FM-7 ROM吸出し器にDRAMリフレッシュ回路を追加

過去記事において、表記のボードを開発しましたが、DRAMのリフレッシュを失念していました。そこで、前回のオールソフトウエア(?)回路に対して、ハードウエアでリフレッシュ回路を追加します。バイトアクセスはオールソフトウエアで可能なことを実証できたのですが、DRAMリフレッシュは2msec以内に128カラムアドレスにアクセスが必要、という制約があるため、ソフトウエアでは厳しいと思われます。従って、ハードウエアで構成しますが、タイミング回路なので意外に回路規模を必要とします。せっかくArduino 1個で済ませたので、最小の回路構成としたいところです。

アナログタイマーIC 555

最初に思いついたのは小型のタイマーICである555です。ところがこれはアナログICであり、時定数設定のためにRやCを複数必要とします。さらに、リフレッシュ周期だけでなくリフレッシュパルス幅を確保しようとすると、555の2個入りを使用する必要があるだけでなく、外付けCRも倍の数になり、シンプルになりません。設計してみたものの嫌になりました。

図256.1 NE555回路図

プログラマブルタイマーPIC

そこで、プログラマブルタイマーで検討したところ、PICマイコンを使用すれば、開発環境その他は必要となりますが、8pinのIC1個で行けそうです。デジタルのほうがシンプルで、かつ調整も無くて好きです。

図256.2 バス権調停信号図

PICのリフレッシュアルゴリズム

リフレッシュアルゴリズムは以下のように考えています。

• 6809が\$FD05に1を書き、Z80W信号をLにします(Z80W=$6809/\overline{\text{Z80}}$)。
• ArduinoはPICからのバス権の要求RFREQが無ければ、RFGNTをLにしてバスを獲得します。バスアクセスはQB/EBをアサートすることで行います(RFGNT=$\text{PIC}/\overline{\text{Arduino}}$)。
• Z80W信号がLの際に、PICから周期的にRFREQをHとしてバス権要求をArduinoに通知します。
• Arduinoはバスアクセス中であれば終了後にバス権を放し、PICにRFGNTをHとして通知します。
• PICはRFGNTがHであればリフレッシュ可能と判断し、*REFCKをLとします。
• バス調停のオーバヘッドを削減するため、PICは*REFCKは4回アサートします。その代わり、リフレッシュ周期は1/4の16KHzとなります。
• リフレッシュが終了すると、PICはRFREQをLにします。
• ArduinoはPICがバス権を放したと判断してRFGNTをLにしてバスを獲得します。

図256.3 バス権調停タイミングチャート

---

前のブログ 次のブログ

過去ブログの、BSVによるスペースインベーダーの再設計の記事#234~#239, #254をまとめてQiitaに投稿しました。さらに考察を加えています。

BSV (Bluespec SystemVerilog)によるスペースインベーダーの再設計

過去ブログ記事でUltra96ボードを用いた、VerilogHDLによるSpace Invadersゲームの作成を投稿しましたが、その続きです。

図255.1 Qiitaの投稿記事

---

前のブログ 次のブログ

ゲームFSMのアルゴリズム

トライアルの結果、BSVによるゲームFSMが完成しました。過去記事のステートベースのサウンドステートマシンと異なり、ステート分解をしていないため、rule文を一切使用していません。全てbsc(Bluespec Compiler)の、StmtFSMライブラリにステート管理を任せました。

基本的にはCで記述するようにゲームが記述できることが分かりました。例えば、弾の移動及び衝突判定、衝突処理(爆発マーク)、爆発マーク消去等のアルゴリズムを考えると、自弾、敵弾共にアルゴリズムは共通で、疑似コードで書けば、

    if (弾爆発タイマ >= 1) {   // 弾爆発中
        弾爆発タイマ++;
        if (弾爆発タイマ == MAX) {
            弾削除;            // 論理的な消去
            弾爆発マーク消去;   // 物理的な消去
            弾爆発タイマ停止;
        }
    } else {
        if (弾が出ていない and 弾生成条件) {
            弾生成処理;
            弾発射音;     // 自弾のみ
        }
        if (弾存在) {
            衝突判定;
            if (対象物) {  // 自弾の場合はインベーダ及びUFO、敵弾の場合は自機
                弾削除;          // 論理的な消去
                対象物ステート <= 爆発;
                対象物爆発タイマ <= 0;
            } else if (上下ハズレ || ベース || 弾) { // 弾:自弾の場合は敵弾、敵弾の場合は自弾
                弾マーク消去;
                弾爆発マーク;
                弾爆発タイマ <= 1;
            } else {        // 衝突していない場合
                弾を進める;
            }
        }
    }

