NES（FC） FPGA游戏卡开发笔记（6）---- 再整理下思路和具体工作（包括N8 Pro mapper部分的FPGA代码简单分析）

开发方案的考虑

1）N8是CPLD+FPGA，N8 Pro是两个FPGA（其实也是类似CPLD+FPGA）。ICE40芯片的配置文件也是固化在芯片内的。N8的CPLD的任务是扩展SPI接口可以访问SDIO卡，另外可以向mapper FPGA下载mapper文件进行配置操作。而N8 Pro的这些功能可以让STM32 CPU完成，N8 Pro强化了其他功能，比如cheat，在游戏内调出菜单做即时保存，这些是ICE40去完成的？

另外用CPLD可以增加盗版的难度。

2）如果只需要游戏加载，退出游戏保存文档到sdio卡和从sdio卡加载文档功能的话，感觉可以用MCU+FPGA的方案就可以实现，所以优先可以做这种的，如果有问题再做考虑。游戏玩家的主要需求是大容量rom也可以玩，更多的mapper支持。

N8 pro mapper功能的FPGA源代码

GitHub - krikzz/EDN8-PRO: EverDrive N8 PRO dev sources

上面的链接是N8的开发者开源的FPGA代码。Cyclone IV上的SystemVerilog源代码，非常完整的mapper实现，有可能删除了和ICE40的逻辑部分（没深入看代码）。

作者的开源的做法非常符合一个NES社区的共享的精神，毕竟这些NES rom的扒板，MMC芯片的功能分析，mapper号的整理都是有NES hack社区完成的。CPLD和MCU的代码没有开源，毕竟这一块是作者的版权，与NES社区关系不大。

文件列表

下载代码之后，在mapper/top目录下有个top.qdf文件，是Quartus的项目文件。用QuartusII软件打开。

 top.sv的顶层module，可以看到所用到的CyClone IV FPGA芯片的所有输入输出管脚资源。另外提一下里面定义了moudle dac_ds（完成某些MMC芯片的sound功能？好像不是很全，没具体分析了）。

map_255.sv，这个专门是为NESOS.nes(作者开发的游戏菜单，相当于一个nes游戏，在游戏机上电之后的菜单），通过这个菜单选择加载游戏。（注：之前的笔记提到过用模拟器加载nesos.nes文件的时候说不支持255，毕竟这个是开发者自己用的私有mapper，但为什么NES头格式是mapper 15呢？）

map_xxx.sv，这个xxx是数字，就是某个mapper号。比如map_000.sv，实现了mapper 0的游戏mmc功能，但并不仅仅包括mapper 0，还包括好几种mapper号。作者的设计思路是把所有mapper号进行分组，分成多组，每个map_xxx.sv实现一组的mapper功能。这样的话一次加载配置相当于支持了多个mapper号。如果玩家第一个加载的游戏mapper号属于mapper 0，则加载map_000.sv（对应最终编译的rbf文件）。如果要换个游戏，如果下个游戏的mapper号也是数学map_000.sv支持的，则不用加载新的rbf文件了，只要加载游戏rom就可以了。除非下一个游戏是属性非map_000支持的。mapper分组的好处是充分利用FPGA的资源，毕竟CyClone提供了6000多大逻辑单元，当然理想的情况是一次全部加载。

map_hub.sv，连接所有的map_xxx.sv通信接口。相当于一个hub功能。

eep24x.sv，

先推荐一个网站：NesCartDB - Search（游戏卡数据库），提供了详细的游戏卡信息。

下图就是龙珠ZII激神弗利沙的游戏卡信息

LZ93D50是MMC芯片（万代出的），X24C02P是一块EEPROM芯片。eep24x.sv就是实现了这块芯片的功能。这个游戏是mapper 16，在FPGA完成mapper 16功能的时候需要mmc和eeprom的实现。

