вышло в итоге

После того как все блоки были готовы, некоторые пошли на макетные платы.
Для блока CPU я смог разработать и заказать кастомную PCB, не знаю стоит ли сделать это и для остальных модулей, думаю мне на самом деле повезло, что моя PCB сразу заработала.

На макетной плате сейчас (пока) остался только звук.
Вот как всё выглядит на сегодняшний день:

Архитектура

Диаграмма иллюстрирует компоненты в каждом блоке и как они взаимодействуют друг с другом. Единственное, что не показано это сигнал от PPU к CPU на каждом кадре в виде прерывания и такой-же сигнал который идёт в SPU.

• CPU: Zilog Z80 на 10 МГц
• CPU-ROM: 8KB EEPROM, содержит код загрузчика
• CPU-RAM: 128KB RAM (56KB доступных), код и данные для программ/игр
• IO MCU: Atmega324, является интерфейсом между CPU и RS232, клавиатурой PS/2, джойстиками и файловой системой SD карт
• PPU-RAM: 4 килобайта двухпортовой памяти, промежуточная память между CPU и PPU
• CHR-RAM: 128KB RAM, хранит динамические тайлы для бэка (подложки) и спрайтов (в символах по 8×8 пикселей).
• VRAM1, VRAM2: 128KB RAM (43008 реально доступно), используются для фреймбуфера в них пишет PPU и читает из них VPU.
• PPU (Picture Processing Unit): Atmega1284, рисует кадр во фреймбуфер.
• VPU (Video Processing Unit): Atmega324, читает фреймбуфер и генерирует RGB и PAL сигнал и синхронизацию.
• SPU-RAM: 2KB двухпортовая RAM, служит интерфейсом между CPU и SPU.
• SNDRAM: 128KB RAM, хранит ШИМ патчи, PCM сэмплы и блоки инструкций для FM синтезатора.
• YM3438: YM3438, микросхема FM синтеза.
• SPU (Sound Processing Unit): Atmega644, генерирует звуки на принципе широтно-импульсной-модуляции (ШИМ) и управляет YM3438.

Окончательные спецификации

CPU:

• 8-bit CPU Zilog Z80 на частоте 10Mhz.
• 8KB ROM для загрузчика.
• 56KB RAM.

IO:

• Чтение данных с FAT16/FAT32 SD карт ридера.
• Чтение/запись в порт RS232.
• 2 MegaDrive/Genesis-совместимых игровых контроллера.
• Клавиатура PS2.

Видео:

• Разрешение 224×192 пикселя.
• 25 кадров в секунду (половина FPS от PAL).
• 256 цветов (RGB332).
• 2×2 виртуальная подложка (448×384 пикселей), с двунаправленым по-пиксельным скроллингом, на базе четырёх полноэкранных страниц.
• 64 спрайта с шириной и высотой 8 или 16 пикселей с возможностью как вертикального так и горизонтального флипа.
• Подложка и спрайты состоят из символов по 8х8 пикселей каждый.
• Символьная видеопамять на 1024 символа для бэкграунда и 1024 для спрайтов.
• 64 независимых горизонтальных скроллинга по задаваемым линиям
• 8 независимых вертикальных скроллингов по задаваемым линиям
• Оверлей на 224х48 пикселей с опциональной прозрачностью по цветовому ключу.
• Таблица аттрибутов бэкграунда.
• RGB и композитный PAL через разъём SCART.

Звук:

• ШИМ на 8 бит и 4 канала, с встроенными вейвформами: квадрат, синус, пила, шум и тд.
• Сэмплы на 8 бит, 8 КГц в одном из ШИМ каналов.
• Микросхема FM синтеза YM3438 загружаемая инструкциями на частоте 50 герц.

Разработка для приставки

Для приставки был написан загрузчик. Загрузчик помещается в CPU ПЗУ и может занимать до 8 килобайт. Он использует первые 256 байт ОЗУ. Загрузчик это первое, что исполняет CPU. Он нужен чтобы показать программы находящиеся на SD карте.

