📵 🎰 🍓 ゲームボーイエミュレータの作成、パート3 🚴🏽 🌖 ⚛️

こんにちは

このシリーズの記事の前のパートでは、エミュレーターの重要なコンポーネントに関する作業を完了しました。完全を期すために、この記事ではDMGサウンドシステムについて検討します。

ゲームボーイエミュレータの作成、パート1

ゲームボーイエミュレータの作成、パート2

ゲームボーイエミュレータの作成、パート3

始める前に、ここにCookieboyリポジトリへのリンクがあります。ここでは、そのソースコードと最新のビルドを見つけることができます。

サウンドシステム

DMGでは、4つの独立したオーディオチャンネルをミックスしてステレオサウンドを出力できます。変調コンポーネントは各チャンネルに接続されており、ゲームはこれを制御して必要な音を出力できます。合計3つのコンポーネントがあり、すべてのチャネルの目的は同じです。

スイープユニット。与えられた周期とステップで音の周波数の変化を実行します。
長さカウンター。オーディオ出力の持続時間を制御します。
封筒ユニット。一定の周期で音量を変更します。

各チャネルには、これらのコンポーネントとチャネル自体を制御できる一連のレジスタがあります。それら（レジスタ）には特定の方法で番号が付けられます-NRXY、ここでXはチャネル番号（1、2、3、4）、Yはレジスタ番号です。必要に応じて、チャネル番号を省略し、Xのみを記述します。

DMGでは、次のオーディオチャネルを使用できます。

矩形波。 3つの変調コンポーネントすべてが含まれています。
矩形波。ボリュームと期間の制御コンポーネントが含まれています。
任意の形状の波。期間制御コンポーネントのみが含まれます。ボリュームは、いずれかのレジスターに手動で設定されます。
ノイズ発生器。ボリュームと期間の制御コンポーネントが含まれています。

最初の2つのチャネルは同一であり、変調コンポーネントのセットのみが異なります。

3番目のチャネルでは、I / Oポートセクションの特別なメモリ領域（波形パターンRAM）から任意波形を再生できます。したがって、指定されたメモリ領域を適時に更新することにより、任意のコンテンツのデジタル音声を再生することが可能です。音声に似たものを何とか再現する人もいます。

4番目のチャネルでは、異なる性質のノイズを生成できます。さまざまな特殊効果の発声に適しています。

簡略化されたDMGサウンドシェーピングスキームを次に示します。

変調のすべてのコンポーネントを通過した後、オーディオ信号はミキサーに入ります。ミキサーはさまざまなチャンネルをミックスし、出力の1つに出力します。 S01-右耳。 S02-左耳。ミキシング操作は、特定の出力のすべてのソースからの信号の単純な追加に削減されます-NR51は、どこでどのチャンネルを出力するかを示します。さらに、各出力の音量が考慮されます-混合後の信号は、レジスタNR50のこの出力の音量値に1を加えた値に乗算されます。

このスキームを完全に理解しようとしないでください-それに描かれているすべてのものがより詳細に考慮される方法に沿って。

NR50とNR51は共通のレジスタです。それらに加えて、すべてのサウンドをミュートするフラグと、サウンドチャンネルのステータスを示すビットを含む共通レジスタNR52があります。ミュートフラグのみを変更できます。ステータスビットは読み取り専用であり、常に更新されます。

レジスタNR52でサウンドがミュートされると、次のことが発生します。

カウンターの長さカウンターを除き、すべてのレジスターがリセットされます。これは、デューティサイクルに関連するビットのみをリセットする必要があることを意味します（後で明らかになります）。
NRX1を除くすべてのレジスタへの書き込みは禁止されています。また、記録は、Lengthカウンターに関連するビットでのみ実行できます。

レジスタビットの可用性といえば。どのビットが使用されていないか、読み取れないかに注意してください。外部からレジスタを読み取ろうとする場合、使用されていないか、読み取りに使用できないすべてのビットを1に設定する必要があります。テストROMはこれをテストします。レジスタ自体を変更する必要はありません。もちろん、サウンドコンポーネントはレジスタに完全にアクセスできます。

すべてのサウンド生成コンポーネントはクロックと同期しています。特定の周波数の音波を生成するには、クロックジェネレーター自体が使用されます。コンポーネントを変調するために、512 Hzの周波数で動作する別のフレームシーケンサークロックが割り当てられます。メインクロックでも動作しますが、低周波サンプルを生成できます。スイープユニットは128 Hzの周波数を使用します。長さカウンターの場合-256 Hz。エンベロープユニットの場合-64 Hz。このクロックジェネレーターのプロセスは次のとおりです。各行は1つのフレームシーケンサーサンプルを意味します。

長さカウンター	封筒ユニット	スイープユニット
カウントダウン	-	カウントダウン
-	カウントダウン	-
カウントダウン	-	-
-	-	-
カウントダウン	-	カウントダウン
-	-	-
カウントダウン	-	-
-	-	-

