干一票大的！用FPGA制作红白机游戏烧录卡

orsonzou

鬼市真是一个神奇的地方，上次因为一个20元的屏幕大折腾一次之后（ https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=64326）。年前又在鬼市买了一个fpga开发板俺搞过单片机，soc，fpga这东西还真没搞过。于是开始了fpga的学习之旅！

这是鬼市买的黑金开发板：


但是fpga对于我这种电子达人，学习曲线还是相当陡峭的。

因为fpga对于硬件产品的开发实在是意义重大，相比于单片机，soc等，有更好的灵活性和性能，广泛应用于各行各业。作为一个电子达人，既然得到一块开发板，不深入一下怎么行呢？

在观摩了一系列的各种开发板的基础教程后，对fpga还是一脸懵逼。因为这东西对初学者实在是太不友好，开发环境复杂（各种jtag，示波器，逻辑分析仪等），对软件硬件的基础知识的要求非常之高。从基本的数字电路，到各种触发器，到寄存器，cpu，无一不是非常硬核的东西！

下图是初学资料，看了一大堆：


因为买的开发板太老，是altera cyclone 2的，应该是接近20年前的产品了。于是在网上买了一块国产（高云）fpga作为入门开发之用。这块板子小巧，能接屏幕，直接usb下载调试，也是非常方便。于是在提供的源程序基础上，改写了一些小程序出来。点亮个LED和屏幕，还算顺利。

国产的高云nano tang：


后来还买了BTC矿渣控制板，是Xilinx zynq 7010的。这货才是当今fpga的主流，其fpga+arm soc的架构，真是甩了Intel 接手后的Altera很多条街。具体关于xilinx zynq的东西以后有机会再说，反正就是强大得史无前例。

矿渣板：


目前我的fpga开发板集合：



在简单熟悉了tang nano和zynq的开发调试并驱动了LED流水灯之后，决定干一票大的。

之前帮人折腾各种老式游戏机的时侯，心想如果有软件辅助硬件维修该有多少。因为游戏机作为一套电脑系统，既复杂又相对电脑系统简单。电脑可以有各种诊断软件，但游戏机都只有一些游戏卡，没法完成各种自检级别的诊断。于是网上查了一下，还真有一些爱好者写的老游戏机的诊断软件，但是需要烧录或者固化到相应的卡上。于是萌生了自己用fpga做游戏卡的想法。
最简单的红白机的游戏卡叫NROM，只有两块ROM芯片，一片装32k程序，一片8k的图样。fpga上可以用ip核模拟ram rom等各种存储器，只要把相应的rom文件录入到fpga的rom ip核就可以了。

老的大黄卡：

于是在网上找了一个红白机测试程序，叫nestest.nes。nes文件格式简单，分离出程序rom和图样rom，然后用软件把二进制做成fpga开发软件识别的coe格式就行。

nes文件到coe文件的处理如下：



录入到fpga 的rom ip核：




于是开始电路设计等准备工作！

手上3块fpga开发板，但是他们的io都不够，因为红白机的卡槽是60脚，去掉一些不必要的，关键的信号也是50来条。3块板子的fpga的io引脚都是不够的。于是买了一块xilinx spartan6的最小系统开发板，全新包邮40元。

xilinx spartan6的最小系统开发板：


因为xilinx spartan6也是10年前的产品了，开发软件ise也是很老，软件能在xp上用。相对现在的xilinx vivadoo真是难用很多，不过基本的该有都有。对于我来说，io和基本ip核够用就好。

游戏烧录卡这个项目主要分软件和硬件部分，一方面设计硬件制作电路板，一方面是用ISE做fpga程序代码，写一些模拟测试。最后合并起来就行了。

spartan6是3.3v的电平标准，红白机是5v的电平标准。加上这么多io引出，用洞洞板肯定是不行的。于是开始了第一次pcb的设计制作，因为是头一次，这个过程也是一波N折。

电路不复杂，主要就是用总线收发器做5v和3.3v的电平转换。选了半天，用了3片74lvch162245，1片245，才够50多条。一片负责cpu 地址线（15位），一片负责ppu地址线（14位），一片负责cpu 数据和ppu数据（8位+8位），245负责控制总线。