Эти программы находятся в файлах которые содержат скомпилированый код и могут также содержать графику и звук.

После выбора программы она загружается в память CPU, память CHR и память SPU. После чего программный код исполняется. Максимальный размер кода загружаемого в приставку 56 килобайт, кроме первых 256 байт и конечно надо учесть место для стека и данных.
И этот загрузчик и другие программы написаные для этой приставки создавались одинаковым нижеописаным способом.

Memory/IO Mapping

Что важно при разработке под эту приставку, так это учитывать как CPU обращается к различным блокам, и правильно распределять адресное пространство ввода вывода и адресное пространство памяти.

CPU обращается к оперативной и постоянной памяти загрузчика через адресное пространство памяти.

Адресное пространство памяти

А к PPU-RAM, SPU-RAM и IO MCU через адресное пространство ввода-вывода.

Адресное пространство ввода-вывода

Как видно из таблицы, внутри адресного пространства ввода-вывода выделены адреса для всех устройств, IO MCU, PPU и SPU.

Управление PPU

Из информации в таблице видно, что для управления PPU надо писать в память PPU которая доступна по адресам 1000h-1FFFh в адресном пространстве ввода-вывода.

Распределение адресного пространства PPU

PPU Status может принимать следущие значения:

1. Режим вшитой графики
2. Режим динамической графики (CHR-RAM)
3. Режим записи в CHR память
4. Запись завершена, ждём подтверждения режима от CPU

Вот, например, как можно работать со спрайтами:
Приставка может рисовать 64 спрайта одновременно. Данные по ним доступны через CPU через адресное пространство ввода-вывода по адресам 1004h-1143h (320 байт), на каждый спрайт приходится 5 байт информации (5 * 64 = 320):

1. Байт разных флагов, каждый бит этого байта флаг: Active, Flipped_X, Flipped_Y, PageBit0, PageBit1, AboveOverlay, Width16, Height16.
2. Байт символа, номер символа из таблицы (определяемой флагами выше).
3. Байт цветового ключа (то есть какой цвет — прозрачность)
4. Байт координаты X
5. Байт координаты Y

Итого, чтобы увидеть спрайт, надо установить флаг Active в 1, и задать координаты X и Y в пределах видимости, координаты 32/32 помещают спрайт в верхний левый угол экрана, меньшие значения спрячут его либо сделают частично видимым.

Потом мы можем установить код символа и цвет прозрачности.

Например, если нам нужно показать спрайт номер 10, то адрес будет 4145 (1004h + (5 x 9)), пишем значение 1 для активирования и координаты, например, x=100 и y=120, пишем по адресу 4148 значение 100 и по адресу 4149 значение 120.

Используем ассемблер

Один из способов программирования для приставки это ассемблер.

Вот пример как показать один спрайт и анимировать его чтобы он двигался и отталкивался от краёв экрана.

Использование языка Си

Можно также использовать язык Си, для этого нам понадобится компилятор SDCC и некоторые дополнительные утилиты.

Код на Си может получится медленнее, но зато написать его быстрее и проще.

Вот пример кода, который делает то же самое, что и код на ассемблере выше, тут используется библиотека которая помогает делать вызовы к PPU:

Динамическая графика

(В оригинале Custom graphics. прим. пер.)

В ПЗУ приставки зашиты 1 страница тайлов для бэка и ещё страница готовых спрайтов), по умолчанию можно использовать только эту фиксированую графику, однако можно переключиться на динамическую.

Цель у меня была такая, чтобы вся необходимая графика в бинарной форме сразу грузилась в оперативную память CHR, причём делать это умеет код в загрузчике из ПЗУ. Для этого я сделал несколько картинок правильного размера с разными полезными символами:

Поскольку память динамической графики состоит из 4-х страниц по 256 символов 8х8 пикселей каждый и 4-х страниц таких же символов для спрайтов, я перевёл картинки в PNG формат, удалил повторяющиеся одинаковые:

И потом использовал самописную тулзу чтобы перевести это всё в бинарный формат RGB332 с блоками 8х8.