この表は、どのフレームシーケンサーサンプルが変調コンポーネントのサンプルを生成するかを示しています。このようなサンプルのシーケンスを循環することがわかります。これにより、フレームシーケンサーで可能な8つの状態が得られます（0から7まで番号を付けます）。コンポーネントの読み取りがどのフェーズで発生するかを考慮することが重要です。また、サウンドが開始されると（NR52レジスタのフラグ）、フレームシーケンサーが状態1から開始することを考慮する必要があります。フレームシーケンサーの状態を変更したことを変調コンポーネントに明確にすることが非常に重要です。かつて、テストROMの1つがパスできなかったため、このエラーはほとんど見つかりませんでした。

一般的なデバイスを扱った後、特定の各チャネルの検討に移ります。

サウンドチャンネル1および2

最初に、方形波を生成するチャネルを検討します。チャネル1と2を分離することは意味がありません。チャネル1を検討すると、スイープユニットを除いて同一であるため、機能を単純にトリミングすることでチャネル2を実装できます。

それで、方形波とは何ですか。下の図は、まさにそのような波を示しています。

時間軸がどこにあるかは特に重要ではありません。私のエミュレータは、「信号あり」（1-2、3-4、5-6）、「信号なし」（0-1、2-3、4-5）のセグメントを生成するウェーブを使用します。別の方法で時間軸を中央に配置することもできますが、これは実装を複雑にするだけで、結果は同じになります。

この図では、振幅の異なるセグメントの持続時間が同じであるため、信号のデューティサイクルは2です。 DMGでは、異なるデューティサイクル値を持つ矩形波を生成できますが、ドキュメントではデューティサイクル係数の逆数、つまりデューティサイクルを使用するのが一般的です。ところで、それはより視覚的であり、私たちはそれを使用します。選択は、デューティサイクルの4つの異なる値-0.125、0.25、0.5、0.75から行われます。デューティサイクルは周波数には影響せず、信号の性質にのみ影響します。以下の図は、異なるデューティサイクルと同じ周波数での信号の違いを示しています。

4つの値が提供されていますが、実際には3つの値が提供されています。デューティサイクル0.25と0.75は見た目が異なる波を与えますが、音は同じです。音を再生する場合、振幅の変化は重要であり、フィルファクター0.25および0.75で同じ特性を持っています。

デューティサイクル値は、上位2ビットのレジスタNRX1に含まれています。

当然、信号を生成する周波数を知る必要があります。このために、レジスタNRX3およびNRX4が使用されます。周波数は11ビット長の数字で示されます。下位8ビットはNRX3レジスタにあり、最上位3ビットはNRX4レジスタにあります。したがって、周波数の範囲は0〜2047ですが、これらの値は実際の音の周波数には適用されません。これらの値を実際の周波数に変換するには、次の式を使用する必要があります。

F = 4194304 /（32 *（2048-X））Hz、

XはレジスタNRX3およびNRX4からの周波数、Fはサウンドの周波数です。

したがって、音の周波数は64 Hz〜131 072 Hzの範囲にあります。このような高い周波数を心配する必要はありません-そのような周波数の音を適切に生成するのが非常に難しいだけでなく（コテルニコフの定理によれば、サンプリング周波数は262 144 Hz以上でなければなりません）。そのため、当社の技術ではこれを再現できず、耳で聞くことができないため、すべてが複雑になっています。より現実的な範囲は22,000 Hzに制限されています。これは、人間の聴覚のダイナミックレンジの上限にほぼ相当し、ほとんどのスピーカーシステムではまったく偶然ではありません。そして、このような周波数では、44 100 Hzの通常のサンプリングレートで十分です。

上記の式は通常ドキュメントに記載されているとおりですが、なぜそのように計算されるのかを理解しておくといいでしょう。サウンドシステムの操作スキームをもう一度見てみましょう。そこにはWave Generatorコンポーネントがあります。希望する周波数の波を生成するタイマーが含まれています。このタイマーの周期は4 *（2048-X）です。ウェーブが完全な期間を通過するためには、タイマーが8カウントする必要があります。これは、大切な32 *（2048-X）を与えます-これは、ウェーブの完全な期間の値です。

適切に実装されている上記のタイマーにより、周波数変換を心配する必要がなくなります。エミュレーターのタイマーが他のすべてのコンポーネントと同じ方法でプロセッサーと同期される場合、

その後、すべてが自動的に機能します。フォーミュラ4 *（2048-X）はタイマー周期をティック単位で示します。

このタイマーの8つのサンプルでは、音波は全期間を通過します。フィルファクターに戻ります。彼は、その期間中の波の変化の性質を指示します。次の値がドキュメントに記載されています（右の列の1と0は、それぞれ「信号があります」と「信号がありません」を意味します）。

