Preservacin de maquinas recreativas: Emuladores

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Preservación de maquinas recreativas Emuladores
Qué es un emulador? Qué son las ROMs? Cómo
funciona un emulador?
Autor
Miguel Ángel Horna (ElSemi) Zaragoza, 26 de Mayo
de 2009
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Emuladores

• Ejecutar el programa original sobre hardware
  diferente.
• Para ello, simular el funcionamiento del Hardware
  por Software.
• Pero existe multitud de hardware actual (y
  futuro) donde queremos que funcione.
  Portabilidad.
• Proyecto KEEP (Keeping Emulation Environments
  Portable) http//www.keep-project.eu

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Emuladores

• Preservar los sistemas antiguos (y los juegos)
• Datos en ordenadores o soportes que los sistemas
  actuales no pueden leer.
• El resurgir de los juegos clásicos
• XBOX Live Arcade
• PlayStation Network
• Nintendo Virtual Console
• Classic Collections
• Ahora las empresas de videojuegos buscan
  emuladores

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Emuladores

• Nebula CPS1, CPS2, NeoGeo, PGM, Konami
• Model2 Emulator Sega Model 2 (original y revs
  A,B y C)
• CPS3 Emulator Capcom CPS3 (CPX3 versión para
  XBOX)
• Crystal System Emulator BrezzaSoft Crystal
  System
• Chankast Emulador de Dreamcast (Sonido y Maple
  bus), Naomi (preliminar)
• MAME
• Colaboración en CPS2,Neogeo, Model 1, Konami
  (Protecciones)
• Drivers para PGM, Crystal System
• Cores para DSPs y CPU de Model 2
• Sonido para Saturn/Model2 (SCSP) y
  Dreamcast/Naomi (AICA)

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Qué hay dentro de una máquina?

• Monitor, Amplificador, Fuente de alimentación,
  controles
• Cableado Sonido, video, controles
• Maquinas antiguas Conexiones específicas para
  cada juego
• Maquinas recientes (90s) Estándar JAMMA (sonido
  mono, solo entradas digitales, 2 players, 4
  botones)
• (Más recientes JVS (JAMMA2) pocas máquinas)
• Máquinas dedicadas
• Placa (o placas) de juego

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Placas de juego

• Standalone. Un juego por placa
• Cambiar el juegoCambiar la placa.
• Hardware diferente para cada juegoCódigo
  diferente en el emulador.
• Mucho trabajo1 juego.
• Sistemas. Una placa Base placa(s) con el
  juego
• El mismo hardware, solo cambian las ROMsEl
  emulador solo tiene que cargar las roms
  apropiadas, el resto del código es igual.
• Mucho trabajomuchos juegos (o no, CPS3 6 juegos,
  Crystal System 3 juegos)

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Placas de juego

• Sistemas de juegos
• Cartuchos
• SNK (NeoGeo)
• IGS (PolyGameMaster)
• Rom Board
• Capcom (CPS1,CPS2)
• SEGA (System16,System32,Model2,Model3,)
• Namco
• Disco
• Capcom (CPS3)
• SEGA (Naomi GDRom)
• Standalone
• Konami (Diseño modular. En MAME librería de
  componentes básicos)
• Mucha info en www.system16.com. Mantenido por
  MAMEDevs, información correcta.

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Placas de juego
Capcom CPS3
IGS PolyGameMaster
SNK NeoGeo
Capcom CPS2
Sega Model2 A-CRX
Konami Mystic Warrior
Crystal System
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ROMs
Cartucho CPS3 (BIOS)
Virtua Fighter 2 (Model 2)
KOF 2003 (Neogeo PCB)
Cartucho PGM
KOF 99 (Neogeo Cartucho)
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ROMs

• Pasar el código almacenado en las ROMS a un
  archivo
• Se usan programadores/lectores de ROMs
• Chips DIP fáciles. Programadores baratos.
• Chips SMD desoldar adaptadores caros que lo
  hagan los que saben (MAMEDev, The Dumping Project)

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Estructura

• Frontend (MAME OSD)
• Dependiente del sistema operativo, facilita la
  portabilidad.
• Cargar las ROMs a memoria.
• Acceso a video y sonido.
• Leer controles
• Librería de dispositivos (MAME Core)
• Procesadores
• Chips de sonido
• Chips de video
• Emulación de máquinas/sistemas (MAME/MESS
  Drivers)
• Instanciar dispositivos de la librería
• Asociar mapas de memoria al emulador del
  procesador
• Conectar chips de la librería (sonido, gráficos)
  al procesador
• Implementar e interconectar los chips específicos
  al sistema.
• Ejecución de procesadores (timeslice)

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Procesador

• Identificar el procesador (o procesadores) de la
  placa.
• Conocimiento del lenguaje máquina del procesador.
• Desensamblado de ROMs de programa (DataRescue
  IDA)
• MAME core Decenas de emulaciones de procesadores
  testeadas y funcionales.
• Sistemas de juegos años 90, lo normal 68000Z80
• Decenas de emuladores de 68k y Z80.