В результате имеем файлы с символами, где все символы идут последовательно один за другим и каждый занимает по 64 байта.

Волновые RAW сэмплы переведены в 8-битный 8-килогерцовые PCM сэмплы.

Патчи для звуковых эффектов на ШИМ и музыки пишутся особыми инструкциями.

Что касается микросхемы FM синтеза Yamaha YM3438, то я нашел программку называемую DefleMask которая выдаёт музыку синхронизируемую по PAL и предназначеную для YM2612 микросхемы из Genesis, которая совместима с YM3438.

DefleMask экспортирует музыку в формате VGM и я её конвертирую ещё одной самописной утилитой в свой собственный двоичный формат.

Все бинарники всех трёх типов звука комбинируются в один двоичный файл, который мой загрузчик умеет читать и загружать в звуковую память SDN RAM.

Линковка окончательного файла

Двоичный исполняемый код, графика и звук соединяются в один PRG файл. PRG файл имеет заголовок в котором всё описано, есть ли звуковые и графические данные, сколько они занимают и сами эти данные.

Такой файл можно записать на SD карту и загрузчик приставки считает его и загрузит всё в соотвествующие места и запустит исполняемый код программы.

Эмулятор

Я написал эмулятор своей приставки на С++ с применением wxWidgets, чтобы проще было девелопить для неё.

CPU эмулируется библиотекой libz80.

В эмулятор добавлены фичи для отладки, я могу его остановить в любой момент и заняться пошаговой отладкой ассемблера, есть маппинг к исходному коду на Си если для игры был использован этот язык.

По графике, я могу заглянуть в видео память, в таблицы символов и в саму CHR память.

Вот пример программы запущеной на эмуляторе со включёнными средствами отладки.

Демка программирования

Эти видео снимались камерой смартфона направленой на экран ЭЛТ телевизора, прошу прощения за неидеальное качество картинки.

Интерпретатор БЭЙСИКа программируемый с PS/2 клавиатуры, после первой программы, я показываю как писать напрямую в память PPU через адресное пространство ввода-вывода активируя и двигая спрайт:

Демка графики, в этом видео программно скачут 64 спрайта 16х16, на фоне бэкграунда с динамическим скроллингом и оверлеем который двигается под и над спрайтами:

Звуковая демка показывает возможности YM3438 и ШИМ звук, звуковые данные этой демки и FM музыка и ШИМ звуки вместе занимают почти все доступные 128 килобайт звуковой памяти.

Тетрис, для графики использваны почти только возможности бэкграунда, музыка на YM3438, звуковые эффекты на ШИМ патчах.

Заключение

Этот проект поистине воплощение мечты, я над ним работал уже несколько лет, с перерывами, смотря по свободному времени, никогда не думал, что дойду так далеко в создании собственной игровой ретро видео приставки. Она, естественно, не идеальна, я уж точно не эксперт в электронике, в приставке явно вышло слишком много элементов и несомненно можно было сделать лучше и наверное кто-то из читателей как раз об этом думает.

Но всё-же, в процессе работы над этим проектом, я узнал многое об электронике, игровых приставках и дизайне компьютеров, языке ассемблера и других интересных вещах, и главное я получил огромное удовлетворение играя в игры которые я сам написал на железе которое я сам разработал и собрал.

У меня есть планы делать приставки/компьютеры и дальше. Вообще-то, я уже делаю новую приставку, она почти готова, и является упрощёной ретро приставкой на базе FPGA платы и нескольких дополнительных компонетов, (в намного меньшем количестве чем в этом проекте, уж точно), задуманой быть намного дешевле и повторяемее.

Хотя я тут очень много написал об этом проекте, несомненно ещё многое можно обсудить, я едва упомянул как звуковой движок работает, как CPU с ним взаимодействует, да и о графической системе и других входах-выходах и обо всей приставке в целом ещё много чего можно было бы расказать.

