一位软件工程师从零开始自制了一台具有复古风格（NES/SNES之间）的游戏主机，采用双单片机模拟PPU/VPU、Z80 CPU、PAL输出和SD卡加载游戏，展示了完整硬件与固件设计过程。

自制视频游戏主机：一位软件工程师的复古硬件之旅

引言

这篇文章是 Sérgio Vieira 分享的“家酿”（homebrew）视频游戏主机项目介绍。整个项目从零开始，没有使用现成的游戏芯片，而是用分立元件和微控制器搭建了一台独特的、可玩游戏的硬件主机。作者出生于80/90年代的葡萄牙，受第三、四代主机（NES、SNES、Master System、Mega Drive）的深刻影响，决定在业余时间自学电子学，打造属于自己的游戏机。

作者的背景：职业是软件工程师，几乎没有电子经验（除了组装电脑外），通过买书和套件自学。最终成功构建了这台主机，并在此文中详细解析了硬件架构、图形系统、CPU设计和固件实现。

设计目标与核心特性

作者在项目启动时设定了明确的设计目标，这些目标贯穿了整个项目：

1. 无模拟：所有游戏必须在真实硬件上运行（不要求使用当年的老芯片，只要求性能恰好够用）。
2. 专用复古CPU：采用 Zilog Z80。
3. 模拟电视输出：输出 PAL 制式的模拟 RGB 信号。
4. 音频能力：能够发出声音。
5. 双控制器支持：支持两个游戏手柄。
6. 滚动背景与精灵：必须支持马里奥式横版游戏所需的图形能力（以及更多类型）。
7. SD卡存储游戏：不使用卡带，而用 SD 卡分发程序，便于从 PC 复制文件。卡带方案需要为每个程序制作额外的硬件——这不现实。

这个目标矩阵在后续的系统架构中几乎被逐条实现，非常值得留意。

视频信号：软件位冲 PPV 的诞生

视频信号是整个项目最先攻克的难点。那个时代的主机都使用完全不同的专用图形芯片，因此设计者并不想采用任何现成方案，而是希望拥有自有的图形特性。但因为无法流片，也不会 FPGA，作者选择用软件方式驱动一颗 20 MHz 的 8位微控制器（Atmega644）来生成 PAL 视频信号。

由于微控制器原生不支持 PAL 协议，他采用 bit banging 方式直接操纵引脚，模拟输出视频时序。视频信号格式为 8位 RGB332（R=3位，G=3位，B=2位），再通过被动 DAC（电阻网络）转换为模拟 RGB，最后通过 SCART 接口输入电视（那是葡萄牙非常普遍的电视输入方式）。

图：用 Atmega644 直接产生 PAL 信号，附有必要的时序控制。

图形系统：双缓冲与双 MCU 架构

为了不让视频信号生成处理器（他们称之为 VPU，Video Processing Unit）同时去计算图形，作者引入了 双缓冲 机制：

• PPU（Picture Processing Unit，图形处理单元）：另一颗 Atmega1284（也是 20 MHz）负责生成图像内容，写入 VRAM1（或 VRAM2）。
• VPU：专门负责把 VRAM 中的图像数据依次推出到电视上。

每一帧（在 PAL 下为 1/25 秒或两个半帧）完成后，VPU 和 PPU 交换使用的 RAM 芯片。例如：此刻 PPU 写入 VRAM2，而 VPU 把 VRAM1 的内容输出；下一帧交换。

这带来一个复杂问题：PPU和VPU都需要访问RAM，而微控制器访问外部 RAM 是位敲定制的（没有内存控制器）。因此，这块视频板不得不加入大量 74系列逻辑芯片（计数器、行选择器、总线收发器等），以实现总线仲裁和 RAM 的高效存取。

因此视频板的硬件相当复杂，固件（尤其 PPU 端）为了每帧绘制出期望的图像效果，需要在极短时间中高效地运行。最初作者用纯汇编编写 PPU/VPU 程序，后来部分移植到 C，但仍保留了高度性能导向的代码。

图形规格：224×192、精灵、虚拟屏与属性表

最终 PPU 生成的画面为 224×192 像素，稍低于同代主机的 256×224。降低分辨率让作者可以在每帧绘制周期内塞入更多图形特效。

该图形芯片采用经典“复古”特征：

背景：

• 使用 8×8像素的字符/瓦片（tiles） 组成背景，屏幕背景为 28×24 块瓦片。
• 同时支持 4 个虚拟屏幕，每个均为 28×24 瓦片，彼此连续且环绕（可以平滑实现逐像素滚动和背景无缝更新）。
• 支持每行单独滚动方向/偏移，可产生有限的视差滚动或分屏效果。

精灵（Sprites）：

• 最多渲染 64 个精灵，每个可为 8×8 或 16×16（1、2 或 4 个瓦片）级别的大小。
• 支持水平翻转、垂直翻转或双方向翻转。

Overlay 覆盖层：

• 背景之上可显示一片 28×6 瓦片 的覆盖区域，适合静态HUD栏，在背景滚动时不需要只靠精灵来显示游戏提示文字。

属性表（Attribute Table）：

• 给每个瓦片赋一个 0~3 的属性值，然后 CPU 可以一次设置：将具有某属性的全部瓦片映射到某页，或一次性让它们的瓦片序号递增。
• 典型应用：马里奥游戏中“闪动的？砖块”或瀑布的动态水流——不需要 CPU 逐帧重写所有瓦片，只需下发指令即可。

CPU：为何是 Z80？以及IO空间的优势

有了图形板之后，作者开始连接主 CPU。他选择了传奇的 Zilog Z80。这是极具时代感的 CPU，但作者特别点出了硬件层的深层原因：

• Z80 有 16位存储空间（64KB）和 16位IO空间，二者独立。
• 同期的著名 6502 只有 16位寻址空间，需要将内存、外部设备（如显示芯片）映射在同一地址空间中。
• 因此 Z80 可最大程度利用 64KB 程序/数据内存，IO空间独立用于外部设备的访问。

CPU通过 EEPROM 启动并运行测试代码。另外作者制作了一个 IO 单片机（Atmega324，20MHz），通过 Z80 的 IO空间进行控制，并通过 RS232 连接 PC 调试，以验证 CPU 与线路的互通。该 IO 单片机将成为控制 SD 卡、游戏手柄以及未来音频等等外设的中枢。

架构总结与后续

文章发布了这个精心之作的第一部分总结，后面似乎还有细节待展开。而核心架构已经很清晰：
_CPU（Z80） ↔ EEPROM/内存 ↔ IO单片机（负责输入输出、SD卡、手柄） ↔ 视频板（PPU+VPU+VRAM双缓冲）_ → 电视。

这个系统没有仿真、没有现成的图形/声音芯片，而是以软件位传输的方式创新地实现了大量显示特性，并且配合 Z80 的强分离IO地址，构成了一个相当完整、深入的家酿游戏机系统。它可以真正在 PAL 电视上渲染滚动背景、精灵、覆盖层、属性变换，并读取 SD 卡中的游戏。

对一个原本只有编程能力的爱好者来说，这个项目的意义不只是“设备能跑”，而是从零消化了模拟电路、数字逻辑、信号时序和底层固件设计——把一本电子学教程变成了真实运行的游戏机。

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原文链接：https://internalregister.github.io/2019/03/14/Homebrew-Console.html