フィルファクター	1つの波形周期の形状
0.125	00000001
0.25	10000001
0.5	10000111
0.75	01111110

周波数に加えて、他のデータもNRX4レジスタに保存されます。ところで、その構造：

ビット	予定
7	チャンネルの再起動
6	エンドレス/エンドプレイ
2-0	周波数の下位3ビット

ビット6がクリアされている場合、サウンドは無限に再生されます。ビットが設定されている場合、長さカウンターが機能します。

再起動ビット7はまさにそれを行います。 1が書き込まれると、チャネルが再起動します。これは、無限の周期信号を再生するチャネルにとっては奇妙に思えるかもしれませんが、実際には変調コンポーネントにとってより重要です。それらについては後で。さらに、上記の波形を使用すると、正しい信号を生成できます。チャネルを再起動すると、信号周期も指定された形式に従って最初から始まります。

一般的にチャンネル1と2について知る必要があるのはこれだけです。次に、変調コンポーネントが作用します。各チャンネルには独自の変調コンポーネントが含まれていますが、その動作原理は同じです。次に、すべての変調コンポーネント（チャネル1にすべての変調コンポーネントが含まれる）を検討して、繰り返しを行わないようにします。

スイープユニット

このコンポーネントは、信号の周波数を制御します。周波数を増減する2つのモードで動作します。さまざまな期間とステップサイズがサポートされています。コンポーネントは、レジスタNRX0を介して監視されます。その構造は次のとおりです。

ビット	予定
6-4	期間： 000-コンポーネントはオフです 001-1/128秒 010-2/128秒 011-3/128秒 100-4/128秒 101-5/128秒 110-6/128秒 111-7/128秒
3	モード： 0-頻度の増加 1-周波数削減
2-0	ステップ

期間はミリ秒単位で示され、時間をカウントするためのメジャーに変換する必要がありますが、Frame Sequencerの適切な実装ではこれは必要ありません。掃引ユニットは128 Hzの周波数で動作するため、周期は1/128に対してランダムに計算されません-これにより、ティックの手動計算を忘れることができます。これは他のコンポーネントの場合です-フレームシーケンサーはすべてを信じ、残りは何かについて「心配する」必要はありません。

さあステップ。それを説明するのは無意味です;次のカウントで次の頻度値が計算される式を与えるのは簡単です：

F（t）= F（t-1）±F（t-1）/ 2 ⁿ 、

ここで、F（t）は次の周波数値、F（t-1）は現在の周波数値、nはNRX0レジスタからのステップ値です。除算ではなく、レジスタNRX0からのステップ数だけ右にビットをシフトする必要があることに注意してください。

次の図は、NRX0 = 0x61でのスイープユニットの動作を示しています。

周波数の変更は、周波数値の制限の1つに達するか、誰かがスイープユニットを無効にするまで継続的に発生します。周波数低減モードがオンになっていて、次の周波数が負であることが判明した場合、前の値が保存され、計算が停止します。周波数を上げるモードがオンで、最大値（2047）を超えた場合、チャネルは停止し、レジスタNR52の対応するステータスビットにゼロが書き込まれ、チャネルが停止したことを示します。

これは単純なことを終わらせ、明白でない詳細を始めます。スイープには、外部からアクセスできないいくつかの隠しレジスタが含まれています-アクティビティのフラグ（内部有効フラグ）および周波数のバッファレジスタ（周波数シャドウレジスタ）。また、NRX0レジスタで設定された期間に従うためのカウンターも含まれています。

トリガーとも呼ばれるNRX4レジスタの再起動ビットは、変調コンポーネントに関連することは既に述べました。スイープユニットにインストールすると、次のことが起こります。

チャネル周波数（NRX3およびNRX4）は周波数レジスタバッファにコピーされます。
カウンターがリセットされます。これを行うには、レジスタNRX0からビット6-4をコピーする必要があります。カウンターは、周波数が128 Hzのサンプルの数を表示します。フレームシーケンサーはこの周波数でサンプルを生成するため、カウンターはそれに対応する必要があります。ご覧のとおり、すべてが正しく行われていれば、不要な変換はありません。
期間またはステップがゼロに等しくない場合、アクティビティフラグが設定されます。それ以外の場合、リセットされます。
ステップがゼロに等しくない場合、新しい周波数が計算され、オーバーフローがチェックされます（2047以下）が、新しい周波数は保存されません-オーバーフローをチェックするためだけにすべてが行われます。

それで、カウンターが周波数を更新するときだと「言う」ときに何が起こるか。まず、カウンターをリセットします。次に、アクティビティフラグをチェックします。設定されている場合は、周波数レジスタバッファがF（t-1）として機能するという違いを使用して、上記の式に従って新しい周波数が計算されます。オーバーフローチェックがすぐにあります。新しい周波数が2047を超えると、チャネルはオフになります。

オーバーフローがなく、ステップがゼロに等しくない場合、新しい周波数値がNRX3およびNRX4レジスターと周波数バッファーレジスターに書き込まれます。すぐに新しい頻度の別の計算が行われ、オーバーフローチェックが行われますが、この頻度は保存されません-これはすべて、別のオーバーフローチェックのためにのみ行われます。

