¿Qué sistema FPGA comprar para retro informática?

Ya hemos discutido las ventajas de las FPGA para la retroinformática aquí. Pero si quieres empezar a probar estos sistemas, ¿cuál comprar? ¿Y dónde? En esta entrada voy a presentar los principales sistemas y compararlos.

MIST

Este es el sistema de referencia por la cantidad de máquinas que se han llevado a él. Por cierto, en la jerga de las FPGA para retro, a cada sistema portado lo denominan core. Para el MIST el core de referencia es el de Atari ST, pues es el que originó el proyecto. Sin embargo, están disponibles también cores para Amiga (incluido el Amiga 1200), los cuatro grandes ordenadores de 8 bits (Amstrad CPC, Spectrum, C64 y MSX) y varias consolas de 8 bits (Master System y NES). Hay varios otros cores de menor público disponibles.

El MIST tiene la ventaja de llevar bastante tiempo en desarrollo y estar por tanto bastante afinado. Se puede adquirir directamente de una tienda española (AmigaStore)  a buen precio y con un plazo de entrega mínimo. Si 200€ os parece mucho dinero por un sistema así, es principalmente porque las FPGA son circuitos caros, sobre todo en tiradas pequeñas. MIST monta una FPGA bastante grande y eso influye en el precio.

Características destacables:

  1. Conexión a monitores VGA solo. Han de soportar refrescos menores de 60Hz para algunos cores. Conexión a TV usando un cable a medida.
  2. Ratón, teclado y mando de juegos todo USB.
  3. Compatible también con mandos antiguos (norma Atari).
  4. Puertos MIDI compatibles con hardware antiguo (disponible versión sin MIDI a menor precio)
  5. FPGA Altera Cyclone EP3C25
  6. 32 MByte de palabra de 16 bits

El tamaño de la FPGA es de 24k elementos lógicos, ~64kbytes de RAM embebida en bloques, ~1kbit de RAM embebida dispersa, 66 multiplicadores y 4 PLLs. ¿Esto qué significa? Pues que seguramente en esta FPGA cabe todo el sistema digital de una NeoGeo, por ejemplo. Sin embargo los videojuegos de NeoGeo de más de 256Mbits no cabrían en la memoria RAM. Aun no hay cores tan avanzados desarrollados. O sea, que MIST puede dar para mucho todavía.

ZX UNO

Este sistema ha nacido para el Spectrum y ofrece la experiencia más cercana a él que ningún otro puesto que permite hasta cargar los juegos por cinta (o audio del móvil). Es un sistema más económico que MIST, se puede adquirir por 65€ directamente a uno de los desarrolladores aquí. La razón del precio es que equipa una FPGA más económica pero suficiente para sistemas de 8 bits. No, no vamos a ver una NeoGeo aquí, pero sí toda la gama de ordenadores Sinclair recreada con fidelidad exacta.

Características:

  1. Conexión por video compuesto para televisores de tubo
  2. Conexión RGB para televisores modernas y monitores VGA usando cables a medida
  3. Teclado y ratón sólo PS/2
  4. Entrada de audio para leer cintas
  5. Conexión de mandos de norma Atari
  6. FPGA Xilinx Spartan XC6SLX9-2TQG144C
  7. 0.5 MByte de memoria

Esta es una buena opción también si queréis hacer el montaje de la placa vosotros mismos pues todos los diagramas de esquemático y PCB están disponibles de forma abierta. Si bien el conector de vídeo compuesto es el único estándar porque para la conexión a euroconector o VGA necesitarás hacerte un cable especial o comprarlo. Se rumorea que quizá Retrocables llegue a vender estos cables especiales.

Minimig

Este sistema es más antiguo que el ZX UNO y nació para el Amiga. Su core de Amiga está portado a MIST. Tiene la peculiaridad de llevar un procesador M68000 real, fuera de la FPGA. La FPGA se usa para implementar el resto de circuitos del Amiga. Existen cores de otros equipos también. Sus características son similares al MIST pero el precio es mayor, unos 290€. Se puede comprar también en AmigaStore.

Características:

  1. Conexión a VGA solo
  2. Puerto RS232, con lo que puede conectarse en serie a un PC
  3. Puertos para raton y teclados PS/2
  4. Puertos para raton y teclados Amiga
  5. FPGA Spartan 3 XC3S400 (400k puertas)
  6. 4MByte de memoria

Esta es una buena opción para los amantes de Amiga que quieren usar teclados y ratones originales. El poder conectarse en serie a ordenadores modernos puede ser interesante para transferencia de ficheros o juego en red. Aunque para transferir ficheros, grabar directamente en la tarjeta SD es mucho más rápido.

Otros sistemas

Hay otros sistemas que han tenido menor difusión que estos proyectos. En particular FPGA Arcade (se solía vender aquí por más de 300€). También es posible utilizar placas de desarrollo de FPGA, usadas para probar sistemas en general, con el fin de recrear sistemas retro pero esta opción no es buena para el aficionado porque no va a disponer de un entorno pensado para el retro, sino para el desarrollo de electrónica moderna.

Conclusión

Mi recomendación es adquirir un ZX-UNO si no nos queremos gastar mucho dinero y no esperamos usar sistemas de 16 bits. Y si queremos dar el salto a los 16 bits comprar un MIST. El Minimig lo dejo para los apasionados del Amiga.

Ordenadores que usaban el YM2151

Siguiendo con la lista de aparatos que usaban este chip, y tras repasar los juegos arcade aquí, paso a buscar ordenadores con este chip.

Sólo hay dos líneas de equipo que de serie vinieran con este chip. La primera es un equipo de 8 bits, el Sharp X1, que contaba con nuestro querido Z80. Además del repaso técnico de la Wikipedia, os recomiendo leer esta entrada del blog de SH2Central sobre este curioso equipo.

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El Sharp X1

El otro equipo que usó este chip fue el famoso Sharp X68000. De nuevo SH2Central le da un repaso a este sistema que os recomiendo. Este sistema lleva un YM2151 pero en las fotografías de la placa base que he visto por internet no he podido encontrarlo. Quizá se encontraba en una placa hija o estaba integrado dentro de otro chip (me extrañaría). Os dejo una foto de la placa del misterio.

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Sharp X68000, placa base

Juegos arcade que usaban el YM2151

¿Hasta qué punto podría resultar útil un clon del YM2151 en Verilog? Para responder a esa pregunta inicio una serie de tres entradas con datos exhaustivos de uso de este chip. Empezamos por los reyes de la casa: los videojuegos arcade.

El YM2151 fue ampliamente usado en los salones recreativos, sobre todo 1988 y 1998, la época del tandem M68000/Z80 en las placas arcade.

hist

La siguiente lista está extraída a partir de los juegos emulados en MAME 173. En total 1012 juegos, sin contar clones ni versiones.

