超级任天堂卡带内部揭秘

# 超级任天堂卡带内部探秘 来源：https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html 2024年4月21日 超级任天堂卡带内部探秘 --- 超级任天堂的一个显著特点是，游戏卡带不仅能将指令和资源封装在ROM芯片中。如果我们打开卡带查看PCB板，会发现里面藏有CIC防拷贝芯片、SRAM，甚至还有"增强处理器"。 ## CIC --- SNES的防拷贝机制在我之前的文章 [10NES](https://fabiensanglard.net/10nes) 中已有详细探讨。其原理是让两个芯片同步通信：一个位于主机内，另一个位于卡带中。如果主机端的CIC检测到异常，就会重置所有处理器。 并非所有SNES卡带都包含CIC。未经授权的游戏如《Super 3D Noah's Ark》就没有CIC芯片。要玩这款游戏，需要先将它插入主机，然后在上面再插一张正版卡带。CIC总线信号会从《诺亚方舟》卡带转发到正版卡带的CIC芯片上！ ## ROM：指令与资源 --- 我未能找到所有SNES游戏及其ROM尺寸的完整列表，因此自己整理了一份（[Google表格](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1XH9xKZFQ09lLWfFzo4Y9-1FUAqSTnH6FPrQUINa__Lw/edit?usp=sharing)）。图表中涵盖了 3,378 款游戏（涵盖美版/日版/欧版）。 游戏ROM尺寸曾以比特（bits）而非字节（bytes）表示。例如，塞尔达传说III 的广告中不会说 1,048,576 字节，而是用比特表示其ROM容量：1,048,576 * 8 / (1024*1024) = 8Mb。史上容量最大的游戏是《星海传说》（48Mb，即6,291,456字节），而像《超级马里奥世界》这样的杰作仅使用 524,288 字节（4Mb）的ROM。 如果你不想点击`.csv`文件，这里列出了一些最值得关注的游戏（如果你的最爱不在列表中，欢迎发邮件告知）。 | 游戏 | 区域 | ROM大小（Mb） | ROM大小（字节） | |------|------|---------------|-----------------| | Star Ocean | 日本 | 48 | 6,291,456 | | Tales of Phantasia | 日本 | 48 | 6,291,456 | | Street Fighter Alpha 2 | 美国 | 32 | 4,194,304 | | Street Fighter Zero 2 | 美国 | 32 | 4,194,304 | | Chrono Trigger | 美国 | 32 | 4,194,304 | | Super Street Fighter II | 美国 | 32 | 4,194,304 | | Donkey Kong Country | 美国 | 32 | 4,194,304 | | Super Metroid | 美国 | 24 | 1,571,143 | | Secret of Mana | 美国 | 16 | 2,097,152 | | Street Fighter II | 美国 | 16 | 2,097,152 | | Super Mario World 2 - Yoshi's Island | 美国 | 16 | 2,097,152 | | Mega Man X2 | 美国 | 12 | 1,572,864 | | Aladdin | 美国 | 8 | 1,048,576 | | Teenage Mutant Ninja Turtles IV | 美国 | 8 | 1,048,576 | | Contra III - The Alien Wars | 美国 | 8 | 1,048,576 | | Legend of Zelda, The - A Link to the Past | 美国 | 8 | 1,048,576 | | Star Fox | 美国 | 8 | 1,048,576 | | Super Mario Kart | 美国 | 4 | 524,288 | | Super Mario World | 美国 | 4 | 524,288 | | F-Zero | 美国 | 4 | 524,288 | ## SRAM --- 一些游戏提供了存档功能。这是通过电池供电的SRAM芯片实现的。当主机断电时，SRAM进入低功耗模式以减少电量消耗。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcb.php?id=0164&num=15&side=front)：《塞尔达传说III》PCB板* 在上方这块《塞尔达传说III》的PCB中，我们可以看到之前提到的CIC（D413A）位于U4。U1是 0x80000 = 524,288 字节的ROM。U2 是一个 LH5268AF-10TLL，容量为 64 Kbits（8 KiB）的SRAM。U3 的 MAD-1 芯片是一个**内存地址解码器**，用于仲裁对ROM/RAM的访问[[1]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_1)[[2]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_2)。 ## 增强处理器 --- 最著名的增强处理器是 Super FX（又称 "MARIO" 或 "GSU-1"），用于1993年的《星际火狐》。但在此之前，EC芯片就已经被使用了。 完整的增强型SNES游戏列表可在 [维基百科](https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Super_NES_enhancement_chips#:~:text=9%5D%5B25%5D-,List%20of%20Super%20NES%20games%20with%20enhancement%20chips) 和 [snescentral.com](https://snescentral.com/chiplisting.php) 上找到。总共有13种EC芯片为72款游戏提供支持。 ### 增强处理器：SA-1 --- "Super Accelerator 1" 是增强芯片中的MVP。它被用于34款卡带[[3]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_3)，是一颗65C816 CPU（与SNES主机中的CPU相同），但运行频率是其4倍，达到10.74 MHz。它还集成了2KiB的SRAM和内置CIC[[4]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_4)。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-1L5B-10)：《超级马里奥RPG》PCB* 上图是一款《马里奥RPG》的PCB。注意没有CIC芯片（因为SA-1集成了CIC），U1是包含游戏指令和资源的ROM芯片，U2是SRAM芯片（带有集成解码器，无需MAD-1），U3是SA-1芯片。 注意这里没有晶振，因为SA-1使用卡带端口的系统主时钟线，并在内部二分频。结果是 21.4772700 MHz / 2 = 10.74 MHz 的频率。 #### 它是如何工作的？ 我们可以在SNES开发者文档第二卷中找到完整描述[[5]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_5)。启动时，SA-1处于"停止"状态。SNES CPU创建一个复位向量并恢复SA-1的运行。SA-1的初始指令指针从该专用的复位向量中获取。 SA-1有三种工作模式：加速模式、并行处理模式和混合处理模式。在最强大的配置下，它能使整个系统的性能提升五倍。 > SA-1 CPU 和 Super NES CPU 同时运行，使得 Super Accelerator System (SAS) 的性能是当前 Super NES 的五倍。 > —— Super Nintendo 开发者手册第二卷[[6]](https://fabiensanglard.net/snes_cards/index.html#footnote_6) 得益于处理能力的提升，SNES能够对PPU中全部128个精灵进行动画和碰撞检测。这种性能还允许实时变换精灵（旋转/缩放）并将其写回PPU的VRAM。这种显著的改进通过任天堂的SA-1演示卡带得以展示[[7]](https://fabiensanglard.net/snes_cart/index.html#footnote_7)。 SA-1爱好者进一步证明了性能差异。下面的视频比较了使用 SlowROM（访问时间200ns）、FastROM（访问时间120ns）和SA-1执行排序算法的差异。 视频作者有些混淆：他们将 "SlowROM" 标为 "LoRom"，将 "FastROM" 标为 "HiRom"（LoRom 和 HiRom 仅涉及内存映射[[8]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_8)[[9]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_9)）。 SA-1也被复古游戏社区用于改善过去因卡顿而影响游戏体验的游戏。令人惊叹的项目如 [消除《超级马里奥世界》的卡顿](https://github.com/VitorVilela7/SMW-SA1-Pack)、[《宇宙巡航机III》卡顿消除](https://www.youtube.com/watch?v=ImH8B1cG3p0)（耗时三个月[[10]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_10)）和 [《魂斗罗III》卡顿消除](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_11)都是杰作。甚至连《超级马里奥世界》[[12]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_12)也得到了优化（我不记得有卡顿，但当时我才十二岁）。 《Super R-Type》（SNES）- 原版与SA-1对比。 《魂斗罗III》（SNES）- 原版与SA-1对比。 