周波数レジスタバッファはここでは省略できません。その存在により、スイープユニットの動作中にチャネル周波数を完全に手動で制御することは不可能です。周波数は自分で変更できますが、スイープユニットがカウントされるまで変更されます。計算で周波数レジスタバッファを使用するため、周波数値は無視されて上書きされ、計算は何もしないかのように続行されますそれが起こった。

現在、DMGの変調コンポーネントには2つの奇妙な点があります。

前述のように、値が0の期間は、スイープユニットが無効であることを意味します。これは論理的であり、そのようにすべきでしたが、実際にはDMGの場合、NRX0レジスタの値が0の期間は期間が8であることを意味します。周波数計算は行われず、スイープユニットのみがアイドル状態です。テストROMでこれを確認します。
そのようなシナリオを想像してください。ゲームは周波数低減モードを設定しました。時間が経ち、新しい頻度が計算されました。この後、ゲームが周波数増加モードを設定しようとすると、チャンネルはすぐに無効になります。したがって、周波数を下げるモードで少なくとも1つの新しい周波数の計算が行われた場合、モードを変更して周波数を上げるとチャネルが無効になります。

長さカウンター

このコンポーネントは最も単純なカウンターです。特定のサンプル数を測定し、それに接続されているオーディオチャネルを切断します。このコンポーネントはすべてのチャネルに存在し、作業にNRX1レジスタを使用します-チャネルの再生時間を保存します。その構造は説明しません。すべてのチャンネルのデュレーション値のビット数が異なります。さらに、長さカウンタの場合、値はNRX4レジスタのビット6であり、このコンポーネントがオン/オフになります。

フレームシーケンサーは、256 Hzの周波数でこのコンポーネントのサンプルを生成します。レジスタNRX1の値は、もう一度、変換の自由を意味するような頻度のサンプルで示されます。各カウントダウンで、変更はレジスターNRX1に書き戻され、カウンターになります。

レジスタNRX1の期間値を使用する前に、次の式に従って変換する必要があります。

カウンター=（〜NRX1＆Mask）+ 1、

ここで、Counterはカウンター、Maskはレジスタから期間値のみを抽出するマスクです（フィルファクターがまだその中にある場合があります）。これにより、256 Hzの周波数でのサンプル数がわかります。

すべてが非常に明白なようです-初歩的なカウンター。次のカウントで、NRX4レジスタのフラグの真偽をチェックし、成功した場合は、コンポーネントカウンターでカウントをマークします。カウンターが終了値に達すると、チャネルは無効になります。次の奇妙な点の実装には問題が発生します-それらはすべてNRX4レジスタ変更ハンドラーに集中しています：

コンポーネントがオフになり、ビット6を使用してオンになった場合、カウンターはゼロに到達せず、フレームシーケンサーの現在の状態はコンポーネント（すべての偶数状態）をカウントし、すぐにカウントします。これにより、カウンターがゼロになり、チャネルが切断される可能性がありますが、ここではもう1つの条件を考慮する必要があります-チャネルは、チャネルが再起動されない場合にのみ切断されます。再起動ビットはゼロです。
再起動が実行され、カウンターがゼロに達すると、可能な最大持続時間値がNRX1レジスタに書き込まれます。継続時間のすべてのビットがリセットされます（上記の式を参照）。同時にコンポーネントのスイッチがオンになり（前の値は重要ではない）、Frame Sequencerの現在の状態がコンポーネントをカウントする場合、すぐにカウントダウンします。ここには条件はもうありません-チャネルが切断されました。つまり、切断されました。

封筒ユニット

このコンポーネントは、一定の周期で一定のステップで音量を増減することにより、音量を制御します。この場合のボリュームは、生成された信号の振幅を意味します。このコンポーネントは、NRX2レジスタを介して制御されます。

ビット	予定
7-4	振幅の初期値
3	モード： 0-減少 1-増加
2-0	期間

フレームシーケンサーは、このコンポーネントのサンプルを周波数64 Hzで生成します。レジスタNRX2の値は、その周波数のサンプルで示されています。カウントダウンごとに、内部期間カウンターがカウントされます。彼が1周期を数えると、振幅の値は1ずつ増減します。制限値に達すると、計算は停止します。 0の振幅では、明らかに、チャンネルはくぐもっていますが、アクティブです。

上の図は、エンベロープユニットが0x55のNRX2値で動作しているときの信号の振幅のグラフを示しています。振幅の初期値は、チャネルの再起動時に設定されます（トリガー）-この場合は5です。このプロセスでは、使用されず、変更されません。その後、各周期で、振幅はゼロに達するまで1ずつ減少します。

