Dreamcast架构

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简介

世嘉 Dreamcast 与前代产品（Saturn，译注：即世嘉土星）相比推出了许多新功能，以吸引游戏开发商和游戏机玩家。 Dreamcast是世嘉最后一次尝试征服游戏主机市场，上面首创的一些技术延续了下来，并被未来的主流设备所采用。

中央处理器 (CPU)

日立公司的开发一切顺利，其标志性的SuperH系列芯片已经获得了多个客户，现在公司已经准备好推出该系列的第四代产品。 他们的新产品将嵌入式功能与3D游戏的功能相结合。

世嘉作为SuperH的早期采用者之一，所以他们选择日立的新芯片来为自家的新游戏机提供动力，一点也不让人意外。 因此，Dreamcast搭载了一个以高达200 MHz^[1] 运行的SH-4 CPU。 此外，这次为了让事情变得顺畅（译注：上一代土星是多cpu，带来了开发中的很大麻烦），将只采用一个更加齐备的CPU。

产品

话虽如此，这款新处理器有什么有趣的地方呢？

好的，首先来说，SH-4作为先前型号的超集，意味着它继承了SuperH系列的所有现有特性，包括32位RISC架构、五级流水线和16位指令集。 不过它也继承了控制危害。

最重要的是，作为下一代CPU，它首次推出了许多超出嵌入式应用程序范围的改进^[2]：

• 2路超标量流水线：一种新颖的并行技术，其中CPU可以在流水线的每个阶段处理多个指令（在本例中为两个）。 这使得每秒可以执行更多指令。
  • 在幕后，CPU将两条指令分发到两个不同的（可用的）执行单元。 因此，除了一个非常小的组之外，所有指令都必须具有不同的类型（即分支、算术等）才能并行化^[3]。 否则，它们只能按顺序执行。 不管怎样，SH-4还展示了一个永远无法并行化的指令子集，因为它们包含太多依赖项而无法使其可并行。
• 8 KB指令高速缓存和16 KB数据高速缓存：这个比例相当奇怪，因为游戏机往往包含比数据高速缓存更多的指令高速缓存。 不过，SH-4允许将数据高速缓存分成两个部分：8 KB的Scratchpad（快速RAM）和8 KB的数据高速缓存。

特别工作

游戏机CPU的常见杂务包括处理游戏逻辑、运行敌方AI以及为GPU提供绘图任务。

您可以看到Dreamcast的GPU仅涵盖光栅化器的任务。 因此，CPU必须参与大多数图形管道。 这意味着CPU将处理大量几何数据（例如计算透视变换）。 现在，为了确保CPU能够承担这一角色，世嘉和日立合作将两个关键的附加功能整合到SH-4中。

第一个添加是专用的64位浮点单元（FPU）。 该组件计算符合IEEE-754标准的32位小数（所谓的“单精度”或“浮点数”）或64位小数（“双精度”或“双精度”类型）。 它的寄存器文件由32个32位寄存器组成，但它们也可以组合成不同的一组16个64位寄存器，这就是该单元能够双倍运行的原因。

如果这还不够，日立在FPU上向前迈进了一步，并采用了额外由八个128位寄存器组成的逻辑来形成另一个寄存器组。 在这其中，每个寄存器现在存储四个32位浮点数，或者换句话说，128位向量。 这种格式最适配图形化处理的相关操作。

为了充分利用新的向量，FPU包括乐操作它们的专门指令，当然也很像土星控制单元提供的那样，只不过行业现在更加标准化了。 这些新指令构成通常称为单指令多数据（SIMD），并且可以执行以下代数运算：

• 点积。
• 平方和。
• 矩阵乘法。

第二个添加是SH-4的外部总线，它现在是64位宽，使CPU能够同时传输32位键值对。 这是另一个改进用以增加这个CPU的整体性能。

内存和访问

Dreamcast包含16 MB的SDRAM，它使用100 MHz总线（CPU速度的一半）直接连接到CPU。

相对的，内存的数据总线只有32位宽^[4]。 这是否意味着CPU闪亮的64位总线被浪费了？ 并不是，因为RAM是使用两个8 MB存储体安装的。 因此，每个芯片都连接到CPU的一半总线。

为了访问这个内存，CPU包括一个专用的内存管理单元或“MMU”用于虚拟寻址，这是很有效的，因为这个CPU的物理内存地址空间恰好是29位宽。 此外，由于结合了四个地址变换高速缓存（TLB），程序员可以使用32位地址而不会受到性能损失。

现在，由于寻址只需要29位，额外的三位分别控制内存保护、交替内存映射和绕过缓存[^[5]]^[6]。

最终，由程序员决定是否使用这些功能。 这个系统的游戏确实不需要内存保护，并且MMU（内存管理单元）必须在启动时手动启用。

没有UMA，但是…

虽然该系统不像其他知名竞争对手那样围绕严格的统一内存架构（UMA）设计，但它确实将I/O访问委托给GPU。 这意味着，如果CPU必须获取超出其专用RAM或串行接口（已连接）的任何内容，它将不得不请求GPU并在必要时等待。

