Miguel Ángel Horna (ElSemi)

Zaragoza, 26 de Mayo de 2009

¿Qué es un emulador?¿Qué son las ROMs?

¿Cómo funciona un emulador?

Autor:

EmuladoresEjecutar el programa original sobre hardware

diferente.Para ello, simular el funcionamiento del

Hardware por Software.Pero existe multitud de hardware actual (y

futuro) donde queremos que funcione. Portabilidad.

Proyecto KEEP (Keeping Emulation Environments Portable) http://www.keep-project.eu

EmuladoresPreservar los sistemas antiguos (y los juegos)Datos en ordenadores o soportes que los

sistemas actuales no pueden leer.El resurgir de los juegos clásicos:

XBOX Live ArcadePlayStation NetworkNintendo Virtual ConsoleClassic Collections

Ahora las empresas de videojuegos buscan emuladores

EmuladoresNebula: CPS1, CPS2, NeoGeo, PGM, KonamiModel2 Emulator: Sega Model 2 (original y revs A,B y C)CPS3 Emulator: Capcom CPS3 (CPX3 versión para XBOX)Crystal System Emulator: BrezzaSoft Crystal SystemChankast: Emulador de Dreamcast (Sonido y Maple

bus), Naomi (preliminar)MAME:

Colaboración en CPS2,Neogeo, Model 1, Konami (Protecciones)

Drivers para PGM, Crystal SystemCores para DSPs y CPU de Model 2Sonido para Saturn/Model2 (SCSP) y Dreamcast/Naomi

(AICA)

¿Qué hay dentro de una máquina?Monitor, Amplificador, Fuente de alimentación,

controles…Cableado: Sonido, video, controles:

Maquinas antiguas: Conexiones específicas para cada juego

Maquinas recientes (90s): Estándar JAMMA (sonido mono, solo entradas digitales, 2 players, 4 botones)

(Más recientes JVS (JAMMA2) pocas máquinas)Máquinas dedicadas

Placa (o placas) de juego

Placas de juegoStandalone. Un juego por placa:

Cambiar el juego=Cambiar la placa.Hardware diferente para cada juego=Código

diferente en el emulador.Mucho trabajo=1 juego.

“Sistemas”. Una placa Base + placa(s) con el juegoEl mismo hardware, solo cambian las ROMs=El

emulador solo tiene que cargar las roms apropiadas, el resto del código es igual.

Mucho trabajo=muchos juegos (o no, CPS3 6 juegos, Crystal System 3 juegos)

Placas de juegoSistemas de juegos:

Cartuchos: SNK (NeoGeo) IGS (PolyGameMaster)

Rom Board: Capcom (CPS1,CPS2) SEGA (System16,System32,Model2,Model3,…) Namco

Disco: Capcom (CPS3) SEGA (Naomi GDRom)

Standalone:Konami (Diseño modular. En MAME librería de

componentes básicos)Mucha info en www.system16.com. Mantenido por

MAMEDevs, información correcta.

Placas de juego

Capcom CPS3 IGS PolyGameMaster

SNK NeoGeo

Capcom CPS2 Sega Model2 A-CRX Konami Mystic Warrior

Crystal System

ROMs

Virtua Fighter 2 (Model 2) Cartucho CPS3 (BIOS)

Cartucho PGM

KOF 2003 (Neogeo PCB)

KOF 99 (Neogeo Cartucho)

ROMsPasar el código almacenado en las ROMS a un

archivoSe usan programadores/lectores de ROMsChips DIP: fáciles. Programadores baratos.Chips SMD: desoldar + adaptadores caros =

que lo hagan los que saben (MAMEDev, The Dumping Project)

EstructuraFrontend (MAME: OSD)

Dependiente del sistema operativo, facilita la portabilidad.Cargar las ROMs a memoria.Acceso a video y sonido.Leer controles

Librería de dispositivos (MAME: Core): ProcesadoresChips de sonidoChips de video

Emulación de máquinas/sistemas (MAME/MESS: Drivers): Instanciar dispositivos de la libreríaAsociar mapas de memoria al emulador del procesadorConectar chips de la librería (sonido, gráficos) al procesador Implementar e interconectar los chips específicos al sistema.Ejecución de procesadores (timeslice)

ProcesadorIdentificar el procesador (o procesadores) de

la placa.Conocimiento del lenguaje máquina del

procesador.Desensamblado de ROMs de programa

(DataRescue IDA)MAME core: Decenas de emulaciones de

procesadores testeadas y funcionales.Sistemas de juegos años 90, lo normal:

68000+Z80Decenas de emuladores de 68k y Z80.

