Память
ОЗУ , 8 Кб
ПЗУ 256 байт
Видеопамять 8 Кб

Видеопроцессор
Тип графики спрайтовая
Адресное пространство 8 Кб
Разрядность шины данных 8 бит
Количество спрайтов 40
Размер спрайтов 8x8 или 8x16
Разрешение 256x256
Размер экрана 160x144
Количество цветов 1 (4 градации яркости)

Ha отдельной плате помещается матрица ЖКИ, служащая экраном системы, и схемы для управления ею. На эту плату поступают сигналы, сформированные видеопроцессором, с помощью которых схемы управления создают изображение на экране.
Размер экрана системы GAME BOY составляет 160x144 точки, но видеопроцессор может работать с картинкой большего размера - 256x256 точек. Фрагмент, который будет выведен на экран, определяется программным путем. Для этого в управляющие регистры видеопроцессора записываются координаты верхнего левого угла отображаемого фрагмента.
Блок питания GAME BOY несколько сложнее обычного блока питания 8-разрядной игровой системы. Внешний сетевой адаптер формирует напряжение, подаваемое на внутренний стабилизатор приставки. Для питания матрицы ЖКИ в блоке питания кроме линейного стабилизатора предусмотрен импульсный преобразователь, вырабатывающий напряжение -18 В.

Как видно из рис. 2.2, процессор содержит вычислительный блок с набором регистров общего назначения (АЛУ), внутреннее ОЗУ и внутреннее ПЗУ объемом по 256 байт, дешифратор адреса и схему выборки памяти. Дешифратор вырабатывает сигналы, которые разрешают различным модулям занимать шины процессора для обмена информацией. Внутренней памятью процессора управляет схема выбора блока памяти.

Регистры процессора
Центральный процессор игровой системы GAME BOY содержит восемь 8-разрядных регистров и два 16-разрядных. Все регистры имеют уникальные имена и различаются по назначению. Ниже подробно описано назначение отдельных регистров.
Аккумулятор А. Этот регистр наиболее часто используется в процессоре. С его помощью производится обмен данными с памятью и портами ввода/вывода, а также выполнение любой арифметической или логической операции.

Регистры общего назначения В, С, D, Е, Н, L.
Шесть 8-разрядных регистров процессора могут применяться для хранения промежуточных данных. Чтобы обработать 16-разрядные значения, эти регистры допустимо объединить в регистровые пары: ВС, DE, HL.

Регистр состояния процессора F.
Каждый бит данного регистра является флагом и изменяет свое значение в зависимости от результата выполненной команды.
Структура регистра состояния центрального процессора GAME BOY приведена на рис. 2.3.

Указатель стека SP.
Этот 16-разрядный регистр указывает на первую свободную ячейку стека. В процессоре игровой системы GAME BOY стек может располагаться в любом месте памяти системы, хотя обычно его размещают в верхних адресах ОЗУ. Стек растет вниз, то есть от адреса, содержащегося в регистре SP, к адресу 0000h.

Счетчик команд PC.
Это еще один 16-разрядный регистр процессора. Его назначение - указывать адрес команды, которая должна быть выполнена. Команды перехода позволяют изменить содержимое данного регистра и задать необходимую последовательность выполнения команд, находящихся в памяти.

Способы адресации
Чтобы процессор работал правильно, в коде команды требуется указать местоположение необходимых для работы данных. Это делается с помощью различных методов адресации. Методы адресации для центрального процессора игровой системы GAME BOY подробно рассмотрены ниже.
Регистровая адресация. Операнды находятся в регистрах центрального процессора. Названия используемых регистров указываются непосредственно в команде.
Например:

INC А ; А = А + 1.
ADD HL, DE ; HL = HL + DE.

Неявная адресация. Расположение операндов для команд строго фиксировано, дополнительных указаний не требуется.
Например:

RLA ; Сдвиг содержимого
; аккумулятора влево.

Непосредственная адресация. 8-разрядный операнд хранится в памяти сразу за кодом команды, то есть по адресу РС+1.
Например:

LD А, 16 ; А = 16.
; Код команды ЗЕ 10.

Косвенная адресация. В команде указывается адрес операнда в памяти.
Например:

LD А, (#ЗЕ00) ; Загрузка в А значения
; из ячейки памяти
; с адресом 3E00h.

Регистровая косвенная адресация. Адрес операнда содержится в одной из регистровых пар процессора.
Например:

LD A, (DE) ; Загрузка в А значения
; из ячейки памяти,
; адрес которой
; хранится в регистровой
; паре DE.

Побитовая адресация. Указание непосредственного разряда операнда, с которым производится необходимое действие, в коде команды. Данный метод используют три команды: BIT, SET и RES.
Например:

RES 7, А ; Сброс старшего разряда
; аккумулятора.