もう一つの奇妙な点。まず、NRX4を変更する場合：

Sweepユニットと同様に、期間0は期間が8であることを意味します。ここでも、計算は行われず、コンポーネントはアイドル状態です。
チャネルが再起動し、Frame Sequencerの次の状態でEnvelopeのカウントが生成される場合、周期カウンターは必要以上に設定されます。
チャネルが再起動すると、初期振幅値はゼロになり、振幅低減モードが設定され、チャネルはすぐにオフになります。

NRX2を変更する場合：

現在の（新しい値がまだ記録されていない）NRX2値にゼロに等しい期間が含まれ、期間カウンターがカウントを終了していない場合（期間0は8を意味することを覚えています）、現在の振幅値を1増やす必要があります。そうでない場合は、現在のモードを確認します-これが減少している場合は、振幅を2増やす必要があります。つまり、これにより、チャネルによって生成される信号の振幅が即座に増加します。
モードが変更されると、振幅は16から振幅値を引いた値に設定されます。
すべての操作の後、振幅値は下位4ビットにカットされます。

Envelopeユニットはすべての中で最も奇妙な動作をしますが、残念ながら、言及されている奇妙な点のみが文書化されています。実際のDMGでの動作ははるかに複雑ですが、エミュレーターはその正確な実装を誇っていません。

サウンドチャンネル3

このサウンドチャンネルは、I / Oポートメモリ領域にあるウェーブパターンRAMの内容に従ってウェーブを生成します。波形パターンRAMは16バイト長で、32サンプルが含まれています。各バイトには2つのサンプルが含まれます-最初のサンプルは上位4ビットで、2番目のサンプルは下位4ビットです。メモリの内容は、レジスタNR33およびNR34に設定された周波数で周期的に再生されます（これらのレジスタの構造は1および2チャネルと同じです）。

このチャネルには、変調コンポーネントの長さカウンタのみが含まれます。その動作は、他のチャネルと同じであり、レジスタNR31を使用して制御されます。信号の振幅は手動で調整されます。振幅値は、6ビットと5ビットのみを使用するNR32レジスタを使用して設定されます。これらには次の意味があります。

00：チャンネルはミュートされていますがアクティブです。
01：波形パターンRAMがそのまま再生されます。
10：波形パターンRAMは、各サンプルを1ビット右に予備シフトして再生されます。
11：波形パターンRAMは、各サンプルを2ビット右に予備シフトして再生されます。

さらに、ビット7のNR30レジスタには、サウンドの再生を許可するフラグが含まれています（他のビットは使用されません）。 0の場合、禁止されています。それ以外の場合は許可されます。このフラグは、このチャネルのレジスタNR52のステータスビットと1対1で対応していないことを理解することが重要です。 NR30のビット7が設定されている場合、音声を再生できます-NR52のこのチャネルのステータスビットはゼロのままで、音声は出力されません。再生は許可されていますが、開始されていません。フラグがクリアされると、これによりチャネルが無効になり、NR52のステータスビットがリセットされます。

Waveジェネレーターのタイマーは、2 *（2048-X）の周期で動作します。XはNRX3およびNRX4レジスタからの周波数です。この場合、周波数は音の周波数ではなく、次のサンプルが波形パターンRAMから読み取られる周波数を意味します。

チャンネル3には、とりわけ、現在のサンプルへのポインターとサンプルバッファーが含まれています-エミュレーターでのそれらの存在は、正確なエミュレーションに必要です。次のタイマーカウントで、ポインターが新しい位置に移動し、現在のバイトがサンプルバッファーにコピーされます（バイトが2つのサンプルごとに同じになることは明らかです）。次に、もう1つの奇妙なことが起こります。

チャネルを再起動すると、ポインターはリセットされますが、Wave Pattern RAMの最初のバイトはサンプルバッファーにコピーされません。これは、次のタイマーのカウントダウンでのみ発生します。これは、古いバイトをまだ含んでいるサンプルバッファの最初のサンプルが最初に再生されることを意味します。 Wave Pattern RAM, , Wave Pattern RAM. . , , Wave Pattern RAM .
3 , Wave Pattern RAM , 3 . 0xFF, . 3 , 3 , , — , . 3 – Wave Pattern RAM.
サンプルの読み取り中にチャネル3を再起動すると、Wave Pattern RAMの最初の4バイトが破損します。現在のサンプルのポインターが最初の4バイト内にある場合、Wave Pattern RAMの最初のバイトはサンプルバッファーの内容で上書きされます。現在のサンプルのポインターが異なる位置にある場合、最初の4バイトすべてが、ポインターが配置されているその4バイト（4-7、8-11、12-15）の内容で上書きされます。たとえば、ポインターが10バイトの場合、最初の4バイトの内容はバイト8〜11で上書きされます。

最初の段落では、すべてが基本です。残りは、特にインターネット上での実装の微妙な言及がない場合、実装するのがそれほど簡単ではありません。CookieBoyでの実装は、現在のサンプルのポインターを移動するタイマーカウンターを操作するほぼランダムな試みの結果です。これが私がなんとか発掘したものです。