该CPU还具有称为并行I/O或“PIO”的独特功能，用于同时操作多个I/O位置。 世嘉连接了这些引脚，以便CPU可以操作GPU的视频模式（更多详细信息将在本文“图形”部分中解释）。

终局

即便在描述了所有这些优点之后，恐怕SuperH系列在其最后一位主要用户Dreamcast离开市场后，并没有取得显著的进步。 SH-4普及后，日立（或瑞萨电子，目前的所有者）无法复制同样的成功水准，考虑到嵌入式/手持设备市场此后一直青睐ARM（多亏了StrongARM），我认为瑞萨不会很快在任意近期继续日立的发明。

然而，对于计算这件事的好处是，技术进步往往会超越品牌和公司的界限。 例如，SH的压缩指令技术延续了ARM的Thumb mode（辅助16位ISA）^[7]。 此外，在2012年，一个志愿者驱动的项目开始生产与SuperH兼容的现代CPU，称为“J2”^[8]。

图形

GPU封装是一个名为Holly的定制芯片，运行频率为100 MHz。 与以前的内部设计不同，世嘉现在与VideoLogic（现称为Imagination Technologies）合作，由他们提供具有竞争力的3D加速器。

在Holly内部，我们可以找到VideoLogic的独家图形电路，称为PowerVR2（也称为“PowerVR Series2”和“CLX2”），它基于他们之前的PowerVR GPU，但是是专为Dreamcast量身定制的。

架构

VideoLogic选择了一种替代方法来构建他们的3D引擎，称为基于图块的延迟渲染（TBDR）。

TBDR不是一次渲染整个帧（如传统的即时模式渲染器或’IMR’做^[9]），而是将渲染区域划分为称为“图块”的多个部分。 然后，它对每个图块单独执行渲染过程，并将结果组合起来形成最终帧^[10]。

这种创新的设计带来了一些有趣的优势：

• 它可以大大进行并行化，从而显着降低带宽和功耗。
• 它通过自动从前到后对多边形进行排序，然后在管道的第一阶段执行z轴测试，从而实现了对可见性问题的巧妙解决方案。 这些任务的组合不仅解决了原来的问题，而且可以防止多次绘制（隐藏多边形的光栅化），毕竟重绘将会浪费资源并降低性能。

毫不奇怪，Imagination将这项高效技术向前推进，构建了4系列的PowerVR内核，为数量惊人的设备提供动力，包括第一代iPhone、iPhone3G、诺基亚N95和戴尔的Axim x51。

构建

让我们来看看Dreamcast的GPU的两个主要组件^[11]：

图块加速器

在渲染过程开始之前，称为图块加速器的组件执行预处理。 它首先分配了几个32x32的图块容器，几何图形将会被渲染到这些容器中。

然后，图块加速器将：

1. 获取CPU发出的几何数据和绘图命令（使用DMA或传统传输）。
2. 将此数据转换为内部格式。
3. 根据其坐标将几何分布到每个容器。 被裁剪的几何图形也会被丢弃。
4. 生成生成的显示列表。

然后由3D引擎解释这些显示列表：PowerVR2。

PowerVR2 核心

在这里图形被赋予了生命，从TA（译注：纹理地址单元/Texture Address Unit）接收到的显示列表告诉核心使用内部帧缓冲区 来渲染单个图块的几何图形。 过程如下：

1. 图像合成处理器或“ISP”获取基元（三角形或四边形）并执行隐藏表面去除以去除看不见的多边形。 然后，在计算其Z轴缓冲区和模板缓冲区后，数据通过深度测试以避免渲染会出现在其他多边形后面的多边形，如果它们位于2D多边形后面则不可见的几何图形（也称为遮罩），就会通过模板测试以剔除。
   • 请注意这些测试是如何在管道开始时有效执行的。 与之相对的，以前的主机 使用懒加载z轴缓冲在管道末端丢弃几何形状。 ISP可以防止处理最终将被丢弃的几何图形^[12]，从而节省资源。
2. 纹理和阴影处理器或“TSP”在图块区域上应用着色、阴影和多种效果。
   • 在导出图块之前不会应用纹理，这意味着出现的重绘（如果有）不会降低填充率。

这些操作完成后，渲染好的图块被写入VRAM中的主帧缓冲区。 这一过程将一直重复直到所有图块都得到处理为止。 一旦完成，生成的帧缓冲区由视频编码器拾取并通过视频信号发送。