一方、対象物は、

    if (対象物ステート == 爆発) {
        if (対象物爆発タイマ==0) {
            対象物爆発タイマ <= 1;
            対象物爆発音;
            対象物爆発マーク;
        } else {
            対象物爆発タイマ++;
            if (対象物爆発タイマ == MAX) {
               対象物削除;          // 論理的な消去
               対象物爆発マーク消去; // 物理的な消去
            }
        }
    }

のようになりますが、StmtFSMを使うと、このようなシーケンスをクロック毎のステートに分解しなくて記述できます。

インベーダのタイミング

某所で質問があったので、タイミングについて解説します。基本の1 tickは1/60秒で、その中で、インベーダ1匹、敵弾全弾、自機、自弾、UFO、スコア等の処理を行います。以下は実際のBSVのメインループのコードです。

     while (game_flag) seq // メインループ
        for (noy <= 0; noy < `Inv_TateS; noy <= noy + 1) seq  // インベーダの行処理
           for (nox <= 0; nox < `Inv_YokoS; nox <= nox + 1) seq // インベーダの列処理
              if (inv_s[nox][noy]) seq // インベーダが生きてれば
                 ivader;      // インベーダ処理
                 gun;         // 自機処理
                 bullet;      // 自弾処理
                 for (idx <= 0; idx < extend(max); idx <= idx + 1) seq
                    invBullet(idx);  // 敵弾全弾処理
                 endseq
                 ufo;         // UFO処理
                 scores;      // スコア表示
                 endJudge;    // 終了判定
                 counter <= counter + 1;  // tickカウンタ++
                 wait_timer;  // インナーループを1/60secにするウエイト
              endseq
           endseq
        endseq
     endseq
     gameOver;  // ゲームオーバー表示

1tick=1/60secの間に、インベーダ1匹(2ピクセル移動)の処理に対して、自機(1ピクセル移動)、敵弾(1ピクセル移動)、自弾(4ピクセル移動)の処理が行われます。インベーダは初期に55匹存在するので、1/55倍のスピードで始まりますが、最終的に1倍のスピードになります。従って、インベーダを倒すたびにインベーダ全体は速くなり、一方その他の速度は変わらないわけです。

FPGAでの実装では1 tick内にインベーダ全体を移動することは可能ですし、そのような実装も見ますが、ゲーム性が変わってしまいます。具体的には、インベーダ全体の速度が次第に速くならなかったり、後ろのインベーダを撃つことができなくなります。

例えば、インベーダゲームのレインボーは、後ろのインベーダを撃つことにより出現します。インベーダは残りが一匹になると左へは2ピクセルずつ右には3ピクセルずつ移動します。下2段のインベーダは、左右2ピクセルまでの移動では跡が残らない図形になっていますが、3ピクセルだと跡が消えずに残ります。もちろん今回の実装でもレインボーを体験できます。

ゲームFSMの完成

図254.1は、BSVで再設計したゲームFSMにより動作する、インベーダーゲームの動画です。過去記事に書いたように、サウンドが4ch同時発声と高品質になりました。

図254.1 ゲームFSMの完成

---

前のブログ 次のブログ

実行結果

次は、ファンクションの中にシーケンスを組み込み、ゲームFSMの設計トライアルを行います。 シーケンスを人手で分解することは、なるべくしたくありません。ファンクションでシーケンスが定義できれば、インベーダ動作、自機動作等のファンクションを作成し、順番にそれらを呼び出せば良いはずです。

import StmtFSM::*;

interface TestFSM_ifc;
   method Action inp(UInt#(8) inx);
endinterface

(* synthesize *)
module mkTestFSM(TestFSM_ifc);

Reg#(UInt#(8)) i <- mkRegU;
Reg#(UInt#(8)) x <- mkRegU;

function Stmt test1;
   return (seq
      $display("%3d 1-1", $time);
      delay(5);
      $display("%3d 1-2", $time);
   endseq);
endfunction

function Stmt test2(UInt#(8) xx);
   return (seq
      $display("%3d 2-1", $time);
      for (i <= 0; i < xx; i <= i + 1)
         $display("%3d 2-loop-%1d", $time, i);
      $display("%3d 2-2", $time);
   endseq);
endfunction