Año Juego
1980  Battle Zone
1980  Defender
1980  Defense Command
1980  Mayday
1980  Tornado
1980  Zero
1981  Colony 7
1981  Defence Command
1981  Stargate
1981  Star Trek
1982  Bubbles
1982  Jin
1982  Joust
1982  Robotron: 2084
1982  Sinistar
1982  Splat!
1983  Blaster
1983  Mystic Marathon
1983  PlayBall!
1984  Atari System 1 BIOS
1984  Digital Controls Inc. license)
1984  Inferno
1984  Kung-Fu Master
1984  Lode Runner
1984  Lode Runner II – The Bungeling Strikes Back
1984  Marble Madness
1984  Paperboy
1984  Peter Pack-Rat
1984  Spartan X
1984  The Battle-Road
1984  Turkey Shoot
1985  Alien Arena
1985  Bubble System BIOS
1985  Galactic Warriors
1985  Gauntlet
1985  Gradius
1985  Hang-On
1985  Horizon
1985  Indiana Jones and the Temple of Doom
1985  Konami GT
1985  Konami RF2 – Red Fighter
1985  Lode Runner III – Majin No Fukkatsu
1985  Lode Runner III – The Golden Labyrinth
1985  Lot Lot
1985  Major League
1985  Nemesis
1985  Road Runner
1985  Space Harrier
1985  Speed Ball – Contest at Neonworld
1985  Spelunker
1985  TomCat
1985  TwinBee
1986  720 Degrees
1986  Action Fighter
1986  Alex Kidd: The Lost Stars
1986  Body Slam
1986  Championship Sprint
1986  Dump Matsumoto
1986  Dunk Shot
1986  Enduro Racer
1986  Fantasy Zone
1986  Gauntlet II
1986  Genpei ToumaDen
1986  Grand Lizard
1986  High Speed
1986  Hopping Mappy
1986  Jackal
1986  Joust 2 – Survival of the Fittest
1986  Kaiketsu Yanchamaru
1986  Kid Niki – Radical Ninja
1986  Koi no Hotrock
1986  Lifeforce
1986  Lode Runner IV – Teikoku Karano Dasshutsu
1986  Out Run
1986  Panic Road
1986  Pin-Bot
1986  Quartet
1986  Quartet 2
1986  Road Kings
1986  Rock’n Rage
1986  Rolling Thunder
1986  Salamander
1986  Side Arms – Hyper Dyne
1986  Sky Kid Deluxe
1986  Spelunker II
1986  Super Sprint
1986  The Lost Castle In Darkmist
1986  The Return of Ishtar
1986  Thunder Ceptor
1986  Thunder Ceptor II
1986  Tic-Tac-Strike
1986  Tokushu Butai Jackal
1986  Top Gunner
1986  WEC Le Mans 24
1986  Youjyuden
1987  After Burner
1987  After Burner II
1987  Air Raid
1987  Ajax
1987  Alien Syndrome
1987  American Speedway
1987  APB – All Points Bulletin
1987  Arkanoid – Revenge of DOH
1987  Battle Chopper
1987  Big Guns
1987  Bionic Commando
1987  Bionic Commandos
1987  Black Panther
1987  Blazer
1987  Bullet
1987  City Bomber
1987  Contra
1987  Cross Shooter
1987  Dark Adventure
1987  Defense
1987  Devil World
1987  Double Dragon
1987  Dragon Spirit
1987  Dr. Toppel’s Adventure
1987  Dr. Toppel’s Tankentai
1987  Dunk Shot
1987  Extermination
1987  Exzisus
1987  F14 Tomcat
1987  Final Lap
1987  Fire!
1987  Flak Attack
1987  Full Throttle
1987  Galaga ’88
1987  Gold Mine
1987  Gryzor
1987  Heavyweight Champ
1987  Hyper Crash
1987  Laser War
1987  Lifeforce
1987  Little Hero
1987  Lotto Fun
1987  Majuu no Ohkoku
1987  Midnight Landing
1987  Millionaire
1987  Mr. HELI no Daibouken
1987  Mustache Boy
1987  MX5000
1987  Operation Bear
1987  Operation Wolf
1987  Pac-Mania
1987  Plump Pop
1987  Quester
1987  Quester Special Edition
1987  Rabbit Punch
1987  Rabio Lepus
1987  Rainbow Islands
1987  Rastan
1987  Rastan Saga
1987  Road Blasters
1987  Robotron: 2084
1987  R-Type
1987  SDI – Strategic Defense Initiative
1987  Shadowland
1987  Shinobi
1987  Shuffle Inn
1987  Sonic Boom
1987  Street Fighter
1987  Sukeban Jansi Ryuko
1987  Super Hang-On
1987  Super League
1987  Thunder Blade
1987  Thundercade / Twin Formation
1987  Time Scanner
1987  Tokusyu Butai U.A.G.
1987  Top Dawg
1987  Top Secret
1987  Top Speed
1987  Typhoon
1987  Wonder Momo
1987  Yokai Douchuuki
1988  ’88 Games
1988  Ace Attacker
1988  Altered Beast
1988  Apache 3
1988  Assault
1988  Assault Plus
1988  Asuka & Asuka
1988  Bakutotsu Kijuutei
1988  Banzai Run
1988  Beraboh Man
1988  Bonze Adventure
1988  Cabal
1988  Center Court
1988  Chequered Flag
1988  China Gate
1988  Chuka Taisen
1988  Crazy Cop
1988  Cyberball
1988  Cyclone
1988  Daimakaimura
1988  Devastators
1988  Double Dragon II – The Revenge
1988  Dynamite Dux
1988  Earthshaker
1988  Excite League
1988  Face Off
1988  Forgotten Worlds
1988  Gain Ground
1988  Galaxy Force 2
1988  Gang Busters
1988  Garuka
1988  Ghouls’n Ghosts
1988  Gradius II – GOFER no Yabou
1988  Hard Drivin’
1988  Hard Puncher
1988  Hot Chase
1988  Hot Rod
1988  Hyper Sports Special
1988  Iga Ninjyutsuden
1988  Image Fight
1988  Jigoku Meguri
1988  Jumping
1988  Juuouki
1988  Kabuki-Z
1988  Kageki
1988  Kickle Cubele
1988  Kick Off
1988  Kitten Kaboodle
1988  Konami ’88
1988  Legend of Makai
1988  Lost Worlds
1988  Makai Densetsu
1988  Marchen Maze
1988  Meikyu Jima
1988  Metal Hawk
1988  Mirai Ninja
1988  Narc
1988  Ninja Gaiden
1988  Ninja Kazan
1988  Ninja Spirit
1988  Nyan Nyan Panic
1988  Ordyne
1988  P-47 – The Freedom Fighter
1988  P-47 – The Phantom Fighter
1988  Passing Shot
1988  Phelios
1988  Power Drift
1988  Rainbow Islands
1988  Ring no Ohja
1988  Saigo no Nindou
1988  Sai Yu Gou Ma Roku
1988  Scramble Spirits
1988  Secret Service
1988  Shadow Warriors
1988  Shingen Samurai-Fighter
1988  Space Station
1988  Splatter House
1988  Sukeban Jansi Ryuko
1988  Super Contra
1988  Superman
1988  Swords of Fury
1988  Takeda Shingen
1988  Taxi
1988  Tetris
1988  The Final Round
1988  The Main Event
1988  The NewZealand Story
1988  Thunder Cross
1988  Time Machine
1988  Torpedo Alley
1988  Turtle Ship
1988  Twin Eagle – Revenge Joe’s Brother
1988  U.S. Championship V’ball
1988  Vigilante
1988  Vindicators Part II
1988  Vulcan Venture
1988  Winning Run
1988  Wonder Boy III – Monster Lair
1988  World Court
1988  World Stadium
1989  Arbalester
1989  Area 88
1989  Bad Cats
1989  Bad Lands
1989  Bay Route
1989  Big Run
1989  Bingo Circus
1989  Black Knight 2000
1989  Blast Off
1989  Block Hole
1989  Block Out
1989  Buccaneers
1989  Burning Force
1989  Cabal
1989  Cadash
1989  Caliber 50
1989  Crack Down
1989  Crime Fighters
1989  Cue Brick
1989  Cyberball 2072
1989  Daisenpu
1989  Dangerous Seed
1989  Dirt Fox
1989  DownTown / Mokugeki
1989  Dragon Breed
1989  Dragon Unit / Castle of Dragon
1989  Dyger
1989  Dynamite Dux
1989  Dynasty Wars
1989  Earthshaker
1989  Elvira and the Party Monsters
1989  E-Swat – Cyber Police
1989  Exterminator
1989  Final Fight
1989  Finest Hour
1989  Flash Point
1989  Four Trax
1989  Galaxy Gunners
1989  Gigandes
1989  Golden Axe
1989  Gradius III
1989  Hachoo!
1989  Insector X
1989  Jitsuryoku!! Pro Yakyuu
1989  Jokerz!
1989  Jumbo Ozaki Super Masters Golf
1989  Jumping
1989  Kuhga – Operation Code ‘Vapor Trail’
1989  Last Striker / Kyuukyoku no Striker
1989  Last Survivor
1989  Legend of Hero Tonma
1989  Line of Fire / Bakudan Yarou
1989  Mad Motor
1989  Marvel Land
1989  Master Ninja
1989  Match It
1989  Maze of Flott
1989  Meta Fox
1989  M.I.A. – Missing in Action
1989  Monday Night Football
1989  Mousin’ Around!
1989  MVP
1989  Ninja Ryukenden
1989  Playboy 35th Anniversary
1989  Plus Alpha
1989  Police Force
1989  Pool Sharks
1989  Quarth
1989  Racing Hero
1989  Robocop
1989  Rompers
1989  Round Up 5 – Super Delta Force
1989  R-Type II
1989  Saint Dragon
1989  Shadow Dancer
1989  Shisensho – Joshiryo-Hen
1989  Sichuan II
1989  Street Smart / Final Fight
1989  Strider
1989  Strider Hiryu
1989  S.T.U.N. Runner
1989  Super Masters Golf
1989  Super Monaco GP
1989  Super Volleyball
1989  Task Force Harrier
1989  Tecmo Knight
1989  Teenage Mutant Hero Turtles
1989  Teenage Mutant Ninja Turtles
1989  Tenchi wo Kurau
1989  The Astyanax