Относительная адресация. Применяется в командах перехода. Во втором байте команды задается 8-разрядное смещение в диапазоне от -128 до 127, которое прибавляется к текущему содержимому счетчика команд для получения адреса следующей выполняемой команды.
Например:

JR $+20 ; Переход на 20 байт
; вперед.

Система команд
Центральный процессор игровой системы GAME BOY может выполнять около 120 различных команд. Они делятся на следующие функциональные группы:

* команды пересылки данных: LD, LDHL, LDD, LDI;
* команды арифметических и логических операций: ADD, ADC, SUB, SBC, DAA, INC, DEC, CP, AND, OR, XOR, СPL;
* команды работы с отдельными разрядами:
BIT, SET, RES;
* команды сдвига: RLCA, RRCA, RLA, RRA, SWAP, RLC, RL, RRC, RR, SLA, SRA, SRL;
* команды перехода: JR, JP;
* команды работы с подпрограммами: CALL, RST, RET, RETI;
* команды управления процессором: NOP, HALT, STOP, DI, EI, CCF, SCF;
* команды работы со стеком: PUSH, POP.

Полная информация о системе команд центрального процессора игровой системы GAME BOY приведена в приложении 1.

Система прерываний
Центральный процессор игровой системы GAME BOY обрабатывает несколько сигналов прерываний, которые поступают от различных устройств При этом выполнение программы приостанавливается, и вызывается программа обслуживания прерывания, расположенная по определенному адресу. Адреса, по которым передается управление, задаются аппаратно; их модификация запрещена.
Далее рассмотрены возможные типы прерываний и процедуры их обработки.
Сброс микропроцессора. Это прерывание происходит при включении питания системы, а также при поступлении сигнала низкого логического уровня по линии RESET. Центральный процессор в таком случае обнуляет регистры, подсоединяет встроенное ПЗУ системы и начинает выполнение программы с адреса 000h.
Прерывание по сигналу кадровой синхронизации. Каждый раз, когда видеопроцессор завершает формирование очередного кадра, выдается запрос на обслуживание данного прерывания, а управление передается на адрес 0040. Запрос генерируется видеопроцессором с частотой 59,7 Гц (в приставке GAME BOY) или 61,1 Гц (в приставке SUPER GAME BOY). Во время кадрового синхроимпульса видеопроцессор не обращается к видеопамяти, освобождая доступ к ней для центрального процессора, поэтому процедура обработки данного прерывания часто изменяет информацию в видеопамяти и, следовательно, изображение на экране.
Прерывание от видеопроцессора. Видеопроцессор вырабатывает запрос на обслуживание данного прерывания, если происходит одно из событий, указанных программистом. Как правило, генерацию запроса прерывания используют при формировании строки экрана с заданным номером. Программа обслуживания запроса должна начинаться с адреса 0048h. Более подробно данное прерывание будет рассмотрено при описании видеопроцессора.
Прерывание при переполнении таймера. Прерывание происходит каждый раз, когда внутренний счетчик таймера переполняется (содержимое регистра TIMА изменяется с FFh на 00h). При этом управление передается на адрес 0050h. Более детально этот запрос прерывания рассматривается при описании таймера.
Прерывание контроллера последовательного интерфейса. Данный запрос на обслуживание прерывания генерируется контроллером последовательного интерфейса каждый раз, когда завершается передача байта. Адрес начала процедуры обработки - 0058h.
Прерывание порта клавиатуры. Запрос на прерывание выдается внутренними схемами каждый раз, когда на какой-либо из входных линий порта клавиатуры появляется низкий логический уровень. Точка входа в программу, обслуживающую этот запрос, должна находиться по адресу 0060h.
Программные прерывания. Такие прерывания происходят при выполнении процессором команды рестарта из диапазона RST 00h - RST 38h: вызывается процедура, расположенная по одному из восьми фиксированных адресов. В программах названные команды удобны для вызова многократно используемых процедур, поскольку занимают меньше места и выполняются быстрее, чем стандартная команда вызова подпрограммы CALL.
Чтобы корректно работать с прерываниями, следует изучить программную архитектуру контроллера прерываний, который получает запросы от остальных блоков и формирует адрес перехода, передаваемый ядру процессора.
С точки зрения программирования обслуживание запросов на прерывание зависит от состояния внутреннего флага процессора IME и данных, записанных в регистр управления контроллера прерываний IE (FFFFh). В регистре состояния контроллера прерываний IF (FF0Fh) отображаются сигналы на линиях запроса прерывания.
Внутренний флаг процессора IME сбрасывается командой DI, а устанавливается командой EI. В регистр управления контроллером прерываний IE записывается число, разрешающее контроллеру обслуживать соответствующий запрос. В результате процедура обработки запроса на прерывание в игровой приставке GAME BOY выглядит следующим образом.