など。最後の2つのポイントを実装するための鍵は、レジスタNR34を介してチャネルを再起動（トリガー）したときに何が起こるかを理解することです。明らかに、現在のサンプルのタイマーカウンターとポインターをリセットする必要があります。上記の最初の段落に従ってサンプルポインタをリセットします。ここではすべてが簡単です。カウンターでは、すべてがそれほど単純ではありません。ここに問題を解決するための鍵があります。

チャネルが再起動されたときにカウンターをリセットすることは、明らかで誤った解決策です。実際、カウンターは、現在のサンプルの位置の更新が始まる前に遅延があるように初期化されます。遅延は、タイマーの周期（既に式を与えています）に特定の定数（ほとんどの場合8メジャー以下）を加えたものに等しいので、自分で選択する必要があります。つまりタイマーは、1つの期間をカウントしてポインターの位置を更新する代わりに、2つの期間と特定の定数をカウントします。その後、タイマーは通常どおり動作し、設定された1期間をカウントダウンします。

これが私のエミュレーターでの動作です。 ClockCounter変数はティックカウンターです。象徴的なタイプがあります。タイマーの周期に等しい値に達するとすぐに、現在のサンプルのポインターの位置を更新し、カウンターをリセットします（周期の値から減算します）。 NR34を使用してチャネルを再起動する場合、ClockCounter = -Period-3を設定します。ここで、Periodは上記の式によるタイマー期間の値で、3は同じマジック定数です。これにより、必要な遅延が与えられ、Wave Pattern RAMの読み取り/書き込みが可能な時点を確認できます。 Wave Pattern RAMの読み取りまたは書き込み時にClockCounter変数が3である場合、これらの操作は使用可能です。それ以外の場合は、0xFFを返します。

サンプルポインター。再起動すると、1に書き込みます。テストROMを通過させるのは、この遅延と再起動時のサンプルポインターの値の組み合わせです。再起動後に再生される2番目のサンプルが、Wave Pattern RAMの2番目のサンプルであることだけを忘れないでください。遅延のため、サンプルバッファの古いコンテンツが2回再生され（最初の奇妙な点を参照）、次に波形パターンRAMから3番目のサンプルが再生されます。これは私の実装の特性であるため、チャネルが再起動された後のタイマーが遅延全体を通過する（負ではなくなる）とすぐに、サンプルバッファーの内容を更新します。

最初の4つのサンプルの損傷により、すべてが基本的なものになります。WavePattern RAMの最初のバイトの損傷と上書きが発生するためには、ClockCounterが1に等しくなければなりません。

チャネルの再起動は、NR34の単なるエントリではないことを忘れないでください。上記のすべてと再起動自体は、NR34の上位ビットに1が書き込まれ、NR30レジスタが再生を許可する場合にのみ発生します（上位ビットが設定されます）。

サウンドチャンネル4

このチャネルはノイズを生成します。長さカウンターとエンベロープユニットはそれに接続されています-それらの動作は他のチャンネルの動作と変わりません。同じレジスタ（NR41およびNR42）が予約されています。このチャネルには通常の意味での周波数は含まれません。NR43はまったく異なる目的に使用され、NR44には通常のフラグがすべて含まれますが、周波数のビットは使用されません。

ノイズジェネレータは、いわゆるLFSR-線形フィードバックシフトレジスタまたは線形フィードバック付きシフトレジスタに基づいています。これは、擬似ランダムビットシーケンスジェネレーターです。その動作原理は非常に簡単です。

シフトレジスタは、特定の長さのビットシーケンスのリポジトリです（DMGでは、シフトレジスタの長さは7または15ビットです）。シフトレジスタの特定のビットはタップとしてマークされます-シーケンスが生成されるのはそれらのおかげです。DMGでは、タップはシフトレジスタの0ビットと1ビットです。LFSRの連続動作では、サンプルを生成して擬似ランダムシーケンスの次のビットを計算するクロックジェネレーターが使用されます。

最初に、シフトレジスタはゼロ以外のビットシーケンスで初期化されます。すべてのビットがゼロに等しい場合、LFSRの出力では常にゼロになります。次のカウントダウンで、次のことが発生します。

タップは2を法として合計され（演算XOR）、結果はさらなる演算のために保存されます。
( 0) .
.
2, .

出力は、擬似ランダムビットシーケンスです。周期があるという理由で疑似ランダムです-ある瞬間からシーケンス全体がループします。周期の長さ（T）は、次の式を使用して計算されます

。T= 2 ^N -1。

ここで、Nはビット単位のシフトレジスタの長さです。周期は、すべてのビットがゼロに等しい場合、1を除くシフトレジスタのさまざまな状態の最大数によって決定されます。したがって、7ビットのレジスタの場合、期間は127になり、15ビットのレジスタの場合は32767になります。これにより、すべてを正直に計算するか、事前に生成されたシーケンスを使用します。 LFSRはループすることが保証されているため、結果は同じになります。 2番目のアプローチを使用しました。シーケンスはLFSR7.incおよびLFSR15.incファイルにあります。