1989  The Lord of King
1989  Tough Turf
1989  Tournament Cyberball 2072
1989  Transporter the Rescue
1989  Turbo Out Run
1989  Twin Falcons
1989  Twin Hawk
1989  U.N. Squadron
1989  U.S. Classic
1989  Valkyrie No Densetsu
1989  Vapor Trail – Hyper Offence Formation
1989  Whizz
1989  Wild Fang
1989  Wild Fang / Tecmo Knight
1989  Willow
1989  Winning Run Suzuka Grand Prix
1989  Wit’s
1989  World Stadium ’89
1989  Wrestle War
1989  WWF Superstars
1989  X Multiply
198?  Visco Roulette
1990  1941: Counter Attack
1990  A.B. Cop
1990  Air Duel
1990  Aliens
1990  Alien Storm
1990  Atomic Point
1990  Aurail
1990  Back To the Future
1990  Back To The Future
1990  Bio-ship Paladin
1990  Bonanza Bros
1990  Boxy Boy
1990  Bugs Bunny Birthday Ball
1990  Carrier Air Wing
1990  Chiki Chiki Boys
1990  Chulgyeok D-Day
1990  Cisco Heat
1990  Crude Buster
1990  Daiku no Gensan
1990  Dark Seal
1990  D. D. Crew
1990  Diner
1990  Double Dragon 3 – The Rosetta Stone
1990  Dragon Saber
1990  Dr. Dude
1990  Final Crash
1990  Final Fight
1990  Final Lap 2
1990  Gate of Doom
1990  G-LOC Air Battle
1990  G-LOC R360
1990  Golly! Ghost!
1990  GP Rider
1990  Hammerin’ Harry
1990  Hard Drivin’
1990  High Impact Football
1990  Jockey Club
1990  Kyuukai Douchuuki
1990  Lightning Fighters
1990  Magic Sword: Heroic Fantasy
1990  Major Title
1990  Mega Twins
1990  Mercs
1990  Michael Jackson’s Moonwalker
1990  Monky Elf
1990  Mug Smashers
1990  Nemo
1990  Over Drive
1990  Parodius DA!
1990  Phantasm
1990  Pistol Daimyo no Bouken
1990  Pool Sharks
1990  Pound for Pound
1990  Punk Shot
1990  Puzzle Club
1990  Race Drivin’
1990  Race Drivin’ Panorama
1990  Radical!
1990  Riverboat Gambler
1990  Rod-Land
1990  Rollergames
1990  Rolling Thunder 2
1990  Rough Racer
1990  R&T
1990  RyuKyu
1990  Senjou no Ookami II
1990  Smash T.V.
1990  Snapper
1990  Snow Bros. – Nick & Tom
1990  Souko Ban Deluxe
1990  Space Battle Ship Gomorrah
1990  Spinal Breakers
1990  Star Trax
1990  Steel Gunner
1990  Super Burger Time
1990  Surprise Attack
1990  Teenage Mutant Ninja Turtles
1990  The Bally Game Show
1990  The Cliffhanger – Edward Randy
1990  The Combatribes
1990  The Last Day
1990  The Phantom of the Opera
1990  The Simpsons
1990  The Winter Bobble
1990  Thunder & Lightning
1990  Trigon
1990  Trog
1990  Two Crude
1990  US AAF Mustang
1990  U.S. Navy
1990  Vandyke
1990  Whirlwind
1990  World Stadium ’90
1990 Born To Fight
1990 Fantasy Land
1990 Wheels Runner
1991  1991 Spikes
1991  64th. Street – A Detective Story
1991  Acrobat Mission
1991  Agress – Missile Daisenryaku
1991  Atomic Punk
1991  Avenging Spirit
1991  Beauty Block
1991  Bells & Whistles
1991  Black Heart
1991  Blade Master
1991  Bomber Man
1991  Captain America and The Avengers
1991  Captain Commando
1991  Caveman Ninja
1991  China Town
1991  Cosmic Cop
1991  Cosmo Gang the Video
1991  Cotton
1991  Crime Fighters 2
1991  Cross Blades!
1991  Cycle Warriors
1991  Desert Assault
1991  Detana!! Twin Bee
1991  Driver’s Eyes
1991  Dynablaster / Bomber Man
1991  Dynamic Country Club
1991  E.D.F. : Earth Defense Force
1991  Escape Kids
1991  F-15 Strike Eagle
1991  Gallop – Armed Police Unit
1991  Ghox
1991  Golfing Greats
1991  Grand Prix Star
1991  Gulf Storm
1991  Gunforce – Battle Fire Engulfed Terror Island
1991  Hacha Mecha Fighter
1991  Hasamu
1991  IQ Pipe
1991  Karate Blazers
1991  Ken-Go
1991  Knights of the Round
1991  Lemmings
1991  Lethal Thunder
1991  Lightning Swords
1991  Limited Edition Hang-On
1991  Lock On
1991  Magical Crystals
1991  Many Block
1991  Orius
1991  Pairs Love
1991  Pipi & Bibis / Whoopee!!
1991  Pollux
1991  Power Spikes
1991  Quiz Rouka Ni Tattenasai
1991  Quiz Syukudai wo Wasuremashita
1991  Raiga – Strato Fighter
1991  Rail Chase
1991  Rezon
1991  Riot City
1991  Robocop 2
1991  Rohga Armor Force
1991  Rollergames
1991  Royal Ascot
1991  SD Gundam Psycho Salamander no Kyoui
1991  Solvalou
1991  Starblade
1991  Steel Gunner 2
1991  Steel Talons
1991  Stoneage
1991  Street Fighter II: The World Warrior
1991  Strike Fighter
1991  Strike Force
1991  Strike Gunner S.T.G
1991  Sunset Riders
1991  Sunset Riders 2
1991  Super High Impact
1991  Super Volley ’91
1991  Super Volleyball
1991  Tank Force
1991  Tatakae Genshizin Joe & Mac
1991  Teenage Mutant Hero Turtles – Turtles in Time
1991  Teenage Mutant Ninja Turtles – Turtles in Time
1991  Teki Paki
1991  Terminator 2 – Judgment Day
1991  The Berlin Wall
1991  The King of Dragons
1991  The Simpsons
1991  Three Wonders
1991  Thunder Blaster
1991  Thunder Cross II
1991  Thunder Dragon
1991  Thunder Strike
1991  Thunder Zone
1991  Toushin Blazers
1991  Tumble Pop
1991  Turbo Force
1991  Ultraman
1991  Vendetta
1991  Winning Run ’91
1991  Wolf Fang -Kuhga 2001-
1991  Wonder 3
1991  WWF WrestleFest
1991  Xexex
1992  Adventure Quiz Capcom World 2
1992  Aero Fighters
1992  Air Combat
1992  Arm Champs II v1.7
1992  Arm Champs II v2.6
1992  Asterix
1992  Bakuretsu Breaker
1992  Balloon Brothers
1992  Battle of the Solar System
1992  Big Fight – Big Trouble In The Atlantic Ocean
1992  Big Striker
1992  Blandia
1992  Blaze On
1992  Block Carnival / Thunder & Lightning 2
1992  Bomber Lord
1992  Bomber Man World
1992  Bomber Man World / New Dyna Blaster – Global Quest
1992  Boogie Wings
1992  B.Rap Boys
1992  B.Rap Boys Special
1992  Bubble Trouble
1992  Bucky O’Hare
1992  Cactus
1992  Dangerous Dungeons
1992  Dark Seal 2
1992  Dark Tower
1992  D-Con
1992  Death Brade
1992  Diet Go Go
1992  Dogyuun
1992  Dragon Bowl
1992  Explosive Breaker
1992  Final Lap 3
1992  Final Star Force
1992  FixEight
1992  Flying Tiger
1992  Fujiyama Buster
1992  Funky Jet
1992  Galmedes
1992  Grind Stormer
1992  Gun Ball
1992  Heated Barrel
1992  Hook
1992  Jumping Pop
1992  Kageki
1992  Koutetsu Yousai Strahl
1992  Legionnaire
1992  Lucky & Wild
1992  Mahou Keibitai Gun Hohki
1992  Major Title 2
1992  Mortal Kombat
1992  Mutant Fighter
1992  Mystic Riders
1992  New Atomic Punk – Global Quest
1992  Nitro Ball
1992  Olympic Soccer ’92
1992  Pang Pom’s
1992  Peter Pan
1992  Quiz & Dragons: Capcom Quiz Game
1992  Quiz F1 1-2 Finish
1992  Quiz Kokology
1992  Quiz Mekurumeku Story
1992  Rezon
1992  Riot
1992  R-Type Leo
1992  Saboten Bombers
1992  Sangokushi II
1992  SD Gundam Neo Battling
1992  Seibu Cup Soccer
1992  Seibu Cup Soccer :Selection:
1992  Shogun Warriors
1992  Sky Alert
1992  Soldam
1992  Sonic Wings
1992  S.S. Mission
1992  Street Fighter II’: Champion Edition
1992  Street Fighter II’: Hyper Fighting
1992  Street Fighter II’: Magic Delta Turbo
1992  Street Fighter II: The World Warrior
1992  Street Fighter II’ Turbo: Hyper Fighting
1992  Super Hang-On
1992  Super Spacefortress Macross / Chou-Jikuu Yousai Macross
1992  Super World Stadium
1992  Super World Stadium ’92
1992  Super World Stadium ’92 Gekitouban
1992  Suzuka 8 Hours
1992  Tank Battle
1992  Tenchi wo Kurau II: Sekiheki no Tatakai
1992  The Great Ragtime Show
1992  The Irem Skins Game
1992  The Karate Tournament
1992  Tokoro San no MahMahjan
1992  Total Carnage
1992  Truxton II / Tatsujin Oh
1992  Ultraman Club – Tatakae! Ultraman Kyoudai!!
1992  Undercover Cops
1992  Undercover Cops – Alpha Renewal Version
1992  Varth: Operation Thunderstorm
1992  Warriors of Fate
1992  Wild Pilot
1992  Wild West C.O.W.-Boys of Moo Mesa
1992  Wizard Fire
1992  X-Men
1992  Zing Zing Zip
1993  Air Assault
1993  Athena no Hatena ?
1993  Atom
1993  Batsugun
1993  Batsugun – Special Version