ProcesadorEjecutar el programa original (Z80, 68k) sobre un

procesador diferente (x86, PowerPC).Emulación aproximadamente un 10% de la

velocidad original: Emular 10Mhz requiere 100Mhz.El núcleo del emulador (core). Debe funcionar

100% igual que el original (incluyendo errores).MAME core: Decenas de emulaciones de

procesadores testeadas y funcionales.Sistemas de juegos años 90, lo normal:

68000+Z80Decenas de emuladores de 68000 y Z80 libres.

Gran cantidad de documentación para hacerlos

ProcesadorA veces no existe un core ya hecho para el

procesador.Escribirlo usando los manuales de

programación y hardware. Problemas:Puede que ya no estén disponibles para

descarga. Internet Archive (Manuales de HW Video Model 3)

Prototipos o procesadores “clasificados”. Ingeniería Inversa (TGP de model 2/2A)

En japonés (TGPx4 de model 2C)Debe funcionar exactamente igual que el

original. Pequeños errores causan fallos difíciles de encontrar.

ProcesadorRegistros -> Struct…Memoria -> Array…El emulador lee una instrucción y ejecuta las acciones

sobre registros y memoria.L/E a memoria (mapa de memoria):

ROM: Devuelve de un array con el contenido leído de las ROMs

RAM: Lee/Escribe a array de datos.Dispositivos: Ejecuta función del emulador.

Parámetros: Dirección a leer/escribir y valor a escribir (o devuelve valor leído).

Interrupciones. Prioridad, colas,…Optimización: Generadores de código, Threaded code,

Recompilación dinámica

ProcesadorVerificación en el Hardware = Correr código

en la placa y comparar:

Mapa de memoria¿Que hay en cada rango de memoria?

RAM, ROMRegistros de vídeo, RAM de vídeo, tilemaps, sprites, display

listsRegistros de sonidoPuertos de E/S (Controles)Protección

Test de memoria del menú de servicio, da pistas sobre qué hay en cada área (a veces).

GráficosHardware sistemas 2D:

FramebuffersTilemaps + Sprites

FramebuffersDibujar toda la pantalla cada frame pixel a pixelProcesadores lentos=Haría falta un procesador

dedicado a dibujar (existen sistemas así).Blitters (DMAs de ROM/RAM a Framebuffer con

efectos)

Gráficos: TilemapsDibujado por hardware, 0% de CPU.Mosaico de NxN piezas de MxM Pixels.Piezas (Tiles) en ROM o RAM.Área de memoria con las casillas.Cada casilla, índice a tile + paleta de color.Gráficos limitados a los tiles existentes.Mosaico mas grande que la pantalla. Scroll H/V

cambiando un registro. Movimiento “gratis” para la CPU.

Dos forma de emularlo:Dibujar al framebuffer todo el tilemap cada frame.Carga en textura y usar D3D para scroll, y mezcla.

También “gratis” para el emulador.

Gráficos: TilemapsCaracterísticas avanzadas

TransparenciaPrioridad mezclada con los spritesLinescroll, ColumnscrollROZ

Modificaciones por interrupciones raster

Gráficos: SpritesDisplay List: Lista de índices en RAM o ROM +

Paleta + posición.Cada sprite, uno o mas tiles.Prioridad, intercalación entre tilemaps.Para emularlo, recorrer la display list y dibujar

tiles al framebuffer.También precargar como texturas y dibujar

quads, (sobre sistemas con 3D potente pero poco procesador (PSP))

GráficosCPS1/CPS2: 3 Tilemaps (32x32,16x16,8x8

orden programable) + SpritesNeoGeo: 1 Tilemap (8x8, fijo) + SpritesPGM: 2 Tilemaps (8x8,16x16 orden fijo) +

SpritesCrystal System: BlitterModel2: 2 Tilemaps (8x8 orden programable)

+ 3D.