1. При поступлении запроса на прерывание от какого-либо устройства в регистре IF соответствующий разряд становится равным 1.
2, Если установлен флаг IME центрального процессора, а соответствующий разряд регистра управления контроллером прерываний IE равен 0 то обработка запроса на прерывание продолжается, в противном случае никаких действий не производится.
3. Сбрасывается флаг IME, и запрещается прием новых запросов на прерывание.
4.Состояние счетчика команд (PC) сохраняется в стеке.
5. Управление передается на стартовый адрес процедуры обслуживания соответствующего прерывания.

В начале процедуры обработки прерывания необходимо сохранить в стеке все данные регистров процессора, которые могут быть изменены. В конце процедуры информация, хранившаяся в регистрах, восстанавливается.
Возврат из процедуры обработки прерывания осуществляется командой RETI или RET, Команда RETI устанавливает флаг IME, разрешая продолжение обработки запросов на прерывание, и передает управление по адресу, сохраненному в стеке. Если вы пользуетесь командой RET, установите флаг IME с помощью команды EI.
Как отмечалось выше, во время выполнения процедуры обслуживания прерывания запросы на прерывание от других устройств игнорируются. Однако можно реализовать и вложенную обработку запросов, управляя флагом IME и регистрами контроллера прерываний внутри процедуры обработки.
Рассмотрим более подробно структуру регистров контроллера прерываний игровой системы GAME BOY.

Флаг IME
Внутренний флаг центрального процессора, который устанавливается командой EI, а сбрасывается командой DI. Процессор будет обслуживать поступившие запросы на прерывание, только если этот флаг равен 1.

Регистр состояния контроллера прерываний IF
Адрес: FF0Fh.
Тип: чтение/запись.
Назначение разрядов.
Отдельные разряды регистра устанавливаются в 1 при поступлении запроса на прерывание от соответствующего устройства — независимо от состояния флага IME и регистра IE.
D7 - D5 - не используются.
D4 - поступило прерывание от порта клавиатуры.
D3 — поступило прерывание от контроллера последовательного интерфейса.
D2 - поступило прерывание от таймера.
D1 - поступило прерывание от видеопроцессора.
D0 - поступило прерывание, по сигналу кадровой синхронизации.

Регистр управления контроллером прерываний IE
Адрес: FFFFh.
Тип: чтение/запись.
Назначение разрядов.
Отдельные разряды этого регистра разрешают контроллеру прерываний обрабатывать запросы от устройств. Если соответствующий разряд установлен в 1, то при поступлении запроса контроллер формирует сигнал прерывания для центрального процессора. Если разряд равен 0, запрос на прерывание игнорируется.
D7 - D5 - не используются.
D4 — разрешено прерывание от порта клавиатуры.
D3 - разрешено прерывание от контроллера последовательного интерфейса.
D2 - разрешено прерывание от таймера.
D1 - разрешено прерывание от видеопроцессора.
D0 - разрешено прерывание по сигналу кадровой синхронизации.

Специальные режимы работы процессора
Существует два специальных режима работы центрального процессора игровой системы GAME BOY, связанных с особенностями выполнения команд HALT и STOP. Как правило, они используются с целью уменьшения энергопотребления системы и соответствующего увеличения срока службы батарей.
Режим остановки процессора. Если выполняется команда STOP, центральный процессор и видеопроцессор останавливаются и экран выключается. Выход из этого режима осуществляется нажатием какой-либо клавиши. Выполнение программы продолжается с команды, следующей за STOP.
Данный режим удобен, если программа ожидает нажатия клавиши в течение долгого времени (более 5 мин). Благодаря переходу в режим остановки процессора заряд батарей сохраняется дольше.
Обратите внимание на две важные особенности:

1. Перед остановкой процессора необходимо выключить звуковое сопровождение, записав 0 в разряд D7 регистра NR52 (FF26h).
2. Реакция игровой системы на нажатие клавиш в режиме остановки зависит от содержимого регистра Р1 (FF00h). Возможны следующие варианты:
00h-работа продолжается при нажатии любой клавиши;
10h - работа продолжается только после нажатия клавиш А, В, SELECT или START;
20h - работа продолжается только после нажатия клавиш крестовины;
30h - приставка не реагирует на нажатие клавиш.