1993  Biaofeng Zhanjing
1993  Big Bang
1993  Blue Hawk
1993  Bombjack Twin
1993  Cadillacs and Dinosaurs
1993  Cadillacs: Kyouryuu Shin Seiki
1993  Captain Flag
1993  Chimera Beast
1993  Cybattler
1993  Cyber Sled
1993  Daioh
1993  Denjin Makai
1993  Dinosaur Hunter
1993  Double Wings
1993  Dragonball Z
1993  Dragon Gun
1993  F-1 Grand Prix Star II
1993  Fighter’s History
1993  Final Tetris
1993  Fire Barrel
1993  Godzilla
1993  GunNail
1993  Gussun Oyoyo
1993  Hard Drivin’s Airborne
1993  Hayaoshi Quiz Ouza Ketteisen – The King Of Quiz
1993  Hyper Duel
1993  International Toote II
1993  In The Hunt
1993  J. J. Squawkers
1993  Jump Kids
1993  Kaitei Daisensou
1993  Kero Kero Keroppi no Issyoni Asobou
1993  Knuckle Bash
1993  Lady Killer
1993  Mad Shark
1993  Mahou Daisakusen
1993  Masked Riders Club Battle Race
1993  Match It II
1993  Mobile Suit Gundam
1993  Moeyo Gonta!!
1993  Muscle Bomber Duo: Heat Up Warriors
1993  Muscle Bomber Duo: Ultimate Team Battle
1993  Muscle Bomber: The Body Explosion
1993  Ninja Baseball Bat Man
1993  Ninja Baseball Bat Man II
1993  Oishii Puzzle Ha Irimasenka
1993  Peek-a-Boo!
1993  Perfect Soldiers
1993  Poitto!
1993  Premier Soccer
1993  Quiz Gakumon no Susume
1993  Quiz Kokology 2
1993  Raiden II
1993  Risky Challenge
1993  Sadari
1993  Saturday Night Slam Masters
1993  Schmeiser Robo
1993  SD Gundam Sangokushi Rainbow Tairiku Senki
1993  Shadow Force
1993  Shisensho II
1993  Sorcer Striker
1993  Street Drivin’
1993  Superior Soldiers
1993  Super Spacefortress Macross II / Chou-Jikuu Yousai Macross II
1993  Super World Stadium ’93
1993  Suzuka 8 Hours 2
1993  The Punisher
1993  Thunder Dragon 2
1993  Toffy
1993  Triple Fun
1993  Ultra Toukon Densetsu
1993  U.N. Defense Force: Earth Joker
1993  V-Five
1993  War of Aero – Project MEIOU
1993  Wing Force
1993  Yakyuu Kakutou League-Man
1993  Zero Team
1993  Zero Team Selection
1993  Zero Team Suicide Revival Kit
1993  Zero Team USA
1994  1000 Miglia: Great 1000 Miles Rally
1994  Arcadia
1994  B.C. Kid / Bonk’s Adventure / Kyukyoku!! PC Genjin
1994  Best Of Best
1994  Blazing Tornado
1994  Blood Warrior
1994  Dharma Doujou
1994  Dragonball Z 2 – Super Battle
1994  Dream Soccer ’94
1994  Eight Forces
1994  Geo Storm
1994  Gouketsuji Ichizoku 2
1994  Great 1000 Miles Rally: Evolution Model!!!
1994  Great 1000 Miles Rally: U.S.A Version!
1994  Gun Dealer ’94
1994  Gun Force II
1994  Gun Hard
1994  Gun Master
1994  Kick for the Goal
1994  Kingdom Grandprix
1994  Kokontouzai Eto Monogatari
1994  Krazy Bowl
1994  Last Fortress – Toride
1994  Locked ‘n Loaded
1994  Magical Error wo Sagase
1994  Magical Speed
1994  Magicball Fighting
1994  Mazinger Z
1994  Metal Saver
1994  Night Slashers
1994  Oedo Fight
1994  Orbs
1994  Pack’n Bang Bang
1994  Pang Pang
1994  Pnickies
1994  Pokonyan
1994  Power Instinct 2
1994  Power Kick
1994  Primella
1994  Pro Mahjong Kiwame
1994  PuzzLove
1994  Quiz & Dragons: Capcom Quiz Game
1994  Quiz Ghost Hunter
1994  Raiden DX
1994  Rapid Hero
1994  Scud Hammer
1994  Shippu Mahou Daisakusen
1994  Snow Bros. 2 – With New Elves / Otenki Paradise
1994  SunA Quiz 6000 Academy
1994  Super Bar
1994  Super Toffy
1994  Super Trio
1994  Super-X
1994  Tattoo Assassins
1994  Tickee Tickats
1994  Tokoro San no MahMahjan 2
1994  Toride II
1994  Toride II Adauchi Gaiden
1994  Toride II Bok Su Oi Jeon Adauchi Gaiden
1994  Toryumon
1994  Wiggie Waggie
1995  Choky! Choky!
1995  Cookie & Bibi
1995  Daitoride
1995  Dolmen
1995  DonPachi
1995  Extreme Downhill
1995  Ganbare Ginkun
1995  Gogetsuji Legends
1995  Gouketsuji Gaiden – Saikyou Densetsu
1995  Great 1000 Miles Rally 2 USA
1995  Gundhara
1995  Hatch Catch
1995  Honey Dolls
1995  Hyper Pacman
1995  Kero Kero Keroppi’s Let’s Play Together
1995 Ltd.
1995  Mahjong Doukyuusei
1995  Mahjong Doukyuusei Special
1995  Mega Man: The Power Battle
1995  Metamoqester
1995  Mille Miglia 2: Great 1000 Miles Rally
1995  Mouse Shooter GoGo
1995  Nouryoku Koujou Iinkai
1995  Oni – The Ninja Master
1995  Othello Derby
1995  Pang! 3
1995  Pang! 3: Kaitou Tachi no Karei na Gogo
1995  Pretty Soldier Sailor Moon
1995  Pururun
1995  Puzzli
1995  Quiz Tonosama no Yabou 2: Zenkoku-ban
1995  Rockman: The Power Battle
1995  R-Shark
1995  Silver Millennium
1995  Sokonuke Taisen Game
1995  Sotsugyo Shousho
1995  Twin Action
1995  Twin Adventure
1995  Varia Metal
1995 Back To the Future
1995 Yori Jori Kuk Kuk
1995  Wonder League Star – Sok-Magicball Fighting
1995  World PK Soccer
1995  X Se Dae Quiz
1995  Zombie Raid
1996  1945 Part-2
1996  Air Attack
1996  Air Gallet
1996  Akuu Gallet
1996  Aquarium
1996  Back Street Soccer
1996  Bal Cube
1996  Bang Bang Ball
1996  Battle Garegga
1996  Battle Garegga – New Version
1996  Battle Garegga – Type 2
1996  Carket Ball
1996  Come Back Toto
1996  Cookie & Bibi 2
1996  Crazy Fight
1996  Daitoride
1996  Fancy World – Earth of Crisis
1996  Ghost Hunter
1996  Grand Striker 2
1996  Hotdog Storm
1996  Lei Shen Zhuan Thunder Deity Biography
1996  Ltd.
1996  Mouja
1996  Mouse Attack
1996  Multi Game ’96
1996  Pac-Slot
1996  Pop Bingo
1996  Raiden II New / Raiden DX
1996  Sankokushi
1996  SD Fighters
1996  Toppy & Rappy
1996  Tut’s Tomb
1996  Ultra Balloon
1996  Wonder League ’96
1997  B.C. Story
1997  Beach Festival World Championship 1997
1997  Burglar X
1997  Cookie & Bibi 3
1997  DoDonPachi
1997  Got-cha Mini Game Festival
1997  Mahjong Gakuensai
1997  MuHanSeungBu
1997  New Zero Team
1997  Pasha Pasha Champ Mini Game Festival
1997  Puzzle Break
1997  Red Hawk
1997  R-Type II
1997  Su Ho Seong
1997  Twinkle
1998  Armed Police Batrider
1998  Bubble 2000
1998  Dangun Feveron
1998  Date Quiz Go Go
1998  ESP Ra.De.
1998  Fever SOS
1998  Guardian Storm
1998  Hot Bubble
1998  International Toote
1998  Jeon Sin – Guardian Storm
1998  Mahjong Gakuensai 2
1998  New HyperMan
1998  Puzzle Uo Poko
1998  Rapid Fire v1.0
1998  Rapid Fire v1.1
1998  Real Battle Mahjong King
1998  Red Fox War Planes II
1998  Sen Jing – Guardian Storm
1998  Snow Bros. 2 – With New Elves / Otenki Paradise
1998  Stagger I
1998  Zero Point
1999  Battle Bakraid
1999  Battle Bakraid – Unlimited Version
1999  Battle Bubble
1999  Cool Minigame Collection
1999  Crusher Makochan
1999  Gaia Crusaders
1999  Guwange
1999  Huo Feng Huang
1999  Jumping Break
1999  Knuckle Bash 2
1999  Koro Koro Quest
1999  Lup Lup Puzzle / Zhuan Zhuan Puzzle
1999  Ma Cheon Ru
1999  Mallet Madness v2.1
1999  More More
1999  More More Plus
1999  Mosaic
1999  Pop’s Pop’s
1999  Puzzle Bang Bang
1999  Royal Poker 2
1999  Super Lup Lup Puzzle / Zhuan Zhuan Puzzle
1999  The Legend of Silkroad
1999  Tobikose! Jumpman
1999  Vamf x1/2
1999  Vamp x1/2
1999  Warriors of Fate
1999  Zero Point 2
2000  Date Quiz Go Go Episode 2
2000  Ganbare! Marine Kun
2000  Mang-Chi
2000  Mission Craft
2000  Mr. Dig
2000  Puzzlet
2000  Spectrum 2000
2000  Zero Team 2000
2001  Age Of Heroes – Silkroad 2
2001  Boong-Ga Boong-Ga
2001  Diet Family
2001  Final Godori
2001  Fire Hawk
2001  Mr. Kicker
2001  Thunder Heroes
2001  Toy Land Adventure
2001  Wivern Wings
2001  Wyvern Wings
2002  Puzzle King
2002  Snow Brothers 3 – Magical Adventure
2003  Agress – Missile Daisenryaku
2003  Ball Boy
2006  ISG Selection Master Type 2006 BIOS
2006  Tetris / Bloxeed
2008  Fantasy Zone
2008  Fantasy Zone II – The Tears of Opa-Opa
2008  Shinobi / FZ-2006
2009  R-Type
2012  DoDonPachi
2012  Robotron: 2084
2013  Out Run
2014  Out Run
2015  Robotron: 2084