到货的芯片：



第一次做，就用最简单嘉立创的EDA软件，从画电路图到PCB到下单一体。功能简单，适合初学者。

下图是电路和PCB设计：





第一次打样板子回来后，发现有不可更改的电路设计错误。于是打样第二次
下图是第一次打样后焊接的成果，因为错误，都废了：










第二次打样中间隔着春节，回来后是这样:



一阵焊接猛如虎，焊完之后，漂亮，不过这是理想中的样子：




但是最后实际因为电路设计的一些错误，PCB设计的语一些错误，最后的电路是这样，擦！！！丑得一比：




这就是理想和现实的差距，还好错误是可以通过飞线弥补的。也懒得再打样了，耽误事儿，所以就先这样吧！
第一次上机联调是紧张的，忐忑的，也是注定失败的。因为这东西软硬结合，各种总线，信号一堆，真是头大得一比。基本上来说，就是接示波器看数据总线上连个毛线都没有，一片空白。。。这东西的第一次，真是太难了。

下面是ISE软件界面：


不放弃的我，研究如何用调试fpga，用示波器肯定不行，因为信号太多，而且也没法知道具体的数据。fpga开发工具都能用jtag实时调试的，这样就可以用fpga的视角来看到具体实际的波形和数据究竟是什么。ISE的ChipScope就是ISE自带的调试工具，一阵学习后，各种信号，数据，一目了然。至少知道了红白机给fpga发了什么，fpga收到什么，fpga又回给红白机了什么。

折腾几天后，总于能在ChipScope看到数据和已经根据预设的逻辑，收发了一些数据，虽然数据都是些莫名其妙的，但是至少有数据流动了。

既然是一些莫名奇妙的数据，那就该知道正确的应该是什么。研究了一些红白机CPU上电后的一些资料，知道会访问内存FFFC和FFFD（实际是ROM的3FFC/3FFD，因为红白机只用15条地址线）的reset程序指针，然后转向这部分程序，开始执行。于是在ChipScope中设定cpu地址线上的地址，在3FFC上触发，并记录波形。

红白机模拟器的调试界面，可以看到内存和指令，红框部分是reset的中断例程入口和代码：




以上是理想的猜测，但是实际上，数据都是莫名奇妙的。。。不停的通过ChipScope找原因，发现数据的错误来自于fpga的50Mhz主频太高，对红白机的1到2兆的波形造成一些误读。于是修改fpga程序，自己为适应红白机cpu的1.66Mhz频率做了一些分频处理，于是第一次能收发一些正确的数据了。

如图可以看到数据总线上出现了3FFC/3FFD的地址，并在数据总线上出现了相应地址的正确的内容。。。但这个只是一个美好的开始，理论上要从这两个地址指向的内存开始读取和执行，但是并没有。。。这个找了好久，最后发现是我的程序和电路设计都是错误。我用fpga输出High Z来退出对数据总线的占用。但是因为有电平转换芯片的使用，所以还要用总线收发芯片的OE引脚来确保对数据总线的占用。相当于fpga一直占用数据总线，导致红白机CPU对机内其它设备，内存的存取被影响了。
找到问题之后飞线，用fpga控制74lvch162245的OE引脚，程序增加了cpu_data_oe和ppu_data_oe的控制。

飞线补上了cpu和ppu的data OE引脚：


搞定之后，ChipScope现实数据地址和数据线读取了3FFC/3FFD，并执行了3FFC/3FFD指向的reset例程部分，程序可以运行了！

第一次成功运行程序的波形：


但是，但是。。。ChipScope可以看到，运行一阵后，数据核地址总线都是全高电平了。这说明程序跑飞了，cpu处于死机状态。

用ChipScope看到波形还是有很多干扰，我怀疑是排线的串扰问题。于是在芯片旁加入了退偶电容抗干扰。果然一击奏效。。。汗）。波形看到cpu的执行地址在270-290之间循环，结合模拟器反汇编看到的。应该是在等待输入之类的地方了。