 dma.sv，完成数据从MCU的SPI接口通过DMA方式再下载到SRAM。

closks.sdc，FPGA的时钟约束文件，spi是50MHz时钟，cpu m2是2MHz时钟。

资源

上图是通过QuartusII编译之后的资源使用情况，162个pin，3411个逻辑单元，不到8k的ram资源。

在项目编译之后，还可以查看RTL view。看代码比较抽象，看RTL视图这样就不那么抽象了。

IO管脚使用的非常多。这可以作为FPGA选用，方案实现的参考。选择FPGA的逻辑单元肯定没有问题。但具体淘宝上的开发板的IO数目可能不能满足要求了。

设计思路，问题，下一步的学习和开发的工作

通过分析代码，分析mmc的工作机制对设计的框架大致有点数了。下一步就可以在实现上需要完成哪些事，有哪些问题还需要厘清。

1）CPU如果执行游戏，或者说CPU指针指向第一条指令开始运行。

游戏卡插入游戏机卡槽，游戏机上电，CPU如何运行第一个游戏菜单游戏（假设游戏菜单已经在RAM中了）？这里需要学习一下6052的体系结构，或者NES的启动操作步骤（找些书看看其中的部分就可以了。

2）游戏卡上电之后具体操作是什么？

MCU上电，固件运行，加载SDIO驱动，fatfs文件系统，USB驱动（这个可以暂不考虑）。从sd卡读取游戏菜单nes文件，下载到SRAM，配置FPGA，使能mapper功能（这个是游戏菜单的mapper）。让CPU可以运行游戏菜单。

需要考虑的问题：

1）这些操作需要多少时间？菜单游戏加载从上电到完成需要多少时间，游戏机启动到开始运行大概需要多少时间？

2）是先配置FPGA，还是先下载游戏菜单？这个选择影响各个芯片直接的线的连接和管脚IO资源的使用。

3）如何下载到SRAM，

是利用MCU的XMC（类似于STM32的FSMC）执行访问SRAM。

比如配置好FPGA之后，MCU的数据和地址，控制总线连接到FPGA，通过FPGA再连接到SRAM（利用MCU的XMC外接SRAM功能）。或者MCU通过SPI连接FPGA，在通过FPGA的传输模块（DMA）下载到SRAM。

4）在游戏菜单运行之后，玩家选择某个游戏，游戏菜单收到一个操作指令之后，需要控制MCU加载游戏到SRAM，同时加载对应的mapper文件到FPGA（思考：是不是可以把mapper255做到其他mapper的rbf文件中呢？）。这个功能的实现可以参考多合1卡游戏的具体实现。毕竟多合1卡也是菜单加游戏。

5）游戏机复位，玩家按复位按钮之后的FPGA的操作：

需要重新加载游戏菜单。从SD卡加载游戏菜单，mapper255的FPGA控制加载。（思考：可不可以不从SD卡加载，利用mapper255的mmc的功能，可以把游戏菜单软件拷到SRAM的高地址，然后用切换bank的方式进行加载？）

这里需要了解硬件复位之后的工作机制（需要阅读NES架构文档和编程文档）。

6）游戏存档到SDIO卡，在游戏菜单中选择保存到SDIO卡

一种是按复位就保存（如果上个游戏是有存档功能的），一种是在菜单用户手动控制存档。

7）游戏存档加载，玩家在加载某个游戏之后，自动从SDIO卡从加载游戏对应的文档。

如果SDIO卡中有多个该游戏的存档的时候，选择哪一个呢？是最新的？还是弹出菜单让用户选择？

下一步是学习一下6052，厘清启动，复位操作过程。关注启动时间。（游戏加载是否可以在启动时间内完成，如果完不成怎么办？）CPU是不是有能力知道游戏卡已经准备好了，可以运行了？

3）AD电路图设计软件使用

计划是一边做一遍学。

4）数字逻辑和Verilog编程学习

从N8Pro的FPGA源代码可以大致了解一下需要哪些功能需要，以及对数字逻辑的知识要求。

大部分MMC实现的逻辑控制比较简单，只需要基本的数据逻辑知识就可以了。而且还有实例，看代码就行。

DMA功能，寄存器实现，SPI数据接收逻辑实现，RAM，FIFO。这些模块功能都比较基础。难度都不大。

找一本verilog的编程书看看语法（另外找一本编程规范的书看看）。可以边看代码边学，看不懂就查书。可以写写代码分析文档。

其实整个设计（主要是FPGA部分）难度很低，大概是个本科生或者研究生的毕业设计或者作业，也没有创新的地方。逻辑部分的设计远远不如用FPGA实现一个usb2.0控制器的难度，只是需要时间，毕竟那么多mapper功能需要支持，只是工作量的问题。

30年前做个MMC控制器还有点难度，现在的工具和资源那么方便，clone一个这样的芯片太容易了。