Generador de ruido del YM2151

El ruido que oímos en los juegos, normalmente usado para simular explosiones, golpes, etc. es generado de forma aleatoria en el interior del chip. ¿Aleatoria de verdad? Bueno, aunque los procesadores modernos sí suelen llevar un verdadero generador de números aleatorios basado en propiedades físicas de los circuitos, en el pasado y en muchas aplicaciones modernas se usa un tipo de circuito llamado registro de desplazamiento con realimentación lineal, LFSR por sus siglas en inglés (wikipedia).

En el código fuente del emulador del MAME (ym2151.c) encontramos la siguiente tabla para emular el ruido:


/*
Noise LFO waveform.
Here are just 256 samples out of much longer data.
It does NOT repeat every 256 samples on real chip and I wasnt able to find
the point where it repeats (even in strings as long as 131072 samples).
I only put it here because its better than nothing and perhaps
someone might be able to figure out the real algorithm.
Note that (due to the way the LFO output is calculated) it is quite
possible that two values: 0x80 and 0x00 might be wrong in this table.
To be exact:
some 0x80 could be 0x81 as well as some 0x00 could be 0x01.
*/
static UINT8 lfo_noise_waveform[256] = {
0xFF,0xEE,0xD3,0x80,0x58,0xDA,0x7F,0x94,0x9E,0xE3,0xFA,0x00,0x4D,0xFA,0xFF,0x6A,
0x7A,0xDE,0x49,0xF6,0x00,0x33,0xBB,0x63,0x91,0x60,0x51,0xFF,0x00,0xD8,0x7F,0xDE,
0xDC,0x73,0x21,0x85,0xB2,0x9C,0x5D,0x24,0xCD,0x91,0x9E,0x76,0x7F,0x20,0xFB,0xF3,
0x00,0xA6,0x3E,0x42,0x27,0x69,0xAE,0x33,0x45,0x44,0x11,0x41,0x72,0x73,0xDF,0xA2,
0x32,0xBD,0x7E,0xA8,0x13,0xEB,0xD3,0x15,0xDD,0xFB,0xC9,0x9D,0x61,0x2F,0xBE,0x9D,
0x23,0x65,0x51,0x6A,0x84,0xF9,0xC9,0xD7,0x23,0xBF,0x65,0x19,0xDC,0x03,0xF3,0x24,
0x33,0xB6,0x1E,0x57,0x5C,0xAC,0x25,0x89,0x4D,0xC5,0x9C,0x99,0x15,0x07,0xCF,0xBA,
0xC5,0x9B,0x15,0x4D,0x8D,0x2A,0x1E,0x1F,0xEA,0x2B,0x2F,0x64,0xA9,0x50,0x3D,0xAB,
0x50,0x77,0xE9,0xC0,0xAC,0x6D,0x3F,0xCA,0xCF,0x71,0x7D,0x80,0xA6,0xFD,0xFF,0xB5,
0xBD,0x6F,0x24,0x7B,0x00,0x99,0x5D,0xB1,0x48,0xB0,0x28,0x7F,0x80,0xEC,0xBF,0x6F,
0x6E,0x39,0x90,0x42,0xD9,0x4E,0x2E,0x12,0x66,0xC8,0xCF,0x3B,0x3F,0x10,0x7D,0x79,
0x00,0xD3,0x1F,0x21,0x93,0x34,0xD7,0x19,0x22,0xA2,0x08,0x20,0xB9,0xB9,0xEF,0x51,
0x99,0xDE,0xBF,0xD4,0x09,0x75,0xE9,0x8A,0xEE,0xFD,0xE4,0x4E,0x30,0x17,0xDF,0xCE,
0x11,0xB2,0x28,0x35,0xC2,0x7C,0x64,0xEB,0x91,0x5F,0x32,0x0C,0x6E,0x00,0xF9,0x92,
0x19,0xDB,0x8F,0xAB,0xAE,0xD6,0x12,0xC4,0x26,0x62,0xCE,0xCC,0x0A,0x03,0xE7,0xDD,
0xE2,0x4D,0x8A,0xA6,0x46,0x95,0x0F,0x8F,0xF5,0x15,0x97,0x32,0xD4,0x28,0x1E,0x55
};

Jarek Burczynski, el autor del emulador del YM2151 usado en MAME y casi en cualquier otro sitio, habla sobre cómo estas medidas de la salida del YM2151 no son periódicas, incluso después de más de cien mil muestras. También dice que algunos valores podrían estar mal debido a la forma de extraer los datos y su relación con el oscilador de baja frecuencia del chip (el LFO).