LFSRレジスタを制御するには、NR43を使用します。その構造は次のとおりです。

ビット	予定
7-4	タイマー周波数オフセット： 0000：1/2 0001：1/2 ² 0002：1/2 ³ 0003：1/2 ⁴ ... 1101：1/2 ¹⁴ 1110：未使用 1111：未使用
3	シフトレジスタの長さ： 0：15ビット 1：7ビット
2-0	周波数逓倍器： 000：2 001：1 010：1/2 011：1/3 100：1/4 101：1/5 110：1/6 111：1/7

シフトレジスタの長さにより、すべてが明確になります。残りのビットは、LFSRクロックの周波数を計算するために使用されます。次の公式に従って計算されます（F）：

F = f * Shift * Ratio、

ここでf = 4194304 Hz、Shift-タイマーの周波数シフト（値は上の表に示されています）、比率-周波数乗数（値は上の表に示されています）。周波数シフトビットが1110または1111の場合、LFSRはサンプルを受信しません。つまり、チャネル4はミュートされます。

実装

サウンドを実装するために、SDLを選択しました。このライブラリには、手続き型サウンドを生成するための非常にシンプルなAPIがあります-サウンドパラメーター、サンプルバッファー長、コールバック関数などを指定します。 SDLはこの関数を自動的に呼び出し、次のサンプルバッチを「フィード」します。それらを再生した後、関数が再び呼び出されます。シンプルなAPIに加えて、SDLのもう1つの利点は、非常に小さなサンプルバッファーでの優れた動作であり、レイテンシは私たちにとって非常に重要です。

サウンドシステムのコンポーネントの実装の詳細については説明しません。理論的な部分には、必要なものがすべて含まれています。同期の問題に触れてください。

問題は、画面のリフレッシュレートだけでなく、サンプル生成のレートもサポートする必要があることです。 SDLは等しい時間間隔でコールバック関数を呼び出します（ただし、ドキュメントには保証はありません）が、サンプルの新しい部分を記録することを「期待」します。これらのサンプルが適切なタイミングで入手できない場合、断続的な音がします。同時に、エミュレーションレートが高すぎることがわかり、サンプルの次の部分を後で再生するためにどこかに保存する必要があります。

リングバッファは、サンプルの保存に最適です。エミュレーターはサンプルの一部をそれに書き込み、必要に応じてコールバック関数がそれらを取得します。リングバッファは、いくつかの問題を一度に解決します。

– . , ;
;
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最後のポイントは興味深い副作用をもたらします-エミュレーションレート（60 Hz）の手動メンテナンスを完全に放棄できます。コールバック関数が呼び出されるのを待つことにより、エミュレーションに必要な遅延が提供されます。このためのSDLには条件変数（SDL_cond）があります。それらの助けを借りて、ストリームはスタンバイモードに入り、別のストリームからの作業を継続できる信号を待ちます。私たちにとって、待機スレッドはエミュレーションスレッドです。別のスレッド（コールバック関数）がリングバッファーからサンプルを取得し、それによって次のバッチ用のスペースを解放するのを待機します。可能な限り最大速度のエミュレーションが必要な場合、誰も待たずにリングバッファに書き込みます。当然、ミューテックスを忘れないでください。

1つの単純な理由ですべてがうまく機能します。サンプルの生成は、DMGプロセッサと同じペースで行われます。

テスト中

他のコンポーネントと同様に、サウンド用のテストROMもあります。トリックは1つだけです。DMGとGameboy Colorの場合、テストスイートは異なり、すべてを実行する価値があります。 DMGテストはエラーなしで合格する必要がありますが、Gameboy Colorのテストでは、実際のDMGはエラーで合格し、次のように表示されます：

すべてのテストを実行したときに、それらの実行がすぐに停止せず、サイクルをたどる場合、心配することはありません。これは、ROMが存在しないROMバンクをインストールしようとする場合です。私のように銀行番号を切り取ると、テストは周期的に実行されます。 Gambatteでも同じことが観察されていますが、彼を信頼することができます。

テストのソースコードをすぐに入手し、テストの仕組みを理解することをお勧めします。これにより、プロセスが大幅に高速化されます。これが、必要なことを理解する唯一の方法である場合があります。エラーの説明は画面に表示されますが、正確に何が必要で、どのレジスタが関係しているかを理解するのが難しい場合があります。

したがって、最も簡単なテストは、電源投入後の01レジスタと11レジスタです。最初のテストでは、サウンドレジスタの読み取りと書き込みがどのように発生するかをテストします。未使用で読み取りにアクセスできないレジスターのビットを検討する価値があることはすでに述べました-これはまさにテストがチェックするものです。また、操作結果は音のオン/オフで確認されます。 2番目は、サウンドをオフにするときのレジスタの動作をテストします。ソースコードには、具体的にテストされているものが詳細に記載されています。