Смотря на реакцию читателей я может быть напишу ещё статей сфокусировавшись на обновлениях, подробностях об отдельных блоках приставки или других проектах.

Проекты, сайты, каналы Youtube которые вдохновляли меня и помогали мне с техническими знаниями:

Эти сайты/каналы не только вдохновляли, но и помогли мне найти решения сложных проблем которые возникали по ходу работы над этим проектом.

Спасибо, если дочитали до сюда. 🙂

Если у вас есть вопросы или фидбек пишите в комментариях внизу (Оригинальной статьи на английском языке на Гитхабе. прим. пер.)

Как сделать игровую приставку своими руками. У вас будет 50 эмуляторов

В закладки

Многие гаджетоманы начинали познание мира электроники с игровых приставок и консолей. Это были вовсе не современные Xbox и PlayStation, а Nintendo/Dendy и Sega с пиксельной графикой, хардкорной сложностью и отсутствием сохранений игрового прогресса.

Чтобы вспомнить былые чувства, пройти непройденные в детстве игры или просто показать своим детям игры 25-летней давности, можно установить эмуляторы приставок на компьютер.

Придется повозиться с настройками разных систем, танцевать с бубном для работы геймпадов и играть на небольшом экране ноутбука. Да и качество эмуляции будет так себе.

Гораздо проще самому собрать небольшую игровую станцию, которая поддерживает более 50 эмуляторовстарых консолей. Девайс подключить к большому телевизору и играть при помощи любых имеющихся в запасе геймпадов.

1. Покупаем всё необходимое для сборки ретро-консоли

• одноплатный компьютер Raspberry Pi – от 2588 руб.
• карта памяти microSD 8 Гб или более –от 254 руб.
• кабель HDMI – от 66 руб.
• игровые геймпады USB или Bluetooth – от 200 руб.
• можно купить отдельный стильный корпус за 1517 руб.

Разумеется, многое из этого и так найдется в закромах любого гаджетомана. Тем, кто будет покупать недостающие товары, дам несколько советов.

Покупайте «‎малинку» последней модели (Pi 3 B+)‎, у неё более мощный четырехъядерный процессор, способный тянуть даже 3D игры от PlayStation первого поколения, 1 ГБ оперативной памяти, есть Wi-Fi и Bluetooth.

Такую коробочку не придется подключать к сети по проводу или возиться с «‎USB-свистками», а геймпады можно будет подключить как по проводу, так и по Bluetooth. Лучше возьмите компьютер с корпусом и подходящим блоком питания сразу.

Карту памяти рекомендую приобретать отдельно, чтобы не получить дешевую медленную карту, которая быстро выйдет из строя. Не берите карты слишком большого объема, 8 или 16 Гб хватит с головой.

Игровые контроллеры предпочтительнее брать проверенных брендов. Если есть старые пульты от Xbox или PlayStation, они отлично подойдут, можно взять реплики оригинальных устройств ввода от Sony или Microsoft.

Не стоит брать радио джойстики или совсем уж неизвестные геймпады, они могут банально не подключиться к нашей консоли.

2. Выбираем операционную систему, на которой будет работать приставка

После подбора компонентов следует определиться с операционной системой будущей консоли. На данный момент существует три хороших сборки, которые подходят для нашей задачи:

Lakka – сборка с красивым визуальным интерфейсом в стиле PlayStation. Проект развивается довольно неспешно, Lakka еще имеет множество глюков и недоработок.
‎
RecalBox – более продвинутое решение «все в одном». После установки образ уже будет содержать пару десятков классических игр для разных платформ. Кроме этого в образ интегрирован медиацентр KODI. В пару нажатий можно превратить игровую консоль в медиакомбайн для проигрывания видео со съемного накопителя, из интернета или сетевого хранилища. Есть возможность настроить IPTV.