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Procesador

• Ejecutar el programa original (Z80, 68k) sobre un
  procesador diferente (x86, PowerPC).
• Emulación aproximadamente un 10 de la velocidad
  original Emular 10Mhz requiere 100Mhz.
• El núcleo del emulador (core). Debe funcionar
  100 igual que el original (incluyendo errores).
• MAME core Decenas de emulaciones de procesadores
  testeadas y funcionales.
• Sistemas de juegos años 90, lo normal 68000Z80
• Decenas de emuladores de 68000 y Z80 libres. Gran
  cantidad de documentación para hacerlos

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Procesador

• A veces no existe un core ya hecho para el
  procesador.
• Escribirlo usando los manuales de programación y
  hardware. Problemas
• Puede que ya no estén disponibles para descarga.
  Internet Archive (Manuales de HW Video Model 3)
• Prototipos o procesadores clasificados.
  Ingeniería Inversa (TGP de model 2/2A)
• En japonés (TGPx4 de model 2C)
• Debe funcionar exactamente igual que el original.
  Pequeños errores causan fallos difíciles de
  encontrar.

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Procesador

• Registros -gt Struct
• Memoria -gt Array
• El emulador lee una instrucción y ejecuta las
  acciones sobre registros y memoria.
• L/E a memoria (mapa de memoria)
• ROM Devuelve de un array con el contenido leído
  de las ROMs
• RAM Lee/Escribe a array de datos.
• Dispositivos Ejecuta función del emulador.
  Parámetros Dirección a leer/escribir y valor a
  escribir (o devuelve valor leído).
• Interrupciones. Prioridad, colas,
• Optimización Generadores de código, Threaded
  code, Recompilación dinámica

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Procesador

• Verificación en el Hardware Correr código en la
  placa y comparar

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Mapa de memoria

• Que hay en cada rango de memoria?
• RAM, ROM
• Registros de vídeo, RAM de vídeo, tilemaps,
  sprites, display lists
• Registros de sonido
• Puertos de E/S (Controles)
• Protección
• Test de memoria del menú de servicio, da pistas
  sobre qué hay en cada área (a veces).

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Gráficos

• Hardware sistemas 2D
• Framebuffers
• Tilemaps Sprites
• Framebuffers
• Dibujar toda la pantalla cada frame pixel a pixel
• Procesadores lentosHaría falta un procesador
  dedicado a dibujar (existen sistemas así).
• Blitters (DMAs de ROM/RAM a Framebuffer con
  efectos)

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Gráficos Tilemaps

• Dibujado por hardware, 0 de CPU.
• Mosaico de NxN piezas de MxM Pixels.
• Piezas (Tiles) en ROM o RAM.
• Área de memoria con las casillas.
• Cada casilla, índice a tile paleta de color.
• Gráficos limitados a los tiles existentes.
• Mosaico mas grande que la pantalla. Scroll H/V
  cambiando un registro. Movimiento gratis para
  la CPU.
• Dos forma de emularlo
• Dibujar al framebuffer todo el tilemap cada
  frame.
• Carga en textura y usar D3D para scroll, y
  mezcla. También gratis para el emulador.

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Gráficos Tilemaps

• Características avanzadas
• Transparencia
• Prioridad mezclada con los sprites
• Linescroll, Columnscroll
• ROZ
• Modificaciones por interrupciones raster

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Gráficos Sprites

• Display List Lista de índices en RAM o ROM
  Paleta posición.
• Cada sprite, uno o mas tiles.
• Prioridad, intercalación entre tilemaps.
• Para emularlo, recorrer la display list y dibujar
  tiles al framebuffer.
• También precargar como texturas y dibujar quads,
  (sobre sistemas con 3D potente pero poco
  procesador (PSP))

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Gráficos

• CPS1/CPS2 3 Tilemaps (32x32,16x16,8x8 orden
  programable) Sprites
• NeoGeo 1 Tilemap (8x8, fijo) Sprites
• PGM 2 Tilemaps (8x8,16x16 orden fijo) Sprites
• Crystal System Blitter
• Model2 2 Tilemaps (8x8 orden programable) 3D.

