我对MMC3(Mapper4)的认识心得和一个同屏显示64色的FC程序演示(带源代码)
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还是早年前，我和一个台湾写FC游戏的软件工程师交流心得体会时，他教会了我有关MMC3的知识，作为交换，我也告诉了他一些有关2A03语音功能的使用。他一直对我强调的是：C3的使用一定要有切BANK的观念，IRQ中断是C3游戏的精华。这些对我印象很深，多年后的今天，每当我在玩C3游戏时，脑海里总是想像，这些技巧是如何实现的呢？ MMC3是任天堂早期开发的一款配合FC或NES游戏卡带使用的ROM空间管理IC，在高K游戏卡中大量使用。它一共有3个大同小异的版本：MMC3A、MMC3B、MMC3C，可能是IC的制程方面的差异，从编程的角度上看它们没有什么区别。下面看看MMC3的引脚定义（采用 44pin TQFP 硬封装）：http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/a1e14f62c1f620e4e6113a45.jpg
这图是按美版的NES信号系统说明的，对于FC版而言M2就是CLK18，PRG/CE就是ROMS\（相当于A15\ & CLK18） MMC3内部有8个可编程寄存器(Register)，通过A0，A13，A14和ROM\译码为如下端口地址：8000h， 8001h， A000h， A001h， C000h， C001h， E000h， E001h。这些地址当然还有镜像，如与8000h同效果的地址是8000～9ffe中的偶数地址， 与8001h同效果的地址是8001～9fff中的奇数地址，其它类似。 MMC3可管理最大PRO-ROM空间为4Mbit(最高地址线为PRG A18)，最大CHR-ROM空间为2Mbit(最高地址线为CHR A17)；还可以管理电池记忆SRAM的使能和写保护；H/V接法(HV mirror)控制；屏幕行扫描(HScanLine)IRQ的管理，这一切皆由上面所说的寄存器来控制。 PRO-ROM空间的切BANK管理（Bank Siwtching）
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6527(或2A03)CPU能看见的卡带程序地址空间CPU-ROM只有32KB（8000H～FFFFH），MMC3就是将它管理的4Mbit PRO-ROM空间按8KB一个Bank映射（Mapping）到CPU-ROM空间的相应8KB区中（见上图）。4MB的PRO-ROM空间共有00h～3Fh共64个Bank，最后一个Bank（3Fh）为驻留体，它固定映射到E000h~FFFFh区（简称E000h固定区或驻留体），用于程序的Reset启动。 CPU-ROM空间的8000h区和C000h区为条件可变区，其中一个区为固定，另一个区为可变，固定的区被固定映射到PRO-ROM空间的倒数第二个Bank（3Eh），可变区可被映射到00h~3Fh任一个Bank。这要根据模式控制端口PORT_8000的D6位是0还是1来控制，D6位为0时，8000h区可变，C000h区固定，D6位为1时，则情况相反。这种条件可变区由模式控制端口PORT_8000设为06h模式号来决定，映射的Bank号由Bank号端口PORT_8001来决定。 CPU-ROM空间的A000h区是绝对可变区，被映射到PRO-ROM空间的00h~3Fh任一个Bank，这种绝对可变区由模式控制端口PORT_8000设为07h模式号来决定，映射的Bank号由Bank号端口PORT_8001来决定。 上图中的两种Bank映射方式代码如下：
上部分的切Bank代码
LDA #$06 ; 06模式号，设置条件可变区
STA PORT_8000 ; 因为PORT_8000的D6位=0，所以8000h区为条件可变区
LDA #$01
STA PORT_8001 ; 设置8000h区的Bank号
LDA #$07 ; 07模式号，设置绝对可变区
STA PORT_8000
LDA #$03
STA PORT_8001 ; 设置A000h区的Bank号下部分的切Bank代码
LDA #$46 ; 06模式号，设置条件可变区
STA PORT_8000 ; 因为PORT_8000的D6位=1，所以C000h区为条件可变区
LDA #$03
STA PORT_8001 ; 设置C000h区的Bank号
LDA #$07 ; 07模式号，设置绝对可变区
STA PORT_8000
LDA #$02
STA PORT_8001 ; 设置A000h区的Bank号