第一次程序不跑飞的波形：


接上屏幕一看，有画面了！！！虽然残缺不全，但是总算是一个巨大的进步！

残缺的画面：




然而这个残缺不全的画面，以为成功将近。。。但竟然又让我折腾了好几天！
直接说结论好了，红白机ppu的地址数据总线分时复用的ALE信号，造成了数据的干扰。fpga程序上，用另外分频出来的时钟和一些逻辑来确保数据的正确性，这说得简单，搞了3天，其中包括研究ALE这一堆知识。

示波器看到的数据干扰：


示波器看到的ALE，和干扰同步，证明是ALE产生的:


ChipScope看到的干扰，严重扰乱了数据：



红白机的ALE和51单片机的ALE，类似。。。那个年代，管脚不够用，所以总搞复用：





最后，终于，终于，终于，第一次出来完整画面时侯的心情是复杂和骄傲的：
小屏幕是上次折腾的产物( https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=64326)，这次派上用场。屏幕内容是正确的nestest.nes程序：



测试烧录了其它几个游戏，又遇到问题。有些游戏有第一画面，有些没有背景只有前景。研究发现是横向滚动核纵向滚动的游戏，对VRAM的访问地址，需要用跳线来设定，是访问2400还是2C00。开关加上后，顺利测试了几个游戏。到这里，这个项目基本完成了。

加上了H/V开关，开关好丑，凑合用：


烧录的90坦克：



烧录的超级玛丽：





杂乱的桌面：




spartan6开发板，LED分别是fpga，程序rom，图样rom的工作灯，读取的时侯会闪动：


xilinx的jtga连接器：


fpga的烧录界面：






作为家长，顺势给娃上了一课，什么叫不放弃，什么叫专研精神。。。然而，娃只想快点打超级玛丽。。。。


熟悉红白机的朋友都知道，FC只能访问32K的程序ROM空间和8K的图样ROM，因为数据线就那么多。然后任天堂在后续推出了无数的大容量游戏，他们使用了各种奇巧淫技来将有限的地址线扩展成更大的程序空间，以达到推出更大容量游戏的目的。他们的方法就是用各种MMC（mapper）芯片，通过各种对地址和数据的访问组合，来预设高位地址线的，从而欺骗CPU。对这方面感兴趣的同学可以自行查阅上百种的mapper。而我的fpga程序，只支持最简单的mapper0，也就是32K程序+8K图样的。对于各种mapper的支持，对fpga来说，也是很好实现的！这个以后再说了！

好了，感谢您看到这里！此刻病毒肆虐，我们必须利用时间，坚持学习。也向奋战在一线的医务和科研工作者表示致敬！感谢观看！

yumingg

高手。顶一下。

风信子玉

这个牛逼，不得了，

aacyxjz

牛掰，绝世好贴，坐等版主加精

yjfxue

再打一版，全集成，USB直接烧录

tmc422

真不错，我记得原来买过一张游戏模拟的光盘。不知道能不能烧录进去。

wenxueroom

大神请收下我的膝盖

11651189

给楼主的钻研精神点赞。楼主的K2P有根5G天线要遮挡电视画面，然后让它躺下了！

kof宋小宝

太牛了……

唔见

怎么这么厉害

cn21sky

文宇群友来顶贴。我就想说，你这浪费，心不会痛吗？！

qrut

能玩的动FPGA都非等闲之辈～

ziyuling1981

牛掰，绝世好贴，坐等版主加精

xuyaz

折腾回我的童年了

asnake

初学就能把FPGA弄成花花，厉害了！

ztrdiy

厉害！楼主这种勇往直前刻苦钻研的精神非常值得敬佩！学习！

kgkxwnfw

能玩懂FPGA，有一定的技术功底，我也很早就想学了，但一直没有行动，

tamade

楼主就是好榜样的代表！

genieg

大神！膜拜！！锲而不舍的精神值得学习:lol:

orsonzou

cn21sky 发表于 2020-2-16 17:57
文宇群友来顶贴。我就想说，你这浪费，心不会痛吗？！

浪费了啥？