《宇宙巡航机III》- SNES原版与SA-1对比[[13]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_13)。 《宇宙巡航机III》（SNES）- 原版与SA-1对比。 将一款游戏转换为SA-1的过程似乎相当复杂，特别需要重新映射RAM/ROM访问。这令人费解，因为SA-1的文档中明确说明 "SNES和SA-1使用相同的内存映射"[[14]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_14)。如果你知道原因，请发邮件给我。 直到2019年，通过SA-1 Collection Project[[15]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_15)，人们仍在努力实现自动重映射，以便将更多SNES游戏转换为SA-1。 ### 增强处理器：CX4 --- CX4是Capcom的产物，用于《洛克人X2》和《洛克人X3》。它能够进行3D线框渲染、多种数学运算，以及将精灵缩放和旋转到VRAM中[[16]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_16)。你可以在《洛克人X2》的 [开场动画](https://www.youtube.com/watch?v=J4IH8Xwt290) 或 [Boss战](https://twitter.com/Foone/status/1177645360308572160) 中看到示例。 > 大多数人将其与线框效果联系在一起，但它绝不仅仅用于此。它提供了精灵函数、线框效果、推进、向量、三角形、三角函数和结果表以及坐标变换功能。在《洛克人X2》和《洛克人X3》中，它处理所有精灵，所以实际上贯穿了整个游戏。这基本上允许在屏幕上显示比SNES原本允许的更多的精灵，而不会闪烁。我认为这就是一些大型Boss（如开场Boss）的实现方式。 > —— 来源[[17]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_17) *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-2DC0N-01)：《洛克人X2》PCB* 上图是《洛克人X2》的PCB。注意防拷贝CIC位于U4，8M（8兆比特 = 1MiB）ROM包含游戏指令和资源在U1，更多ROM在U2，CX4在U3。 注意X1处的20MHz晶振，因为CX4不使用主机的主时钟。 ### 增强处理器：CS-DD1 --- DD1是一块精灵解压芯片，能够直接向图像处理单元的VRAM提供数据（还有一点额外功能[[18]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_18)）。它用于两款游戏：《星海传说》和《街头霸王Alpha 2》。 曾有传闻说《街头霸王Alpha 2》在 [回合开始前](https://youtu.be/fB9GlZUYNUQ?feature=shared&t=454) 的空白时间是由DD1造成的。Modern Vintage Gamer 详细解释了原因[[19]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_19)。事实证明问题在于将音频样本传输到DSP RAM。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcb.php?id=0046&num=1&side=front)：《街头霸王Alpha 2》PCB* 这是今天我们将看到的最简单的PCB。《街头霸王Alpha 2》搭载了大量ROM在U1（4 MiB），以及DD1用于实时解压资源。注意没有CIC，因为它已集成到DD1中。 ### 增强处理器：DSP-1 --- DSP芯片系列支持十九款游戏。其中DSP-1占十六款，包括经典如《超级马里奥卡丁车》和《Pilotwings》[[20]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_20)。 这个名字起得不太恰当，因为DSP代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），但它们并不像大多数DSP那样处理连续信号。 该芯片在Super Nintendo开发者手册第二卷[[21]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_21)中有详细记载。从这些页面中我们了解到，它以阻塞模式工作（CPU在DSP操作期间不执行任何操作）。 > Super NES CPU等待DSP1处理数据，然后才发送下一个数据。 > —— 开发者手册[[22]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_22) DSP提供了诸如快速16位乘法、逆运算、正弦/余弦投影、向量大小、旋转等指令，这些对编程HDMA和更新Mode 7中的3D视图至关重要[[23]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_23)。