・2022/06/25
FPGA Spartan-6 XC6SLX16でファミコンを動かす！
(Xilinx FPGA Spartan-6 XC6SLX16 NES clone in ALINX AX309)
Tags: [FPGA], [電子工作], [Xilinx XC6SLX9], [FPGA 2022]
● FPGA Spartan-6 XC6SLX16でファミコンを動かす！
Xilinx FPGA Spartan-6 XC6SLX16 NES clone in ALINX AX309
fpga_nes
オリジナルの Digilent Nexys 3版の fpga_nes
元が Digilent Nexys 3の基板を使っていますが、使っている FPGAは私の購入した AX309 cloneと同じ XC6SLX16を使用しています。
[AX309] XILINX Spartan-6 XC6SLX9 FPGA Development Board LX9 - Spartan6 - ALINX Electronics Technology (Shanghai) Co., Ltd.
alinxalinx / AX309
Digilent Nexys 3 Spartan-6 FPGA board
● Digilent Nexys 3基板と ALINX AX309基板との違いに対応する
Digilent Nexys 3基板と ALINX AX309基板との違いは下記の 3箇所です。
a) 入力クロックの周波数（Nexys 3基板は 100MHz、AX309基板は 50MHz）
b) I/O部分のピン配置（基板配線が異なるから）
c) ボタン入力の論理（Nexys 3基板は正論理、AX309基板は負論理）
・ a) 入力クロックの周波数
入力クロックの周波数の違いは Nexys 3は 100MHz、AX309 cloneは 50MHzなので
a) 内部の回路実装のクロック分周を半分にする
b) FPGAの DCMの機能を使って 50MHzを 100MHzにする
のそれぞれの修正で対応できましたが、(a)のクロック分周の箇所は複数有るので (b)の方法が手軽で簡単です。
Digital Clock Manager (DCM) Module
DCM = 簡単に言うと好きな周波数を指定して出力できるモジュール。
Spartan-6でも使えます。
・ b) I/O部分のピン配置（基板配線が異なるから）
I/O部分のピン配置の違いは .ucfファイルのピン定義の書き換えで対応しました。
UCF = User Constraints Fileの略で、FPGAの回路を FPGAのどのピンに割り当てるか？クロックのタイミング等を記述するファイル。
Constraints Guide
UG625 (v. 13.4) January 18, 2012
ちなみに新しい開発ツール Vivaoの場合は XDCと言い、ISEの UCFとは記述方法が異なる。
ISE to Vivado Design Suite Migration Guide
ISE から Vivado Design Suite への移行ガイド
重要: デザインにタイミング制約または物理制約を適用するには、 UCFをザイリンクス デザイン制約 (XDC) フォーマットに変換する必要があります。
XDC = Xilinx Design Constraintsの略、Vivado Design Suiteで使う。従来の ISEの UCFに相当する。
・ c) ボタン入力の論理（Nexys 3基板は正論理、AX309基板は負論理）
topレベルのデザインに論理反転の記述を追加しました。
・Digilent Nexys 3基板と ALINX AX309基板との違いに対応する
fpga_nesの AX309版のブロック図。
topレベルのデザインに 100MHz生成の DCMとボタン入力の論理反転を追加しました。
FPGAの DCMの機能を使って 50MHzを 100MHzにする
潰れて見えませんが fpga_nesの内部の構成。
● Nexys 3 Spartan-6 FPGA board用の実装を ALINX AX309 cloneで動く様に改変したもの
Development Environment
・ISE 14.7 WebPack (free)
・Visual Studio 2017 Community (free)
・ALINX AX309 clone Xilinx FPGA Spartan-6 XC6SLX16
FREEWING-JP/fpga_nes
Nexys 3 Spartan-6 FPGA board用の実装を ALINX AX309 cloneで動く様に改変した fpga_nes
オリジナルの https://github.com/brianbennett/fpga_nes に
brianbennett#34
の
denghongcai@021a890のパッチ
を適用しています。
・オリジナルの https://github.com/brianbennett/fpga_nes
・Windowsパソコンと FPGAとの UART通信が 38400bps
・本物のファミコンのコントローラを FPGAの I/Oに接続する
・RGB出力が 256色（RGB332）
[Windows PC] nesdbg.exe -- (38400bps) -- [Nexys 3 Spartan-6 FPGA board] -- VGA display (RGB332,640x480,31KHz)
+-- [actual NES Controller(4021 shift register)]
・ denghongcai改造版 https://github.com/denghongcai/fpga_nes
・Windowsパソコンと FPGAとの UART通信が高速化 256000bps
・Windowsパソコンに USBジョイパッドを接続して FPGAに通信で転送
・RGB出力が 4096色（RGB444）