在通常的MMC3游戏中，第一种映射方案是常用的，也比较直观。和众科技 Super Game 系列的MMC3游戏中，也是采用第一种映射方案，它是这样安排的：C000~FFFF 16K用于固定的程序，A000~BFFF 8K用于可切Bank的程序，8000～9FFF 8K用于数据交换（如地图数据，音乐数据等）。 CHR-ROM空间的切BANK管理（Bank Siwtching）http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/696771f818319d36d9f9fdbf.jpg 6538(或2C02)PPU能看见的卡带字模地址空间PPU-ROM只有8KB（0000H～1FFFH），MMC3就是将它管理的2Mbit CHR-ROM空间按1KB一个Bank映射（Mapping）到PPU-ROM空间的相应1KB区或2KB区中（见上图），2MB的CHR-ROM空间共有00h～FFh共256个Bank。根据模式控制端口PORT_8000的D7位是0还是1来控制上图中的两种映射方式，D7=0时，PPU-ROM的上4K被分为两个2K体，下4K被分为四个1K体；D7=1时，PPU-ROM的上4K被分为四个1K体，下4K被分为两个2K体。PORT_8000的D2,D1,D0位为模式号，取值0～5，分别对应这6个体。PORT_8001为Bank号端口，它确定相应哪个体的映射Bank号，2K体由相邻的两个1K的Bank来映射，Bank号要为偶数（如果是Bank奇数，则实际是使用Bank - 1）；1K体就直接由1K的Bank来映射。 上图中的两种Bank映射方式代码如下：
上部分的切Bank代码
LDA #$00 ; 00模式号
STA PORT_8000
LDA #$00 ; 00，01号Bank －> 00体 （2K）
STA PORT_8001 LDA #$01 ; 01模式号
STA PORT_8000
LDA #$02 ; 02，03号Bank －> 01体 （2K）
STA PORT_8001 LDA #$02 ; 02模式号
STA PORT_8000
LDA #$FC ; FC号Bank －> 02体
STA PORT_8001 LDA #$03 ; 03模式号
STA PORT_8000
LDA #$FD ; FD号Bank －> 03体
STA PORT_8001 LDA #$04 ; 04模式号
STA PORT_8000
LDA #$FE ; FE号Bank －> 04体
STA PORT_8001 LDA #$05 ; 05模式号
STA PORT_8000
LDA #$FF ; FF号Bank －> 05体
STA PORT_8001
下部分的切Bank代码
LDA #$82 ; 82模式号
STA PORT_8000
LDA #$00 ; 00号Bank －> 82体
STA PORT_8001 LDA #$83 ; 83模式号
STA PORT_8000
LDA #$01 ; 01号Bank －> 83体
STA PORT_8001 LDA #$84 ; 84模式号
STA PORT_8000
LDA #$02 ; 02号Bank －>84体
STA PORT_8001 LDA #$85 ; 85模式号
STA PORT_8000
LDA #$03 ; 03号Bank －> 85体
STA PORT_8001 LDA #$80 ; 80模式号
STA PORT_8000
LDA #$04 ; 04，05号Bank －> 80体 （2K）
STA PORT_8001 LDA #$81 ; 81模式号
STA PORT_8000
LDA #$06 ; 06，07号Bank －> 81体 （2K）
STA PORT_8001 在和众科技 Super Game 系列的MMC3游戏中，第一种映射方案是常用的。上4K用来做背景(BG)字模，下4K用来做卡通(SPR)字模，这样就有4个独立切Bank的卡通（如：主角、敌物1、敌物2、其它）字模区，采用动态切卡通的Bank时，就可以做出动作非常连贯的卡通图案。背景图案在空间允许的情况下也可以通过切Bank来连续变化。这也就是为什么说采用了MMC3的游戏有作非常连贯的精美画面。
下面将CPU和PPU切Bank的端口统一表述一下：模式控制端口 PORT_8000
D2 D1 D0 ：用于切体模式控制，代表CPU和PPU地址空间的相应区域。
模式号 00，01，02，03，04，05 用于PPU空间的6个区域。
模式号 06，07 用于CPU空间的2个区域。06对应条件可变体，07对应绝对可变体。
D6 ：用于CPU条件可变体的选择。0：选择8000H体为条件可变体；1： 选择C000H体为条件可变体。
D7 ：用于PPU分区方式。0：上4K（2X2K）下4K（4X1K）；1：上4K（4X1K）下4K（2X2K）。
D7=1时，相当于将D7=0时的VROM地址与1000h 异或后的结果。
其它位没有用Bank号数据端口 PORT_8001
用于相应模式号下的CPU或PPU映射的Bank号，CPU的取值范围：00~3F；PPU的取值范围：00~FF。××× 注意：虽然在上电复位时，MMC3的内部寄存器为0，CPU地址空间的C000h~FFFFh被固定映射为PRG-ROM空间的最后两个8K Bank，但是经过我对原装的MMC3和克隆的MMC3的实际测试发现，C000h~DFFFh这8K不一定被映射为PRG-ROM的倒数第2个Bank。也就是说，如果上电复位地址刚好落到该区域，就有可能发生死机现象。所以最好将Reaset向量控制在E000h~FFFFh中。