RetroPie – еще один многофункциональный эмулятор старых игровых консолей. Изначально в образ не включены игры и нет медиаплеера вроде KODI, однако, присутствует возможность установить RetroPie поверх родной операционной системы для Raspberry – Raspbian. Это значит, что игровой сервис может работать на «‎малинке» одновременно с другими службами, например, с HomeBridge, связывающем умные гаджеты в доме.

Выбирать стоит между двумя последними вариантами. RecalBox – простой образ с играми из коробки и медиацентром KODI, а RetroPie для тех, кто хочет повозиться и установить систему поверх Raspbian.

3. Устанавливаем операционную систему на игровую приставку

Установка игровой системы на уже работающую Raspbian производится через терминал. Это оставим на будущее, сейчас же попробуем вариант для новичков. Все описанные выше эмуляторы устанавливаются одинаково.

Для начала рекомендую попробовать RecalBox. Здесь самый понятный и дружественный интерфейс, настройка предельно простая, большинство фишек включено из коробки, а в виде бонуса получаем медиацентр KODI, который запросто заменит бюджетную ТВ-приставку для просмотра фильмов с флешки, по сети или онлайн.

1. Скачиваем выбранный образ с сайта разработчика.

2. Скачиваем и устанавливаем приложение Etcher для записи образа на карту памяти.

3. Записываем образ на карту памяти.

4. После окончания записи устанавливаем карту памяти в Raspberry и подключаем её к телевизору.

Во время первого запуска произойдет установка системы и первоначальная конфигурация. От пользователя ничего не потребуется, просто ждем несколько минут до запуска визуальной оболочки.

Сразу же система предложит настроить джойстик. Это может быть как USB-аксессуар, так и беспроводной. Под рукой лучше иметь клавиатуру, чтобы произвести все настройки в случае проблем с подключением геймпада.

4. Настраиваем приставку

Разумеется, главное – научить Raspberry работать с подходящим геймпадом. Проводные модели практически всегда заводятся из коробки, из беспроводных у меня сразу же подключился Dualshock 3, остальные пришлось вручную настраивать из параметров системы.

Можно подключить аж до пяти геймпадов, думаю, это лишнее, ведь большинство старых игр были рассчитаны на 1-4 игроков.

Из ключевых настроек нужно сделать следующее:

1. Переключить интерфейс на русский язык. Main Menu (Enter на клавиатуре) – System settings – Language. Изначально для подтверждения действий используется клавиша “A”.

2. Подключиться к домашней Wi-Fi сети для удобной загрузки игр. Главное меню – Настройка сети активировать пункт Включить Wi-Fi, ввести имя домашней сети и пароль.

3. Настроить веб-интерфейс. После подключения к сети запоминаем IP-адрес и вбиваем его в браузере на компьютере.

В систему уже предустановлено несколько игр для разных консолей, но многие поддерживаемые системы не отображаются в меню. Не переживайте, скрыты те консоли, для которых не загружены игры. Стоит скинуть в нужную папку соответствующие данные и консоль появится в главном меню.

Остальные параметры настраиваются уже по желанию.

5. Ставим игры, ну а дальше вы поняли

Остается лишь найти образы игр. С этим разберетесь самостоятельно. Данные можно скачать с известных всем сайтов или специальных порталов, разумеется, в ознакомительных целях.

Копируем файлы через веб-интерфейс на Raspberry, перезагружаем систему или обновляем список игр через настройки и погружаемся в море ностальгических чувств.

Я первым делом опробовал 8-битные Марио, Battle City, Battletoads, Contra и Черепашки-ниндзя, 16-битные Ultimate Mortal Kombat 3, Rock n’Roll Racing, Dune 2, Sonic The Hedgehog и другие игры из детства.

Не забывайте, что эмулятор позволяет отматывать игровой процесс на несколько секунд назад для исправления ошибок, сохранять и загружать игровой процесс.

Это позволит не разбить джойстик, приставку и телевизор в первые часы игры.

В закладки