童年神机小霸王(七) Mapper

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Mapper

mapper，这个概念来源于 memory mapping，又叫做 Memory Management Circuit，它是解决地址映射的一种电路，简单来说就是决定物理内存如何映射到 CPU 或者 PPU 的地址空间。

mapper 可以用来支持增加卡带的 RAM 甚至支持额外的音频通道，但更一般的目的就是控制物理内存到地址空间的映射，突破游戏 40KB 的限制。

为什么说是 40KB 的限制，因为早期一般的游戏最大就是

16 \times 2 = 32KB

16×2=32KB 的 PRG，以及

8KB

8KB 的 CHR，加起来就是 40KB，而更复杂的 mapper 硬件可以使得游戏突破这个限制。

mapper 的种类太多太多，不同 NES 版本的 mapper 也有所不同，各种杂七杂八的加起来有好几百个，不过这里我们挑几个常见的游戏使用的 mapper 来说明。

NROM

mapper 000，排在第零个，最简单的一种 mapper，像超级马里奥就使用的是 NROM。NROM 也分种类，NROM-128 的存放 PRG 的 ROM(后面简称 PRG-ROM) 只有 16KB，而 NROM-256 有 256KB。

PRG 的第一个 bank(16KB) 映射到 0x8000-0xBFFF，最后一个 bank 映射到 0xC000-0xFFFF。
PPU 的 VRAM 开头 8KB 映射到 CHR，也就是 PatternTable

这就是最简单的 NROM，与我们前面讲述 CPU 和 PPU 时一致，当时不是说不讨论复杂情况吗，其实就是在用 NROM 来举例子。

MMC1

mapper 001，使用 MMC1 的游戏有双截龙，恶魔城等，来看其 bank 和映射关系：

CPU 0x6000-0x7FFF 映射到 8KB 的 PRG RAM bank，这是可选的
CPU 0x8000-0xBFFF 映射到 PRG ROM 的一个 bank，这个 bank 要么是可切换的要么固定为第一个
CPU 0xC000-0xFFFF 映射到 PRG ROM 的一个 bank，这个 bank 要么是可切换的要么固定为最后一个
PPU 0x0000-0x0FFF 映射到一个 4KB 可切换的 CHR bank
PPU 0x1000-0x1FFF 映射到一个 4KB 可切换的 CHR bank

MMC1 这个 mapper 就高级多了，它有一系列的端口寄存器，我们可以操作这些端口来配置 MMC1。来简单看看有哪些端口：

Control

0x8000-0x9FFF，向这部分地址空间任意一地址写入数据都会写入寄存器 0，有朋友可能会有疑问，这部分地址空间不是映射到 PRG 吗，怎么又与一个寄存器相连了？虽然我不清楚具体电路，但是不难推断这是没问题的，PRG 程序代码是只读的，但这里是写入。很多地方端口相同但读写不同的情况下，映射可能也有所不同，比如前面我讲述串口时其中很多的端口就是这样子的，所以这里是不冲突没有问题的，接着来看 0x8000-0x9FFF 这部分地址空间表示的端口：

bit0：0 表示设置为 horizontal 镜像，1 表示设置为 vertical 镜像
bit1：0 表示设置为 single 镜像
bit2：0 表示 bank switching 发生在 0xC000-0xFFFF，1 表示 bank switching 发生在 0x8000-0xBFFF
bit3：0 表示 bank 大小为 32KB，也就是一次性交换 32KB(0x8000-0xFFFF)，1 表示按照 bit2 的设置来交换
bit4：0 表示一次性交换 8KB 的 CHR，1 表示交换 2 个分开的 4KB CHR banks
bit7：置 1 表示清空这个寄存器

这里说明一下这个 bank 没有特定的大小，都是根据硬件设置而来，而且 PRG CHR 等都用 bank 来做交换的基本单位，可能有些混淆这里说明一下。

CHR bank 0

0xA000-0xBFFF，这部分地址空间连接到了另一个端口，向这个端口写入 CHR bank number 可以选择 CHR 的那一块 bank 映射到 PPU 的 0x0000-0x0FFF，如果 CHR bank 的大小在 Control 寄存器设置为 8KB，那么就会选择一个 bank 映射到 0x0000-0x1FFF。

CHR bank 1

0xC000-0xDFFF，道理同上，向这部分地址空间任意一地址写入 CHR bank number 可以将选择的 bank 映射到 PPU 的 0x1000-0x1FFF

PRG bank

0xE000-0xFFFF，同理，写入 PRG bank number 来选取一个 PRG bank，至于这个 bank 多大，映射到 CPU 地址空间中的 0x8000 处还是 0xC000 处要视 Control 寄存器的设置决定。

UNROM

下面接着来看 mapper 002，使用这个 mapper 的著名游戏有魂斗罗，洛克人等等。UNROM 比较厉害，最高可支持 4M 的 PRG，要知道 M 这个单位在那时对游戏来说是个很大的单位了。虽然 UNROM 可以支持 4M 的大容量 PRG，但其实 UNROM 还没 MMC1 复杂，来看其 banks 的规划(映射关系)

CPU 0x8000-0xBFFF，16KB 可切换的 PRG ROM bank
CPU 0xCFFF-0xFFFF，16KB 固定的 PRG ROM bank，这部分地址空间固定映射到最后一块 PRG bank
CHR 容量 8KB，就映射到 PPU 开头的 2KB