Режим пониженного энергопотребления. Если процессор исполняет команду HALT, его дальнейшие действия определяются состоянием флага IME. Когда флаг установлен (прерывания разрешены), работа процессора останавливается, пока не будет получен запрос на прерывание; в противном случае команда HALT игнорируется.
В аппаратном обеспечении существует ошибка, которую следует учитывать при использовании команды HALT. Когда процессор читает байт, следующий за командой HALT, приращения содержимого счетчика команд PC не происходит, поэтому такой байт считывается процессором дважды. Проиллюстрируем сказанное на примерах.
Команда, занимающая в памяти один байт и расположенная после команды HALT, исполняется два раза. После выполнения приведенного ниже фрагмента содержимое аккумулятора будет увеличено на 2:

76 HALT
ЗС INC А

Если за командой HALT встречается команда, занимающая несколько байтов, результат работы предсказать трудно.
Например, вместо фрагмента

76 HALT
FA 34 12 LD A, (1234h)

будет выполнен фрагмент

76 HALT
FA FA 34 LD A, (34FAh)
12 LD (DE) ,A

И наконец, исполнение двух расположенных друг за другом команд HALT остановит процессор.
Чтобы избежать подобных проблем, за командой HALT необходимо располагать команду NOP.
В заключение рассмотрим пример использования команды HALT для снижения энергопотребления системы. Построение основного цикла программы так, как показано ниже, увеличит срок службы батарей на 5-50%.

; Основной цикл игры. Main:
HALT ; Останов процессора
NOP ; для экономии заряда!
; батарей.

LD A,(VblkFlag) ; Произошло
; прерывание
OR A ; по кадровому
; синхроимпульсу?
JR Z,Main ; Нет, ожидание
; продолжается.
XOR A ; Да, флаг
; сбрасывается.
LD (VblkFlag),A
CALL Controls ; Проверка состояния
; клавиш.
CALL Game ; Выполнение
; необходимых
; для игры действий.
JR Main ; Процедура обработки прерывания
; по сигналу кадровой синхронизации.

Vblank:
PUSH AF ; Сохранение
; регистров.
PUSH ВС
PUSH DE
PUSH HL
CALL SpriteDMA ; Изменение
; информации
; о спрайтах.
LD A,1 ; Установка флага.
LD (VblkFlag),А
POP HL ; Восстановление
; содержимого
; регистров.
POP DE
POP ВС
POP AF
RETI

Прокомментируем приведенную программу. Остановка процессора и ожидание запроса на прерывание происходят в начале основного цикла. При поступлении запроса процессор возобновляет работу и обслуживает его. Если осуществляется процедура обработки прерывания по сигналу кадровой синхронизации, то после ее выполнения будет установлен флаг VblkFlag. В основном цикле проверяется состояние этого флага; если он был установлен, теперь сбрасывается, а потом вызываются подпрограмма проверки состояния клавиш и подпрограмма, производящая необходимые для процесса игры действия. Затем основной цикл повторяется.

Отличия от процессора Z80
В России широкое распространение получил процессор Z80, являющийся усовершенствованным вариантом процессора 18080.
Ниже приводится краткий обзор основных отличий центрального процессора игровой системы GAME BOY от оригинального процессора Z80. Эта информация поможет при переносе программного обеспечения, написанного для компьютеров с процессором Z80 (MSX, ZX SPECTRUM и т.п.), на приставку GAME BOY. Итак, в процессоре GAME BOY:

* отсутствует альтернативный набор регистров, индексные регистры IX, IY и регистры I и R;
* изменена структура регистра состояния процессора;
* отсутствуют команды, использующие индексные регистры, команды с префиксом EDh, все команды ввода/вывода (IN и OUT), все команды обмена (ЕХ и ЕХХ) и все условные переходы (JP), условные вызовы подпрограмм (CALL) и возвраты (RET), которые применяют флаг четности/переполнения и флаг знака;
* команды LDА, (xxxxh); LD (xxxxh) , А и RETI имеют другой код;
*добавлены новые команды, с которыми можно ознакомиться в приложении 1.

2.2.3. Адресное пространство
Центральный процессор игровой системы GAME BOY способен обращаться к 65536 ячейкам памяти с адресами 0000h - FFFFh. В едином адресном пространстве располагаются внутреннее ПЗУ и ОЗУ системы, регистры ввода/вывода, память видеопроцессора и память подключенного картриджа.
Распределение адресного пространства игровой системы GAME BOY показано на рис. 2.4.
Рассмотрим более подробно назначение основных областей памяти.
Адреса 0000h - 00FFh: здесь располагается область встроенного ПЗУ системы с программой начального запуска, предназначенной для считывания информации из картриджа, сравнения ее с записанным образцом и передачи управления в ПЗУ картриджа по адресу 0100h. После передачи управления внутреннее ПЗУ отключается, и при обращении по этим адресам становится доступным ПЗУ картриджа.
Стартовая программа, содержащаяся в ПЗУ системы, выполняет следующие действия:

1. Считывает данные, записанные в картридже по адресам 0104h- 0l33h, и передает их в видеопамять. В результате такой операции в верхней части экрана появляется логотип NINTENDO.
2. Выведенное изображение плавно перемещается в центр экрана и сопровождается воспроизведением двух музыкальных нот.
3. Данные, записанные по адресам 0104h - 0l33h, сравниваются с образцом, хранящимся во встроенном ПЗУ. При обнаружении различий игровая приставка прекращает работу.