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-1K1X-01)：《超级马里奥卡丁车》PCB* 上图是一块密集的《马里奥卡丁车》PCB，它利用了我们迄今学到的每个组件。U5有外部CIC，U1有ROM，U3有用于存档的SRAM，最后U4有用于ROM/RAM寻址的MAD-1地址解码器。当然，为了让游戏存档在主机断电后仍然有效，左上角有一个电池。 与CX4一样，DSP不使用卡带线的主时钟。而是需要一个晶振（这里在X1处）。产生的频率为8 MHz。 当爱好者发现《Pilot Wings》使用的纹理分辨率远高于Mode 7所能显示的分辨率时，他们"改进"了这款DSP-1支持的游戏。bsnes 被 [修改](https://hackaday.com/2019/04/26/snes-mode-7-gets-an-hd-upgrade/) 以给Mode 7提供HD分辨率，结果如下所示。 DSP-1有三个版本：DSP-1、DSP-1a和DSP-1b。在修复bug和优化工艺的过程中，芯片行为略有改变，导致《Pilot Wings》演示中的飞机坠毁（如Foone所揭示[[24]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_24)）。 ### 增强处理器：DSP-2 --- 用于单一游戏（《地牢大师》），用于转换Atari ST的例程。似乎主要是为了帮助精灵缩放，如 [这里](https://www.smwcentral.net/?p=viewthread&t=83051) 所示。 ### 增强处理器：DSP-3 --- 用于单一游戏（《SD高达GX》）。 ### 增强处理器：DSP-4 --- 用于两款游戏（《Top Gear 3000》和《The Planet's Champ TG 3000》）。 ### 增强处理器：OBC-1 --- OBC-1用于单一游戏《Metal Combat: Falcon's Revenge》（Intelligent Systems开发）。有传言说它用于操作精灵。但这一点在nesdev.org上存在争议。 > 本质上它是一个非常非常简单的存档RAM映射器。它帮助在RAM中构建OAM（精灵）表（无需位操作），然后通过DMA传输到OAM内存。 > 老实说，这看起来是对工程努力的严重浪费。对于有经验的程序员来说，完全移除这个芯片应该只是一个周末项目。[...] 我认为它最大的理由是对抗盗版的好处。 > —— Near[[25]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_25) *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-2E3M-01)：《Metal Combat: Falcon's Revenge》PCB* 在《Metal Combat》的PCB中，我们找到OBC1位于U4。U6有CIC，U5有地址解码器MAD-1，U1和U2是游戏资源ROM，U3是8KiB的SRAM用于存档，左上角是SRAM供电电池。 ### 增强处理器：S-RTC --- S-RTC是一个用于跟踪实时时钟的芯片，仅用于单一游戏《大怪兽物语II》。尚不清楚哈德森软件开发人员为何需要跟踪实时时间。也许是为了向玩家显示时间？ *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-LJ3R-01)：《大怪兽物语II》PCB* CIC在U6，S-RTC在U5，MAD-1在U4，U1和U2有大量ROM，U3是8KiB的SRAM用于存档，左上角是供电电池。 ### 增强处理器：SPC7110 --- 爱普生（Epson）生产的数据解压芯片，用于三款游戏：[《天外魔境Zero》](https://en.wikipedia.org/wiki/Tengai_Maky%C5%8D_Zero)、[《桃太郎电铁Happy》](https://www.youtube.com/watch?v=act2pjsCnbg) 和 [《超级力量联盟4》](https://www.youtube.com/watch?v=8OktWQAZscc)，后者还具备实时时钟功能。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcb.php?id=0883&num=0&side=front)：《天外魔境Zero》PCB* 上图中的新意是U5的R1513，用于在电源开关时保护SRAM免受电压尖峰影响。SRAM实际上在U3（8KiB），CIC（F411B）在U7，两个大容量ROM在U1和U2。最后，SPC7110在U4。 ### 增强处理器：ST-010 --- SETA公司的ST系列芯片据说旨在改善游戏AI。ST-010用于单一游戏（《Exhaust Heat 2 - F1 Driver he no Kiseki》）[[26]](https://fabiensanglard.net/snes_carts/index.html#footnote_26)。 *来源（snescentral.com）(https://snescentral.com/pcbboards.php?chip=SHVC-1DS0B-20)：《Exhaust Heat 2》PCB* CIC（D411A）在U4。