就只有这些，还是挺简单的，UNROM 只支持 2 种镜像垂直和水平，而且设置方式是制作卡带时就焊接好的(solder pad，如果我没理解错的话)，它有一个 bank 选择寄存器，向 0x8000-0xFFFF 这部分地址空间的任一地址写入 PRG bank number 即可选择一 PRG bank 映射到 0x8000

不知道细心看的朋友有没有一个疑惑，像魂斗罗，洛克人这类的游戏都是打游戏，特别是魂斗罗，我之前讲述的文章里面包括了很多魂斗罗的例子，CHR 容量 8K 够用吗？显然所有的图案表加起来肯定超过 2 个也就 8KB。

像魂斗罗这类的游戏有些特殊啊，它们没有 CHR ROM，有的是 CHR RAM(可以将 PPU 的开头 8KB 视作 CHR RAM)，通过 FCEUX 可以知道魂斗罗的 PRG ROM 为 128KB，没有 CHR ROM，它的 PatternTable 就在 PRG 里面，是游戏运行期间 CPU 控制通过 PPU 端口将 PatternTable 从 PRG 复制到 CHR RAM。

CNROM

mapper003 CNROM，这个 mapper 也比较简单，较为出名的游戏有勇者斗恶龙，高桥名人的冒险岛等等，前面关于 mapper 都写得差不多，应该有这概念了，后面我就简述了

banks

PRG ROM 只有 16KB 或者 32KB，跟 mapper 000 一样，不可 bank switching
CHR ROM 较大，up to 2M，CHR bank size 为 8KB，CHR banks 之间切换，映射到 PPU 的 0x0000-0x1FFF

register

MMC3

mapper004 MMC3，使用 MMC3 的游戏很多很多，较为出名的我比较喜欢的有热血系列比如说热血格斗传说，热血物语等等。

Banks

MMC3 对于 banks 的规划就很精细，很多，意思也大同小异，我就不重复写了，直接看 wiki 上的资料：

CPU 0x6000-0x7FFF: 8 KB PRG RAM bank (optional)
CPU 0x8000-0x9FFF (or 0xC000-0xDFFF): 8 KB switchable PRG ROM bank
CPU 0xA000-0xBFFF: 8 KB switchable PRG ROM bank
CPU 0xC000-0xDFFF (or 0x8000-0x9FFF): 8 KB PRG ROM bank, fixed to the second-last bank
CPU 0xE000-0xFFFF: 8 KB PRG ROM bank, fixed to the last bank
PPU 0x0000-0x07FF (or 0x1000-0x17FF): 2 KB switchable CHR bank
PPU 0x0800-0x0FFF (or 0x1800-0x1FFF): 2 KB switchable CHR bank
PPU 0x1000-0x13FF (or 0x0000-0x03FF): 1 KB switchable CHR bank
PPU 0x1400-0x17FF (or 0x0400-0x07FF): 1 KB switchable CHR bank
PPU 0x1800-0x1BFF (or 0x0800-0x0BFF): 1 KB switchable CHR bank
PPU 0x1C00-0x1FFF (or 0x0C00-0x0FFF): 1 KB switchable CHR bank

Registers

I Bank Select

0x8000-0x9FFE，这之间的偶数地址连接到 Bank Select 寄存器，顾名思义，写入这个寄存器可以控制映射方式，具体如下，我还是直接贴 wiki 的资料：

只用关注前面几位就行，不同的 RRR 映射方式不同，上图写得很清楚了，我就不再多做解释。

II Bank Data

0x8001-0x9FFF，这之间的奇数地址连接到 Bank Data 寄存器，就是向这个寄存器写入 bank number 来选取一个 bank 然后然后按照 Bank Select 寄存器中的方式映射。

III Mirroring

0xA000-0xBFFE，这之间的偶数地址连接到 Mirroring 寄存器，这个寄存器的 bit0 为 0 的话表示垂直镜像，为 1 的话表示水平镜像

IV PRG RAM

0xA001-0xBFFF 奇数部分地址连接到此寄存器，这个寄存器的 bit7 可以使能 PRG RAM(0x6000-0x7FFF)，简而言之可以允许你存档了。

MMC3 是允许产生 IRQ 中断的，前面说了 CPU 有三种中断，RESET，NMI，IRQ，前两种的来源都说过，而 IRQ 的中断源就来自这的 mapper，与之相关的有 4 个寄存器：

V IRQ Latch

0xC000-0xDFFE 偶数部分，这个寄存器里面存放着 IRQ 计数器开始计数的数字

VI IRQ reload

0xC000-0xDFFF 奇数部分，向这个寄存器写入任何数据都会使得 IRQ Latch 中存放的数重新加载到内部的计数器

VII IRQ disable

0xE000-0xFFFE 偶数部分，向这个寄存器写入任何数据都会禁止 IRQ 产生

VIII IRQ enable

0xE001-0xFFFF 奇数部分，向这个寄存器写入任何数据都会使能 IRQ 产生

至于产生中断后干什么，那就看 IRQ 的中断处理程序，mapper 产生的 IRQ 可以用来屏幕分割，之前不是说了可以利用 sprite 0 hit 来判断 scanline 的渲染情况，渲染到那儿了，这里也可以用 IRQ，这也是 IRQ 最主要的作用。

好了，上述就是 mapper 的一些内容，更多详情有兴趣的还是请看 wiki 上的资料。到此，结合之前讲述的所有内容，应该对 NES 的 PRG，CHR，mapper，CPU，PPU 之间是如何配合使得游戏运行起来有一个大致的认识了。

本文就到这里了，有什么问题还请批评指正，也欢迎大家来同我交流学习。

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