Asumiendo que estos valores debían de provenir de un LFSR y que lo más lógico era tener un LFSR por cada bit, apliqué el algoritmo de Berlekamp-Massey (wikipedia) para obtener ese supuesto registro de desplazamiento. Y este fue el resultado:

 Para todos los bits, salvo el 0 y el 4, de la secuencia de Jarek B. existe un LFSR de orden 19 y realimentación en las etapas 0, 1, 14, 15, 17 y 18.

Así que los bits que no se extrajeron bien en algunos casos fueron el 0 y el 4 y no el 0 y el 8 como pensaba Jarek. Fijaos que es la misma secuencia pseudoaleatoria para todos los bits de la palabra de ruido pero como cada LFSR está iniciado en un punto distinto de la secuencia, no van a coincidir nunca. La secuencia completa de cada bit tiene una longitud de 2^18, mucho mayor que los cien mil valores que Jarek tomó del chip. Además para ver una repetición tiene que coincidir que todas las secuencias se estén repitiendo. No voy a hacer el cálculo, pero el periodo de la secuencia es mucho mayor que 2^18.

Con estos datos ya es posible usar el mismo circuito que el original para producir el mismo ruido. Esto se puede aplicar a corregir el fichero ym2151.c de MAME o a seguir escribiendo el clón en verilog, que es lo que me ocupa a mí.

En la próxima entrada escribiré los valores con los que hay que iniciar cada LFSR para obtener la secuencia de ruido.

Primera nota musical con el YM2151

Después de prepararme para controlar un YM2151 a través de MAME (explicación). Aquí va mi primera nota, no sin esfuerzo. Para ello escribo los siguientes valores en los registros:

Registro Nombre Valor Explicación
Del $60 al $7F Total Level $00 volumen
$20 Connection $C7 $C = Salida por izquierda y derecha
$7 = conexión tipo 7
 $28 Key Code $4A $4 = octava
$A = nota (la)
 $40 Phase Multiplier 1
 $C0 Detune 2 0
 $38 Phase Modulation Sensitivity 0
Del $80 al $83 Attack Rate $10 Comienzo de la envolvente
Del $A0 al $A3 Decay 1 Rate $10 Caída de la envolvente
Del $C0 al $C3 Decay 2 Rate $10 Caída de la envolvente
Del $E0 al $E3 Release Rate $8 Caída de la envolvente
 $78 Key On $78 Comienza la envolvente para todos los operadores del canal 0

Sólo con esto ya se consigue sonido… una vez. Para repetirlo hay que volver a escribir a YM_KEYON ($78), esta vez con un $00 y luego volver a escribir un $78 para que empiece el sonido de nuevo. La repetición la hago en el código usando los temporizadores del YM2151 para esperar aproximadamente medio segundo.

A continuación está el código completo en ensamblador del 6809. Este código lo ensamblo y corro con el MAME.


; YM Registers
YM_KEYON EQU $08
YM_TIMERB EQU $12
YM_TIMER_CTRL EQU $14
YM_CT EQU $1B
YM_CONNECTION EQU $20
YM_KEY_CODE EQU $28
YM_KEY_FRACTION EQU $30
YM_PMS EQU $38
YM_PHASE_MUL EQU $40
YM_DETUNE2 EQU $C0
YM_ATTACK_RATE EQU $80
YM_DECAY1_RATE EQU $A0
YM_DECAY2_RATE EQU $C0
YM_RELEASE_RATE EQU $E0
; YM LOCATION IN THE MEMORY MAP
YM_ADR EQU $2000
YM_DATA EQU $2001
ORG $8000
RESET LDD #$6800
TFR D,S
; SET TOTAL LEVEL TO 00 FOR ALL CHANNELS
LDA #$60
STA $6000
TL_NXT: LDA $6000
CMPA #$80
BEQ PLAY
LDB #$00
JSR WRITE_YM
INC $6000
BRA TL_NXT
PLAY JSR WAIT
LDB #$C7
LDA #YM_CONNECTION
JSR WRITE_YM
LDB #$4A ; A 440Hz
LDA #YM_KEY_CODE
JSR WRITE_YM
LDB #1
LDA #YM_PHASE_MUL
JSR WRITE_YM
CLRB
LDA #YM_DETUNE2
JSR WRITE_YM
CLRB
LDA #YM_PMS
JSR WRITE_YM
; Envelope
CLRA
EG58 STA $6000
LDA #YM_ATTACK_RATE
ADDA $6000
LDB #$10
JSR WRITE_YM
LDA #YM_DECAY1_RATE
ADDA $6000
LDB #$10
JSR WRITE_YM
LDA #YM_DECAY2_RATE
ADDA $6000
LDB #$10
JSR WRITE_YM
LDA #YM_RELEASE_RATE
ADDA $6000
LDB #$8
JSR WRITE_YM
LDA $6000
INCA
CMPA #4
BNE EG58
KEYON:
LDB #$78
LDA #YM_KEYON
JSR WRITE_YM
; Wait for 0.5s before starting again
LDA #7
STA $6000
L59 LDA #YM_TIMERB
LDB 0
JSR WRITE_YM
LDA #YM_TIMER_CTRL
LDB #$2A
JSR WRITE_YM
L60 LDA YM_DATA
ANDA #2
BEQ L60
LDA #YM_TIMER_CTRL
LDB #$30 ; Reset flags
JSR WRITE_YM
DEC $6000
BNE L59
; key off
LDB #$00
LDA #YM_KEYON
JSR WRITE_YM
LBRA PLAY ; play it again, Sam
WAIT LDA #$FF
LOOP DECA
BNE LOOP
RTS
WRITE_YM:
JSR WAIT_YM
STA YM_ADR
JSR WAIT_YM
STB YM_DATA
RTS
WAIT_YM:
PSHS A ;
LDA YM_DATA
ANDA #$80
BNE WAIT_YM
PULS A ;
RTS
IRQ_SER RTI
TopMem EQU $FFF8
FILL $FF,TopMem-*
FDB IRQ_SER ; $FFF8
FDB $FFFF, $FFFF
FDB RESET

Sacar sonido del YM2151 en MAME

Después de más de un año de parada retomo la labor de clonar el YM2151 en FPGA. Los chips FM de Yamaha siguen sin estar disponibles en Verilog/VHDL y son una parte crucial si algún día queremos ver equipos de 16 bits (Megadrive, X68000, CPS1, SEGA System 16, etc.) recreados en FPGA y librarnos de los problemas de temporización e inexactitudes de la emulación.

El problema del YM2151 es su pésima documentación. No sólo porque el documento que circula escaneado por internet esté borroso y contenga partes ilegibles, sino porque en sí era un mal documento. El mapa de registros no está bien explicado y no hay ni un puñetero ejemplo de cómo generar sonidos. Esto en Japón, con los ingenieros de Yamaha al lado no sería gran problema. O quizá en su momento había herramientas de generación de sonidos que facilitaban la labor de programación de estos chips. Pero hoy en día, con sólo la documentación es imposible aclararse.