H/V接法(HV mirror)控制端口PORT_A000PORT_A000
D0 ：用来控制HV镜像
0 - 水平H接法，V垂直镜像（Vertical mirroring）
1 - 垂直V接法，H水平镜像（Horizontal mirroring）
其它位没有用 如： LDA #$00 ; 设定水平H接法
STA PORT_A000 电池记忆SRAM的使能和写保护控制端口PORT_A001PORT_A001
D7 ：用来控制SRAM的使能， 0 禁止使用SRAM（Disable）；1 可以使用SRAM（Enable）
D6 ：用来控制SRAM的写保护 0 SRAM可写；1 SRAM只读
其它位没有用 如： LDA #10000000B ; 设定SRAM空间6000h-7FFFh为可读可写
STA PORT_A001 屏幕行扫描(HScanLine)的IRQ中断管理 IRQ的控制是MMC3最令人赏心悦目的功能，它可以精确确定IRQ中断在屏幕哪一条水平扫描线(Hscanline)上发生，这为屏幕分割显示、屏幕扭曲、动态切换字模、同屏多色等技巧提供了精确的定时。这涉及到下面4个寄存器或控制端口：
PORT_C000 ：IRQ计数器预装寄存器（irq counter preset value register）
PORT_C001 ：IRQ计数器清零端口（irq counter clear port）
PORT_E000 ：IRQ禁止端口（irq acknowledge register clear port）
PORT_E001 ：IRQ使能端口（irq enable register setup port）
由它们来控制IRQ的发生和响应。为了能很好地理解它们的相互关系，我画了张简图说明如下：http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/1820e98d2624c32bb31bbad6.jpg
该图是我根据自己的心得体会绘制的关于MMC3 IRQ发生器的原理图，如有误解请大家指正。 在介绍IRQ原理前，我们先来看看行扫描期间，PPU是如何处理背景和卡通字模（BG & Sprite tiles）的。PPU的地址总线在屏幕显示期间用来访问外部的字模CHR-ROM（Pattern）和显示码VRAM（Name Table ，Attribute Table ）。在一条可显示的水平扫描行（HScanline）的显示期间，PPU要读取该行的32个背景块字模并显示它们；在该行的行消隐期间，PPU要读取下一行的8个卡通字模为下一行的卡通显示作准备（呵呵，这就是为什么一个扫描行不能超过8个卡通，因为行消隐的时间有限嘛！）。如果我们将背景和卡通字模设定在8K CHR-ROM 的上下不同的4K中（如背景在上4K，PA12＝0；卡通在下4K，PA12=1，这由2000h端口的D4D3位决定），那么决定上下4K的PPU地址线PA12在一条扫描行中就会有一次跳变。MMC3就是用过监视PA12的跳变来触发它的IRQ中断计数器（IRQ Counter），以达到记录行扫描数的目的。 MMC3中的IRQ中断计数器（IRQ_Counter），是一个由PA12的边沿跳变来触发的8bit递减计数器，当计数值为0时，就会置位IRQ响应寄存器（IRQ_Ack_Reg），在IRQ使能（Enabe）的情况下，会在IRQ_Flag脚上输出低电平的IRQ中断信号。与此同时，在下一个PA12的跳变边沿还会将IRQ预装值寄存器 PORT_C000的值重新装入IRQ_Counter。 端口PORT_C001的作用是将IRQ_Counter清零，这也会导致在PA12的下一个跳变边沿将PORT_C000的值装入IRQ_Counter。 IRQ中断发生后，可以用端口PORT_E000来清除中断标识，以免中断的再入发生，这就是中断处理程序的要做中断响应（IRQ Acknowledge）。 PORT_E001用来使能IRQ中断，当用PORT_E000置位并关掉IRQ后，要用PORT_E001来打开IRQ使能寄存器，为下一个IRQ的到来做准备。 除PORT_C000寄存器要放扫描行数值外，其它端口写什么值都无所谓，它们仅是一个触发端口而已。PORT_C000的值如为N，那么IRQ就会在N+1显示行发生。 IRQ_Counter是一个不能被程序直接访问的计数器，它在屏幕显示期间会不停地减一计数和重装。有一个例外是，如果PORT_C000设为0，则IRQ就只发生一次，其后 IRQ_Counter就一直在做重装入。 所以，要使IRQ能发生，就必须要有PA12在每一扫描行上有跳变，也就是背景和卡通的字模不能放在同一个4K中字模块中。在8X16的大卡通模式下，则背景要放在上4K，卡通要放在下4K。各种组合情况我都在实际的硬件主机上做过测试。当然有些模拟器可能模拟不出这种细节，如VirtuaNESex、NnnesterJ、Fceu等模拟器在背景和卡通用同一套字模区时也产生IRQ，只有号称能cycle-by-cycle地精确模拟定时模拟器Nestopia才与我做的硬件测试最符合。 MMC3的IRQ在软件编程时，一般分3个部分：