[Windows PC] nesdbg.exe -- (256000bps) -- [Nexys 3 Spartan-6 FPGA board] -- VGA display (RGB444,640x480,31KHz)
+-- USB joypad
・ FREE WING改造版 https://github.com/FREEWING-JP/fpga_nes
単純に denghongcai改造版を AX309で動く様にした
制限事項：音が非常にノイジー
[Windows PC] nesdbg.exe -- (256000bps) -- [ALINX AX309 clone Spartan-6 FPGA board] -- VGA display (RGB444,640x480,31KHz)
+-- USB joypad
● fpga_nesの FPGAに USB HIDの GAMEPADを接続してコントローラとする事に成功
USB GAMEPADを FPGAに接続します。
[Windows PC] nesdbg.exe -- (256000bps) -- [ALINX AX309 clone Spartan-6 FPGA board] -- VGA display (RGB444,640x480,31KHz)
+-- USB joypad
GitHubにプロジェクトをアップロードしています。
https://github.com/FREEWING-JP/fpga_nes/tree/feature/support_usb_gamepad
下記の「なんちゃって FPGA USB HOST」を fpga_nesに組み込んで、FPGAに直接 USBデバイスを接続してゲームコントローラとする事に成功しました！！
・2022/07/23
USB HOST機能を FPGAに実装する方法、FPGAの GPIOに USB HIDデバイスを接続したい！！
FPGAに USB HOST機能を実装して Low Speedの USB HIDデバイスを接続するのら
● FPGA NESにファミカセのゲーム イメージ .nesファイルを転送する方法
ファミカセのイメージ（.NESファイル）は USBのシリアル COM portでパソコンから転送します。（Visual Studioで作成した C++のアプリ nesdbg.exeを使用する）
1) nesdbg.exeを COM port番号を指定して起動する。
2) Fileメニューの Load ROM...を選択して .nesファイルを転送する。
rem 123 as COM port COM123
nesdbg.exe 123
rem Select File and Load ROM...
・FPGA NESにファミカセのゲーム イメージ .nesファイルを転送する方法
● fpga_nesは Mapper 0だけの対応です。("Only mapper 0 is supported.")
Mapper 0 = プログラム領域 16/32KB、キャラクタ定義 8KB
と言う訳でファミコンと言えば当時爆発的大ヒットのスーパー マリオ ブラザーズ。
スーパー マリオ ブラザーズが動くと言う事は Mapper 0を使ってる…ってコト！？
スーパー マリオ ブラザーズのプログラムサイズって 32KBで済んでいるの？凄い！
・AX309 clone XC6SLX16とファミカセ
・Spartan-6 XC6SLX16で fpga_nesでスーパー マリオ ブラザーズを動かした所
任天堂の公式のスーパーマリオブラザーズのマニュアル PDF
https://www.nintendo.co.jp/clv/manuals/ja/pdf/CLV-P-HAAAJ.pdf
● HVC-SM SUPER MARIO BROS. NES Cassette teardown PCB
これが日本中（世界も）を熱狂させたゲームの正体！
プログラムとキャラクタの合計で 40KB！！！
40KBと言うサイズは 1GBの 26214分の 1の容量です！！
1MBの場合は 26分の 1の容量です！！
・スーパー マリオ ブラザーズのファミカセの中身の基板
HVC-SM-0 PRG LH235711 8606 D プログラムの 32KB ROM
HVC-SM-0 CHR LH236720 8606 D キャラクタの 8KB ROM
LHと言えば SHARPの型番ですね！
後期ロットは ROMがボンディング（黒丸）になっているらしい。
・スーパー マリオ ブラザーズのファミカセの中身の基板
●ファミカセの爪を折らないで分解する方法
カートリッジの差し込み部分の左側の所を手で少し広げて隙間を作る。
マイナスドライバーを差し込み、カセットの表面側にドライバーを起こす。
カセット下部の脇の爪が外れる。
同様に反対の右側の爪を外す。
カセット上部の左側の空気穴にマイナスドライバーを差し込む。
カセットの表面側にドライバーを起こす。
カセット上部の右側の空気穴にマイナスドライバーを差し込む。
カセットの表面側にドライバーを起こす。
以上。
なお、マイナスドライバー（金属）だとカセットのプラスチック側に微妙に凹みが出来ると思って、クレジットカードで試しましたが、強度的にクレジットカードの方が負けました。
●その他
重大度レベル コード 説明 プロジェクト ファイル 行 抑制状態
エラー LNK2019 未解決の外部シンボル __imp__joyGetPosEx@8 が関数 "public: void __thiscall ThreadX::ThreadEntryPoint(void)" (?ThreadEntryPoint@ThreadX@@QAEXXZ) で参照されました。 nesdbg nesdbg.obj 1
#pragma comment(lib, "winmm.lib")
add Winmm.lib to lib
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