Jarek Burczynski además de lograr escribir su propio apellido, escribió el emulador de YM2151 usado en MAME. Cuenta en los créditos (en el ym2151.h) que contó con la colaboración de Shigeharu Isoda, un ingeniero de sonido de SEGA que conocía bien el chip. Shigeharu le pasó la documentación en japonés (ficheros que no han visto la luz de internet, por cierto) y sobre todo contestó a muchas preguntas. Algo fundamental si esa documentación en japonés es tan pobre como la que existe en inglés. También contó con la ayuda de otros con acceso a un chip real, quienes le tomaron medidas.

Pues bien, dada la escasez de documentación útil del YM2151, el emulador de Jarek B. va a ser una pieza fundamental para desentrañar este chip. Primero trataré de hacer funcionar las cosas en el emulador y luego de replicarlas en el chip real. Compararé los resultados y, por supuesto, trataré de replicar el chip real en Verilog, no el emulador.

Podría coger los ficheros ym2151.c, ym2151.h de MAME, adaptarlos a mi propio programa en C y explorarlos así. Sin embargo, prefiero un mecanismo más fiel a la época. He tomado como referencia el juego Gryzor. De él, la ROM 633e01.12a contiene el código del procesador 6809 que dirigía el sonido. El procesador principal escribía el código del sonido en un registro al que tenía acceso también este coprocesador. Según el código, este 6809 mandaba instrucciones al YM2151 para reproducir la melodía o el efecto sonoro adecuado.

MAME permite ejecutar un juego con ROMs alternativas. Lo que he hecho es ensamblar mi propia versión de la ROM de sonido de Gryzor, donde ejecuto mi propio código, y correrla con MAME. De esta forma puedo escuchar la salida de sonido rápidamente. MAME advierte de que la ROM no contiene lo esperado pero reproduce el juego bien.

En la siguiente entrada explicaré cómo conseguí el primer sonido del YM2151 usando este método.

Sistemas retro en FPGA ¿Por qué?

Con todo el entusiasmo generado por el ZX Uno, un proyecto español originado en el foro Zona de pruebas, que recrea un ZX Spectrum (entre otros) en una pequeña placa con una FPGA, muchos se están preguntando… ¿qué es una FPGA? ¿Por qué es mejor que emular?

Hay un vídeo en youtube que trata de explicar esto en relación a otro gran proyecto abierto de recreación en FPGA, el Mist. Sin embargo, creo que la explicación no satisfará a muchos con ansias de entender mejor la ventaja. Así que me he animado a escribir esta entrada.

Supongo que sabes que un ordenador, clásico o no, se compone de básicamente de estos elementos:

  1. Procesador (CPU)
  2. Memoria
  3. Sistema de E/S (Entrada/Salida), incluye teclado, vídeo, sonido, cinta, disco…

En la imagen tenemos la placa del ZX Spectrum con estos componentes marcados. Hay memoria que contiene el sistema (el BASIC en un ordenador de 8 bits). A esta memoria la llamamos ROM, porque no puede borrarse. Hay otra memoria que se usa para guardar los datos con los que el procesador trabaja, que llamamos RAM. Por supuesto está la CPU y un chip bastante grande marcado como FERRANTI ULA que contiene los sistemas de entrada y salida. A su lado hay dos piezas metálicas que contienen cuarzo y se usan para generar el reloj del sistema. El número 4.4336 que puede leerse es la frecuencia en MHz para la que está diseñado ese cristal, usado en el circuito de vídeo.

ZXspectrum_mb2

Un emulador es un programa que recrea la función de todos estos elementos: uno a uno y dentro de las restricciones temporales, de sonido e imagen que plantea el sistema sobre el que corre el emulador. Sin embargo, en el equipo real estos chips funcionan todos a la vez. Es más, en su interior hay miles de componentes que también funcionan a la vez. El emulador trata de recrear lo que el programa original está haciendo. Si el programa original decía: coge dos números de memoria y súmalos. El emulador hará eso. Pero… la placa original no hacía exactamente eso.

Bueno, sumaba los dos números pero pasaban más cosas. Esos números eran transportados hasta el interior de la CPU. Almacenados en una memoria especial llamado “registro” del procesador y pasados a través de otra etapa dentro del procesador encargada de hacer sumas. Cada uno de estos elementos estaba fabricado con transistores y cada uno de estos transistores tenía su propia actividad que ocurría al ritmo marcado por el reloj: 3,5MHz en un Spectrum. Y mientras tanto el chip de vídeo seguía con su actividad, y el altavoz seguía funcionando y la cinta moviéndose… Todo ocurría a la vez (en paralelo).

En el emulador, todo ocurre en serie: paso a paso. El emulador simula qué hace la CPU durante un tiempo. Se para y mira qué hace el chip de vídeo. Se para y atiende al sonido. Vuelve la mirada hacia el teclado… Así que las cosas no pasan a la vez y normalmente esto no se nota. Los ratitos que el emulador dedica a cada tarea son lo suficientemente cortos como para que no se note… Casi nunca. Cuando un programa necesita, por diseño o por casualidad, una relación de tiempo más precisa entre los componentes pasamos a necesitar equipos mucho más rápidos para poder emular el sistema. Podéis leer aquí el caso de cómo emular una SNES puede llevarse por delante un procesador de 3GHz. Y aun así, será inexacto.

¿Qué es una FPGA?

Una FPGA es un chip en cuyo interior hay muchos componentes electrónicos cuyas conexiones son libres. Estos componentes son desde muy pequeñitos como flip flops (memorias de un solo bit) hasta memorias más grandes o incluso CPUs modernas (modernas sí, pero pequeñas). La mayoría de los componentes de la FPGA son bloques elementales de la electrónica digital. Son piezas muy pequeñas (puertas AND, OR, flip flops, sumadores, algún divisor) que el diseñador electrónico necesita unir para crear circuitos.

Dentro de los chips del ordenador de la imagen también se encuentran estas mismas piezas. La diferencia clave está en que en los chips del ordenador original esas piezas están conectadas con un metal que no se puede cambiar una vez fabricado. Mientras que en la FPGA la conexión es variable. Y aquí viene lo fascinante. Con la FPGA adecuada, es posible reconstruir el circuito electrónico original y por lo tanto tener el mismo sistema, solo que en un solo chip. Así que una FPGA no imita lo que hacía el sistema original. Una FPGA es como el sistema original. Por supuesto, en la recreación del circuito se pueden cometer errores o puede faltar información y ahí surgirán pequeñas diferencias. Pero el potencial de llegar a ser exactamente igual al original con precisión superior al microsegundo está ahí.

¿Cómo se programa una FPGA?

El término programar es confuso. Programar una FPGA realmente se refiere a transferir la información de las conexiones desde el ordenador, donde se ha desarrollado el sistema, hasta el chip de la FPGA. Una vez programada, la FPGA contiene las conexiones que el ingeniero quiere.

¿Cómo decide el ingeniero esas conexiones? Dado que para cada modelo de FPGA hay unos bloques elementales en su interior, el ingeniero puede decidir directamente qué bloque usar y a qué bloque conectarlo. Como quien une los puntos de un dibujo. Sin embargo, este enfoque no es el más práctico. El ingeniero prefiere escribir un código parecido al de un programa de ordenador. Este código describe lo que el circuito tiene que hacer. Aunque parezca un programa, no es realmente un programa porque no existe un procesador que lo ejecute. En vez de eso, el ordenador con el que trabaja el ingeniero transformará ese código (ese fichero de texto) en unas conexiones en la FPGA tales que la FPGA se convierta en un circuito que haga la función que el ingeniero había descrito. Esto, que suena como si el proceso de transformación requiriese mucho ingenio por parte del ordenador, en realidad no lo es tanto. Lo más complicado del proceso no es pasar de la descripción a los bloques electrónicos sino conectarlos de forma que la señal se transmita adecuadamente entre ellos.

Así que, si un ingeniero escribe una descripción de un procesador, por ejemplo un Z80, este procesador podrá realizarse en los circuitos de muchos modelos distintos de FPGA y con el mismo código, también en un chip de verdad. Todos los procesadores y sistemas electrónicos digitales modernos están diseñados utilizando estos lenguajes de descripción (Verilog, principalmente) y el que acaben en un chip dedicado, con conexiones fijas, o en una FPGA, con conexiones variables; depende del tamaño de mercado para el que se fabrican y de su velocidad, fundamentalmente.