「02-len ctr」は、境界条件でLengthカウンターの動作をテストします。テストはチャンネルごとに個別に行われ、その過程でテストされたチャンネルの番号が表示されます。

「03トリガー」は、長さカウンターの別のテストですが、NRX4レジスタを変更するときにその動作がチェックされるようになりました。基本的に、ここで、Lengthカウンターの上記のすべての奇妙な点がテストされます。

「04-sweep」、「05-sweep details」および「06-overflow on trigger」でスイープユニットをテストします。通常の動作に加えて、ここですべての言及されたコンポーネントの奇妙さをテストします。「06-overflow on trigger」テストに合格するには、画面に次のように表示される必要があります。

「07-len sweep period sync」は、スイープユニットと長さカウンターが正しく同期されているかどうかをチェックします。フレームシーケンサーが正しく実装されていれば、このテストに問題はないはずです。

「電源投入時の08-len ctr」は、サウンドをオフにするときの長さカウンターの動作をテストします。テスト中にテストに合格するには、画面に次を表示する必要があります：

「09-wave read while on」は、チャネル3の操作中に読み取り操作をテストしています。テストに合格する

には、画面に次を表示する必要があります。WavePattern RAMおよびFFからの値は1回おきに表示されます。読書禁止のため。これらは交互（00 FF、11 FFなど）になりますが、最初は読み取り操作が2回通過せず、FF FFが出力されます。これは達成するのが最も難しいことであり、定数とカウンターの異なる値（読み取り操作が許可される瞬間を決定する）を並べ替える必要がありました。

「オンの10波トリガー」は、サンプルの読み取り中にチャネル3が再起動したときに、Wave Pattern RAMの最初のバイトへの損傷をテストします。多くの情報が画面に表示され、完全には収まりません。合格したテストの結果は次のとおり

です。この部分からでも、Wave Pattern RAMの損傷が発生する場所を確認できます。

「12-wave write while on」は、チャネル3の動作中にWave Pattern RAMの書き込み操作をテストします。ここに表示される情報が多すぎます。合格したテストの結果は次の

とおりです。

これらのテストに個人的に合格しても、テストしたゲームでは何も得られなかったと言う価値があります。そして、それらに合格することなく、音は正常であり、すべての音テストに失敗するうらやましい互換性を持つ他のエミュレータによって判断すると、これはまったく必要ありません。エミュレータが実際のハードウェアのように機能することを知っておくと便利です。鉄の繊細さに依存するゲームを入手した場合、それは正しく動作します。

次は何ですか

現時点では、エミュレータはすべての必須のDMG機能ではなく、完全なDMG機能をサポートしています。当然、開発の余地があります。

シリアルポートまたはゲームリンクのサポート。
あまり一般的ではないMBCコントローラーのサポート-ポケットカメラ、バンダイTAMA5、Hudson HUC-3、Hudson HUC-1、振動付きカートリッジ。

最後に、既知のエミュレーターのいずれもサポートしていないDMGの機能が1つあり、Gambatteのような最も正確なものもあります。これは、OAMメモリ領域にガベージが書き込まれる鉄のバグです。この機能はほとんど文書化されておらず、実装においては非常に潜んでいます。

特定のプロセッサ命令が特定のオペランド値で実行されると、バグが発生します。これは簡単な部分です。ごみは偶然ではなく、特定の内容で記録されているという事実をエミュレートすることはより困難です。このバグは、LCDコントローラーの特定の間隔でのみ発生することをエミュレートすることはさらに困難です。これらの詳細のためにドキュメントを見つけられませんでした-あまり役に立たないテストROMしかありません。それらを使用すると、このバグを部分的にしか実装できません。

このバグの実装には最小限の意味があります。一部の開発者が意識的に使用したり、ゲームのリリースで残したりすることはほとんどありません。 Wave Pattern RAMによる同じ音のバグはゲームでも見られ、実用的な意味があります。

おわりに

この時点で、一連の記事は終わりました。私が言ったように、結果は、すべての最も重要な機能に対する優れた互換性とサポートを備えたエミュレーターです。これは、他の実装の次に置くのは恥ずべきことではありません。また、実装とテストにテストROMを使用しているため、ゲームとの単純な互換性ではなく、鉄のエミュレーションの高い精度について話すことができます。

当然、エミュレータには多くの開発が必要です。上記に加えて、エミュレーターの開発には、ゲームボーイカラー（GB）エミュレーションという別の論理的な方向性があります。 DMGとCGBは、同じファミリーの単なるコンソールではありません。内部ではほとんど同じです。既存のエミュレーターには、いくつかのモジュールを追加するだけです。

現時点では、CookieboyはCGBをエミュレートしていませんが、近い将来これを行う予定です。これも記事になります。

誰かがエミュレータを実装することを決めた場合、または記事自体に不明な点がある場合は、質問で私に連絡してください。喜んでお手伝いします。記事へのコメントまたはHabrahpostで-それは重要ではありません。

ゲームボーイエミュレータの作成、パート3

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