   Stmt main =
   seq
      $display("%3d fsm1.start", $time);
      test1;
      $display("%3d fsm2.start", $time);
      test2(x);
   endseq;

   mkAutoFSM(main);

   method Action inp(UInt#(8) inx);
     x <= inx;
   endmethod

endmodule: mkTestFSM

このためのテストベンチを示します。あえてモジュール外部からループ回数を入れているのは、ループ回数がダイナミックに(実行時に)決定できるかを確認するためです。ファンクションのループを8回呼び出してみます。

import StmtFSM::*;
import TestFSM::*;

(* synthesize, always_ready, always_enabled *)
module mkTb (Empty);
  TestFSM_ifc test <- mkTestFSM();
  Reg#(UInt#(8)) count <- mkReg(8);

   Stmt main =
      seq
         test.inp(count);
         repeat(40) noAction;
      endseq;

      mkAutoFSM(main);
  
endmodule

実行結果を示します。test1の次にtest2が呼び出され、ループが8回回ったことを示しています。

 20 fsm1.start
 30 1-1
 90 1-2
100 fsm2.start
110 2-1
130 2-loop-0
150 2-loop-1
170 2-loop-2
190 2-loop-3
210 2-loop-4
230 2-loop-5
250 2-loop-6
270 2-loop-7
290 2-2

---

前のブログ 次のブログ

実行結果

以下に実行結果を示します。

senderFSM    20 FSM started
receiverFSM  20 receiver FSM started
senderFSM    30 Enq 10
senderFSM    40 Enq 20
receiverFSM     40 FIFO popped data 10
senderFSM    50 Enq 30
receiverFSM  70 FIFO popped data 20
receiverFSM  100 FIFO popped data 30

10nsずつ見ていきます。最初の10nsはリセット期間なので、20nsからFSM動作を開始します。

senderFSM    20 FSM started
receiverFSM  20 receiver FSM started

同時にセンダーFSMとレシーバーFSMが動作を開始しました。

senderFSM    30 Enq 10

センダーFSMがデータ10をエンキューしました。FIFOには1段のデータがあるはずです。

senderFSM    40 Enq 20
receiverFSM  40 FIFO popped data 10

レシーバーFSMが10をデキューすると同時にセンダーFSMがデータ20をエンキューしました。FIFOには差し引き1段のデータがあるはずです。

senderFSM    50 Enq 30

センダーFSMのレイテンシは1サイクル10nsなので次々に(FIFO FULLにならない限り)エンキューします。これが最後のデータです。FIFOには2段のデータがあるはずです。

receiverFSM  70 FIFO popped data 20

レシーバーFSMのレイテンシは3サイクル30nsなので、70nsにならないと次データの20がデキューできません。FIFOには1段のデータがあるはずです。

receiverFSM  100 FIFO popped data 30

レイテンシである3サイクル後にレシーバーFSMがデキューしました。FIFOには0段のデータがあるはずです。つまりFIFOは空になったはずです。

波形で見たほうが判りやすいです。エンキュー動作(オレンジの信号)はFIFOがフルでない限り1サイクルで行われるのに対してデキュー動作(ブルーの信号)は3サイクル毎に実行されています。

図252.1 センダーFSMとレシーバーFSM

以上はデータを3つエンキューした場合ですが、ここで4つ目をエンキューすると動作が異なります。図252.2に示すように、3つまではレイテンシ1でエンキューできていましたが、3つめでFIFO FULLとなり、その後はレシーバーFSMのレイテンシが見えてきます。つまりエンキュー動作もレイテンシが3となります。

図252.2 センダーFSMとレシーバーFSM 図252.1でもFIFOがFULLになっているのですが、その時にエンキューが無いのでレシーバー側のレイテンシが見えませんでした。図252.2ではFIFOがFULL状態でエンキューしようとして待たされています。FIFOは2段だということが分かります。

実は、FIFO段数もコントロール可能であり、任意の段数のFIFOを作成するにはmkSizedFIFOFを使用します。

      FIFOF#(Bit#(8)) fifo <- mkSizedFIFOF(2);

mkSizedFIFOFの引数サイズを2とすると、上記と同じ動作を行います。サイズを1にすると、デキューするまでエンキューが待たされる、図252.3のような動作となります。

図252.3 　FIFOが1段の場合の動作 bscは良くできていて、FIFOフルの場合等、FIFO がデータを受け取れない場合には自動的にエンキュー動作が抑止されます。普通ならFULLで無い条件でエンキュー動作を行う記述を書かなければいけませんが、その必要がありません。これは自動ハンドシェーク機能と呼ばれます。

---

前のブログ 次のブログ