Resumiendo: en una FPGA se reconstruye el circuito original y, a efectos electrónicos, nos encontramos ante el mismo sistema que el original. Hasta los detalles más insignificantes y las particularidades más meticulosas de un sistema se pueden recrear en la FPGA y a menudo ocurrirán como consecuencia natural del circuito que se monta en ella. Sin embargo en un emulador el programador necesita elegir qué aspectos de la máquina original va a imitar y de qué manera. Los aspectos que no se noten en la emulación no se replican en un emulador. Sin embargo en la FPGA, por ser el circuito electrónico, es necesario incluir prácticamente todos los elementos que ocurrían en el original.

¿Ventajas de una FPGA frente a un emulador?

A estas alturas debería resultar obvio: la FPGA es, básicamente, el sistema original. Así que comparar el emulador con la FPGA es muy similar a compararlo con el original. Eso sí, la FPGA habitualmente puede hacer cosas que el sistema original no puede:

  • Acceso a más RAM
  • Lectura de discos desde una tarjeta SD
  • Incrementar la velocidad de la CPU o de la memoria
  • Otros trucos dado el acceso directo al hardware del que dispone

Y puede hacer algo que los emuladores tienen casi por imposible: conectarse a hardware real de la época, como el caso de los puertos MIDI del Mist o los puertos de cartucho del One Chip MSX.

Y hasta aquí este repaso sobre FPGAs y emulación.

YM3012 relación entrada/salida medida en silicio

La salida del YM2151 es una señal digital de 16 bits: 3 sin valor, 10 de mantisa y 3 de exponente. Los dos canales (izquierda y derecha) se transmiten secuencialmente. Este formato está relativamente detallado en la hoja de datos del YM2151 y del DAC que lo acompañaba, el YM3012. Sin embargo, dado que los dos chips eran de Yamaha y cuyo uso era ir el uno con el otro, Yamaha nunca explicó demasiado bien cómo funcionaban. Seguramente nadie usó nunca un YM2151 sin un YM3012 y viceversa. Pero poder extraer sonido de un YM2151 sin el YM3012 hace falta saber primero qué hacía este exactamente. Y para eso, nada mejor que unas medidas.

Medidas del YM3012

Con VDD=5.17V realicé medidas para cada valor del exponente (del 1 al 7) y para los siguientes valores de mantisa: $00, $0F, $3F, $FF, $100, $10F, $13F, $1FF, $200, $20F, $21F, $2FF, $300, $30F, $31F, $33F, $3FF. A partir de las medidas, caractericé la relación entrada salida así: Vout = n + m * d. Donde d es el valor de la mantisa y n,m son valores que dependen del exponente según esta relación:

exponente n m
1 2.559 0.039*0.001
2 2.530 0.082*0.001
3 2.493 0.163*0.001
4 2.417 0.314*0.001
5 2.252 0.636*0.001
6 1.932 1.261*0.001
7 1.290 2.522*0.001

Para cada valor de exponente, la m (es decir, la sensibilidad o el tamaño del LSB) cambia en un factor 2. Pero el corte con cero, la n, también varía. La relación es de tal forma que empezando por exp=7 la salida varía desde 1.289V (d=0) hasta 3.870V (d=3FF), para exp=6 el rango se acorta a 1.937 (d=0) hasta 3.220 (d=3FF), para exp=5 el rango es 2.250 (d=0) hasta 2.900 (d=3FF) y así sucesivamente.

Lo que esto significa es que la señal está centrada alrededor de VDD/2. Para exp=7 se accede a todo el rango de señal desde VDD/4 hasta VDD*3/4 con una resolución de 10 bits. Al pasar a exp=6 el rango se acorta de forma simétrica alrededor de VDD/2 y se divide de nuevo en 10 bits. Es decir, la mitad central del rango goza de mayor resolución. Para exp=5 el rango vuelve a dividirse y a aumentar la resolución y así sucesivamente.

Esto explica la implementación del YM3012 en Verilog de Tatsuyuki Satoh. Cuyo meollo es este:


module dac3012(
CLK,CLKEN,
SO,SH1,SH2,
L,R
);
input CLK;
input CLKEN;
input SO,SH1,SH2;
output [15:0] L,R;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// capture
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
reg [12:0] sreg;
reg last_sh1,last_sh2;

reg [15:0] dr,dl;
reg [ 2:0] sr,sl;

reg [15:0] out_r,out_l;

always @(posedge CLK)
begin
if(CLKEN)
begin
// shift register
sreg <= {SO,sreg[12:1]};

last_sh1 <= SH1;
if(last_sh1 & ~SH1)
begin
out_r <= dr;
sr <= sreg[12:10];
dr <= {~sreg[9],sreg[8:0],6’b000000};
end else if(sr<7)
begin
// increment floating point
sr <= sr + 1;
dr[14:0] <= dr[15:1];
end

last_sh2 <= SH2;
if(last_sh2 & ~SH2)
begin
out_l <= dl;
sl <= sreg[12:10];
dl <= {~sreg[9],sreg[8:0],6’b000000};
end else if(sl<7)
begin
// increment floating point
sl <= sl + 1;
dl[14:0] <= dl[15:1];
end
end
end

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// output
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
assign L = out_l;
assign R = out_r;

endmodule

La inversión del bit D[9] es una forma rápida de sumar 512 al valor para centrarlo en torno a un imaginario VDD/2. Luego divide el valor entre 2 conservando el signo para cada valor de exp distinto de 7.

Esta implementación no se corresponde, creo, fielmente a la relación E/S medida en el chip. En principio, para exp=7 entiendo que no hay que hacer nada especial y se puede guardar el valor tal cual en 16 bits:


linear[15:0] <= { data[9:0], 6'd0 };

Para los demás valores distintos hay que dividir por 2 y sumar 256:


linear[15:0] <= { 10'h100, 6'd0 } + { 1'b0, linear[15:1] };

en iteraciones sucesivas a la manera de actuar de Satoh.

Flanco de las señales del YM2151

Después de un año sin apenas tocar el proyecto de clonar el YM2151 en FPGA, vuelvo a la carga con una plaquita nueva con conversores 3V-5V que evitan los problemas de la anterior placa. Ahora que la comunicación entre FPGA e YM2151 ya está garantizada llega el turno de empezar a sacar información para hacerlo sonar a través del kit Spartan-3 de Xilinx.

Lo primero que hace falta tener claro es si la salida del YM2151, el pin SO (Sound Out, a veces descrito como SD Sound Data) hay que recogerlo en el flanco positivo o negativo del reloj de salida (pin P1). Para ello he usado el osciloscopio USB Analog Discovery (que recomiendo vivamente) y he podido medir las salidas del chip sin programar (ver imagen).

Hay dos canales (izquierdo y derecho) cuya información se envía por el pin SO multiplexada. El flanco de bajada de SH1 indica que los datos del canal 1 empiezan. Los tres primeros bits se descartan. Luego viene el dato (D9-D0, 10 bits) y finalmente el exponente (tres bits). En total 16 bits por canal (13 de información y 3 de relleno)

Las señales de salida del YM2151 (SO, SH1 y SH2) están sincronizadas con el flanco negativo del P1

Las señales de salida del YM2151 (SO, SH1 y SH2) están sincronizadas con el flanco negativo del P1

Eliminación del autodisparo en un Quickshot

Hace unos días compré por eBay estos mandos, aun precintados, de Quickshot (ver aquí).

Imagen

El problema de estos mandos es que llevan un autodisparo en los dos botones. Hay muchos juegos en los que el autodisparo es un inconveniente: no permite realizar acciones o estorba. Así que me propuse quitárselo. Los dos botones en realidad son el mismo disparo para el ordenador. El cambio que voy a enseñar consiste en dejar el izquierdo con autodisparo y el derecho sin él. Después de desmontar la caja con mucha facilidad hice un diagrama de la placa:

Imagen

Y de ahí, se saca el esquema del circuito. Consiste en un oscilador conectado a los dos botones. Los botones se conectan entre un diodo LED y la salida del oscilador. La placa está preparada para dar salida individual a cada botón pero el cable carece de la conexión para el 2º botón. Para eliminar el autodisparo en uno de los botones basta con desconectar el lado del botón que va al colector del transistor y conectarlo a masa (cable negro) en su lugar. En el esquema esta conexión está indicada en negro.

Imagen

Para conectar a masa, usé el emisor del transistor más cercano al botón, que ya estaba conectado a masa.

Imagen

Y con eso queda el cambio hecho.