STM32F765@216MHz跑NES模拟器【代码】【视频】

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电信工see 发布时间：2019-2-22 15:41

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本文public自《STM32F765@216MHz输出I2S试验ES9023P音频听感》链接(https://www.stmcu.org.cn/module/forum/thread-619481-1-1.html)

性能：作者的开发板使用STM32F765VIT6@216MHz，开发板使用3225封装的有源晶振提供25MHz(-+20PPM)的HSE，通过PLL倍频到216MHz，实际测试修改倍频参数，可以将内核时钟超频到270MHz不跑飞（测试时间约40分钟，更高频率或更长测试时间未测试过），就MCU界来说性能已经可以傲视群雄了。

想法：那么作者有想法了，开发板有Button、LCD和Audio，是不是可以跑一些多媒体，或者做成交互式娱乐设备。看到网上有跑NES游戏的，细看，实质是通过软件模拟上世纪八九十年代的CPU 6502和外围RAM这些，然后在模拟器上跑NES游戏。

关于6502：仔细了解之后，作者对6502的评价是：伟大。在那个时代，它被用在很多场景下，除了Nintendo的FC，还有乔布斯的早期Apple PC、Commodore的主机、拉斯维加斯赌场的老虎机、早期的国产文曲星，甚至天网的T800系列终结者也都搭载这款CPU（开个玩笑）。一款造就了无数优秀的程序员、带给无数人欢乐的CPU，称之为时代巨著当之无愧。

回到正题：在开源软件发达的今天，本着站在巨人的肩膀上的心态，作者直接网上找来3款模拟器，包括InfoNES、Neil的6502 emulator和网友ye781205的NES。

a. 首先是InfoNES，主要是新建InfoNES_System.c，并在InfoNES_System.c中实现InfoNES_System.h中的接口；然后适当修改硬件相关的文件InfoNES.c、InfoNES.h、K6502_rw.h，其中包括模拟SRAM的内存实现，在堆中分配内存（注意修改Heap Size），还是以指定首地址的野路子。

      作者在开发板上跑InfoNES，FPS大致在9左右@216MHz，这就让人不想继续实现音频了，虽然跳2帧勉强能玩，但看着PPT的效果，还是放弃了。

b. 接着是Neil的6502 emulator，这款模拟器不带音频，源码已经是在stm32f1上移植好了的，作者只需要修改到自己的开发板上，在定时中断里面获取按键填充全局数组JoyPad[0]（玩家1）和JoyPad[1]（玩家2），在PPU.c中实现NES_LCD_DisplayLine()适配LCD填充和拉伸即可。

      从U盘读取NES文件到数组rom_file[ROM_FILE_SIZE]里，然后运行nes_main()启动游戏（ROM_FILE_SIZE宏作者修改为200Kbytes，数组rom_file在Rom_files.c中定义，在rom.h中申明为外部变量）。

      作者实测FPS上30@216MHz，但是没有声音，支持的游戏不多，还是不够完美。

c. 最后是openedv网友ye781205的NES，这款NES核心采用汇编实现，正点原子进行了完善，效率很高。作者在网上搜来的源码来自正点原子的工程包，工程运行在stm32f1上面。作者不清楚M7是否向下兼容汇编，带着试一试的心态就开干。具体过程包括：
(1) 在nes_main.c中nes_load(char *pname)，实现文件打开、f_stat判断文件大小信息并malloc内存空间给romfile、读取文件到romfile里、nes_load_rom()并初始化之后就通过nes_emulate_frame()启动；

(2) 在nes_main.c中nes_set_window()适配LCD显示区域；

(3) 在nes_main.c中nes_get_gamepadval()实现按键获取填充全局变量PAData0和PAData1，在6502.s中会使用到；

(4) 在nes_ppu.c中scanline_draw()做LCD的像素填充和拉伸

(5) 在nes_main.c中实现nes_apu_fill_buffer()、nes_sound_open()、nes_sound_close()输出音频

(6) 在nes_apu.h中调整宏，设置音频采样频率，设置最大帧率限制

(7) 修改正点原子自定义的内存管理，改为使用编译器提供的malloc，使用SOC内部SRAM，并将启动代码里面Heap_Size调大些。

   音频方面：作者用wavebuf填充发送buffer中的左右声道（左右相同），16-bit，最后通过DMA由I2S1直出ES9023P，DMA设置为循环模式，字节对齐设置为半字(16-bit)，实现HAL_I2S_TxCpltCallback()发送完成回调中设置发送完成标志，在nes_apu_fill_buffer()中判断音频buffer是否发送完成，以此来限制模拟器运行最大帧率。

   帧率：作者实测不加帧率限制，优化LCD刷屏，FPS可以上95@216MHz。如果深入底层针对M7的6级双发射超标量流水线进行优化，并使用L1 Cache应该可以获取更高帧率。

   作者将FPS限制在60帧，通过U盘读取nes并运行，实际效果如视频：

如果视频无法播放，请复制链接单独查看（https://v.youku.com/v_show/id_XNDA3MzM4NTYwNA==.html?x&sharefrom=android&sharekey=2e0f402405de533ff6c5cfbdcb930c939）

作者未使用OS，通过CubeMX建立的标准HAL工程，按照惯例，双手奉上，供大家取用：

【附件，工程压缩包】

(工程为.7z压缩包，下载后请删除多余.zip后缀，再解压)