GráficosAlmacenamiento en ROM, una pesadilla.Adivinar buscando gráficos conocidos (letras,

números)Cada fabricante su sistema:

CPS1/2: Bit interleaved en 4 roms. 1 bit de cada rom=pixel de 4bpp.

NeoGeo: Byte interleaved en 2 roms. Bloques de 4 bytes, 1 bit de cada byte en el bloque=4bpp

PGM: rom máscaras de pixels visibles + rom de colores (solo los visibles) empaquetados a 5bpp: 6 pixels en 32 bits (2 no usados)

CPS3: Tablas de sustitución de patrones de 2 bytes + compresión RLE. Fue un milagro.

Gráficos

Tilemap Texto (mascara)

Gráficos

Tilemap Texto (Color)

Gráficos

Tilemaps Scroll

Gráficos

Sprites (Posición) Final

Gráficos

Gráficos: 3DDisplay listsDSPs para leer la display list y hacer T&L de

polígonos.Dos opciones:

Emular el DSP. Mas precisa pero mas lenta: MAME.Estudiar el código del DSP y reescribirlo en el

emulador optimizado (Model2 Emulator).Rasterización:

Software render: Pixel accurate, más lento: MAMEDirect3D: Menos preciso. Más rápido, aprovecha

tarjetas 3D. Model2 Emulator.

Gráficos: 3D

Geometría

Evolución de la emulación de 3D del emulador de Model2

Gráficos: 3D

Color

Gráficos: 3D

Texturas

SonidoComponentes “discretos”

Osciladores, filtros, electrónicaLibrería de simulación de redes electrónicas (MAME)

FM (Frequency Modulation)Chips Yamaha.Sonido “electrónico”. Interconexiones programables de generadores de ondas

y moduladores.MAME: librería completa de chips Yamaha (menos mal).

Sample mixersDiseño propioSonido digitalizadoVarios canales, bucles, frecuencia variable.

Normalmente un procesador aparte dedicado a sonido

Sonido: Sample mixersCargar ROM de sonido en programa de edición de

audio.Pruebas con diferentes configuraciones de canales,

frecuencia, bits, endianness.PCM,u-Law,a-Law, ADPCM. (Aun no había MP3)Buscar un sample reconocible (meter moneda,

start, sound test en el menú de servicio)Parar el emulador en el punto del juego donde se

genera.Buscar relación registros de sonido con dirección,

frecuencia, etc… del sample encontrado.

ProtecciónDongles (Mochila)

SEGA (System32, Model2, Model3). Infrautilizada, fácil de emular.

EncriptaciónCapcom (CPS2,CPS3), IGS (PGM), SNK (Neogeo), GaelcoBuscar puntos débiles para extraer los datos

desencriptados (BIOS).Coprocesadores

IGS (PGM), Konami, Gaelco“Adivinar” el funcionamiento a partir de los parámetros.Si es programable, obtener el programa (tablas sin

bounds check, decapping).

ProtecciónExtraer los datos no es fácil:

Datos a pantalla + Fotografía + Teclear a mano (Martial Masters: 4KB a mano).

Conexión Placa <-> PC (JammaLink, JVSLink )Decapping + microfotografía

Extracción de programa de protección Martial Masters

Cable de conexión JAMMA <-> Puerto Paralelo de PC

Microfotografía de ROM de MCU de sonido de Namco

Cuando todo funcionaEmular características poco usadas del hardware

o que tengan pequeños fallos.Optimización

Profiling: encontrar las funciones críticasOptimización a ensamblador (MMX).No portable.Multiprocesador.

Otras características del emuladorFiltros gráficosSavestates (a veces es bueno tenerlos antes)NetplayTrucos (Cheats)

MAMEMAMEDev:

Decenas de programadores de todo el mundo.Un responsable del proyectoFTP con roms, manuales, documentos, datasheets…Mailing list, IRC (no oficial)Repositorio SVN para el código

Estructura:OSD: Frontend y partes de acceso a video y sonido.Core: Librerías de dispositivos comunes (CPUs, chips

de sonido, EEPROMs,…)Drivers: instanciación de dispositivos + mapa de

memoria + emulación de video (también sonido si es específica al HW)