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Gráficos

• Almacenamiento en ROM, una pesadilla.
• Adivinar buscando gráficos conocidos (letras,
  números)
• Cada fabricante su sistema
• CPS1/2 Bit interleaved en 4 roms. 1 bit de cada
  rompixel de 4bpp.
• NeoGeo Byte interleaved en 2 roms. Bloques de 4
  bytes, 1 bit de cada byte en el bloque4bpp
• PGM rom máscaras de pixels visibles rom de
  colores (solo los visibles) empaquetados a 5bpp
  6 pixels en 32 bits (2 no usados)
• CPS3 Tablas de sustitución de patrones de 2
  bytes compresión RLE. Fue un milagro.

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Gráficos
Tilemap Texto (mascara)
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Gráficos
Tilemap Texto (Color)
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Gráficos
Tilemaps Scroll
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Gráficos
Final
Sprites (Posición)
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Gráficos
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Gráficos 3D

• Display lists
• DSPs para leer la display list y hacer TL de
  polígonos.
• Dos opciones
• Emular el DSP. Mas precisa pero mas lenta MAME.
• Estudiar el código del DSP y reescribirlo en el
  emulador optimizado (Model2 Emulator).
• Rasterización
• Software render Pixel accurate, más lento MAME
• Direct3D Menos preciso. Más rápido, aprovecha
  tarjetas 3D. Model2 Emulator.

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Gráficos 3D

• Evolución de la emulación de 3D del emulador de
  Model2

Geometría
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Gráficos 3D
Color
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Gráficos 3D
Texturas
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Sonido

• Componentes discretos
• Osciladores, filtros, electrónica
• Librería de simulación de redes electrónicas
  (MAME)
• FM (Frequency Modulation)
• Chips Yamaha.
• Sonido electrónico.
• Interconexiones programables de generadores de
  ondas y moduladores.
• MAME librería completa de chips Yamaha (menos
  mal).
• Sample mixers
• Diseño propio
• Sonido digitalizado
• Varios canales, bucles, frecuencia variable.
• Normalmente un procesador aparte dedicado a sonido

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Sonido Sample mixers

• Cargar ROM de sonido en programa de edición de
  audio.
• Pruebas con diferentes configuraciones de
  canales, frecuencia, bits, endianness.
• PCM,u-Law,a-Law, ADPCM. (Aun no había MP3)
• Buscar un sample reconocible (meter moneda,
  start, sound test en el menú de servicio)
• Parar el emulador en el punto del juego donde se
  genera.
• Buscar relación registros de sonido con
  dirección, frecuencia, etc del sample encontrado.

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Protección

• Dongles (Mochila)
• SEGA (System32, Model2, Model3). Infrautilizada,
  fácil de emular.
• Encriptación
• Capcom (CPS2,CPS3), IGS (PGM), SNK (Neogeo),
  Gaelco
• Buscar puntos débiles para extraer los datos
  desencriptados (BIOS).
• Coprocesadores
• IGS (PGM), Konami, Gaelco
• Adivinar el funcionamiento a partir de los
  parámetros.
• Si es programable, obtener el programa (tablas
  sin bounds check, decapping).

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Protección

• Extraer los datos no es fácil
• Datos a pantalla Fotografía Teclear a mano
  (Martial Masters 4KB a mano).
• Conexión Placa lt-gt PC (JammaLink, JVSLink )
• Decapping microfotografía

Extracción de programa de protección Martial
Masters
Cable de conexión JAMMA lt-gt Puerto Paralelo de PC
Microfotografía de ROM de MCU de sonido de Namco
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Cuando todo funciona

• Emular características poco usadas del hardware o
  que tengan pequeños fallos.
• Optimización
• Profiling encontrar las funciones críticas
• Optimización a ensamblador (MMX).No portable.
• Multiprocesador.
• Otras características del emulador
• Filtros gráficos
• Savestates (a veces es bueno tenerlos antes)
• Netplay
• Trucos (Cheats)

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MAME

• MAMEDev
• Decenas de programadores de todo el mundo.
• Un responsable del proyecto
• FTP con roms, manuales, documentos, datasheets
• Mailing list, IRC (no oficial)
• Repositorio SVN para el código
• Estructura
• OSD Frontend y partes de acceso a video y
  sonido.
• Core Librerías de dispositivos comunes (CPUs,
  chips de sonido, EEPROMs,)
• Drivers instanciación de dispositivos mapa de
  memoria emulación de video (también sonido si
  es específica al HW)