主程序初始化片段
LDA #$C0 ; 或 #$40，关掉2A03的内部 CLOCK IRQ 以免和 MMC3 IRQ冲突
STA $4017
STA PORT_E000 ; E000写任意值禁止MMC3 IRQ CLI ; 打开6502的可屏蔽中断标识，为接收MMC3 IRQ 做准备 NMI中断处理片段
LDA #ScanLineValue ; IRQ将在 ScanLineValue + 1 行发生
STA PORT_C000 ; 将扫描行数写入计数器预设寄存器C000
STA PORT_C001 ; 写C001使IRQ_Counter清零，C000的值在下一扫描行装入IRQ_Counter
STA PORT_E001 ; 写E001，允许MMC3 IRQ发生 CLI ; 有时IRQ可能发生在NMI处理期间，所以要打开被NMI关掉的6502中断标志 IRQ中断处理片段
STA PORT_E000 ; 清IRQ标志和禁止IRQ，以免中断再进入
...... ; 做你想做的事情，如改变2005来分屏移动背景 STA PORT_E001 ; 若后面还要响应IRQ，则打开IRQ使能
下面介绍一个采用MMC3的IRQ实现64色同屏显示的demo，下图就是它的模拟器截图，由于程序做了比较精确定时处理，实际硬件的显示效果在PAL制式下与下图也一样，没有分屏产生的杂信。
http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/8e7abf2d0e7fd20d349bf7d0.jpg
基本思路是，利用IRQ将屏幕上下分成8个色条，每个色条采用不同的配色板，第1个色条的配色板由NMI处理程序写入，后面的7个色条的配色板由IRQ处理程序写入。IRQ的计数值设为色条的的高度，同一IRQ处理程序被执行7次来处理不同的色条。值得注意的是，在NMI中写配色板是没有问题的，但后面的IRQ已经到了屏幕显示区，这时候要写配色板则一定要将屏幕关掉（00 -> 2001h）才能写，写完后再打开（0E -> 2001h）。也就是说，通过IRQ我们可以将屏幕动态开关多次来达到写不同区域的配色板的目的。 在屏幕发生IRQ的交界处，由于定时的问题会在分屏处产生跳动的杂信，在实际的硬件和cycle-by-cycle型模拟器Nestopia中能看见，这可以通过几种技巧除掉，其中之一就是用NOP延时将杂信推到行消隐区，本Demo就是采用这种技巧消除杂信的，写配色板子程序 WT_PAL 中有很多延时代码就是起这个作用。ROM下载地址: http://maxzhou88.ys168.com/ NES/ FC-COLOR_64.rar 4KB
UUShare下载地址：http://www.uushare.com/user/maxzhou88/file/2993133
所用的编译工具是2500AD（汇编器：x6502 ，连接器： xlink）
2500AD下载地址：http://maxzhou88.ys168.com/ 工具/6502汇编工具(2500AD_5.01).rar 211KB 另外推荐一款由中国大学生－－马子杨，开发的一款国人FC模拟器：NESEmu V3.0，它可以显示IRQ在屏幕上发生的位置。
周哥（maxzhou88） 写于
http://user2.55.la/user_pic/logopic/2008/10/24/09/72299.gif
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http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/2dde6603f4263fb1d43f7ca5.jpg
这是我收藏的一款采用MMC3的NES卡带，左边的3197A就是老任CIC分区加密IC。http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/ddd9188bec6441eafd1f10bc.jpg
这是转载网友 ZH1110 文章中介绍的带电池记忆SRAM的MMC3 NES 卡带。http://hiphotos.baidu.com/maxzhou88/pic/item/e7073118b569942f35fa41ea.jpeg
这是FC版本的MMC3卡带，图中的40pin DIP封装的MMC3是台湾人开的兼容IC（克隆MMC3），不是正宗的任天堂MMC3。=====================================================================================================
2010-05-08
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