全景

除了明显的架构差异之外，纹理和着色处理器还具有许多功能，可以让人们了解这台游戏机与旧的土星差距多大。 以下是一些值得注意的例子：

• Alpha混合：组合重叠图层的颜色以实现透明效果。
  • 在这个系统中所使用的实现透明度的方法被称为顺序无关透明度 该算法在混合颜色之前自动对图元进行排序，虽然这减慢了渲染过程，但避免了依赖游戏本身手动进行的所有排序。 也因为如此，Dreamcast游戏擅长显示透明对象。
  • 结合基于图块的系统，顺序独立透明度完全解决了以前的显示灾难。
• Mip-Map：根据所需的详细级别自动选择纹理的缩小版本。 这样做是为了防止处理远离相机的大纹理（这将浪费处理能力并产生锯齿现象）。
• 环境映射：对纹理应用反射。
• 双线性、三线性和各向异性过滤：这些是用于平滑纹理和防止像素化的不同算法。 它们按“最差”到“最佳”排序，其中每一个的结果质量与所需的计算量成正比。
  • 这是从土星以来一个巨大的进步，因为前者没有提供任何纹理过滤器！
• 凹凸映射：在不额外消耗多边形的情况下模拟表面缺陷。

获取细节

Holly现在可以绘制比其前代多10倍的多边形，这里有一个之前和之后示例，展示了模型设计如何不再受限制。 试着调整他们！

“现代版本”中可用的互动模型

“现代版本”中可用的互动模型

视频模式

视频系统被设计为支持多种类型的屏幕和格式，因此视频编码器输出到一个统一形状的插口，该插口支持以下类型的信号：

• 复合视频接口（译注：就是AV线）：将显示视频所需的三个信号（色度、亮度和同步）组合成一个信号，只需要一根单针电缆。
  • 这是用于旧的PAL和NTSC电视与RCA连接。
• S-Video：结合亮度和同步，同时保持色度分离（总共两条视频线）。
• RGB：发送单独的红-绿-蓝信号并提供不同的同步类型可供选择（复合同步或从视频合成或S-Video中提取）。
  • SCART电缆将使用这种类型。
• VGA：将RGB与两个同步信号（水平和垂直）相结合，总共徐亚五条视频线。 这使得能够在逐行模式下显示尽可能高的分辨率（720x480），因此这种模式通常被称为‘480p’。 VGA在当时实际上已经成为计算机显示器使用的标准格式/介质一段时间了。
  • 为了使用这种类型，世嘉提供了一个VGA适配器作为额外的配件。

Dreamcast 无法同时对所有这些信号进行编码，因此 GPU 和音频处理器包含了一个名为 图像模式 的寄存器，用于协调哪些视频/音频总线会被激活以生成所需的信号。 CPU检测插入的电缆类型（通过检查视频连接器的哪些“选择位”处于活动状态）并将所需值写入GPU。 最后，这些值被转发到音频处理器。

由于VGA严格来说是一种逐行信号（与传统的隔行扫描相反），因此仅为隔行扫描视频设计的游戏会出现一些兼容性问题。 这些游戏会在其代码中明确声明不会在VGA上显示，这将让CPU阻止游戏执行，直到用户将VGA电缆换成另一种类型。

音频

音频功能由雅马哈制造的名为AICA的定制芯片处理，它是土星中使用的SCSP的改进版本，由四个组件组成：

• 声音集成电路或“IC”：一组模块（合成器、DSP和混音器），用于生成音频信号并对其施加效果。 它支持多达64个PCM通道，分辨率为16或8位，采样率为44.1 kHz。 总的来说，这是播放音频的最佳质量。
  • 此外，它还包括一个ADPCM解码器，用以减轻CPU的部分工作负担。
  • 奇怪的是，它还提供了两个MIDI引脚来连接MIDI乐器，尽管这是在开发过程中使用的。
• 2 MB的SDRAM：存储声音数据和程序。 它由主CPU使用DMA填充。
• 运行频率为~2.82 MHz的ARM7DI：控制声音IC。 该CPU通过启动存储在SRAM中的小型软件（称为驱动程序）进行编程，该软件解释音频数据并相应地操作声音IC。
  • 如果您想知道的话，在Game Boy Advance中也可以找到类似但更强大的CPU。
• 内存控制器：接口连接2 MB的SDRAM。

为了帮助开发，官方SDK包含多个满足不同需求（排序、解码等）的声音驱动程序。

进化

自从Mega Drive/Genesis（译注：日版和美版MD）问世以来，我们已经走了这么远，为了展示声音合成取得了很大的进步。这里有两个游戏的例子，一个是Mega Drive，另一个是Dreamcast，它们使用了相同的作品：

如果您想在播放乐谱时在两者之间切换，也可以尝试此小部件：

补充说明

索尼克大冒险的作曲家并没有对FM芯片进行编程，而是在内部制作了他们的配乐，然后将其编码为“ADX”，这是一种由CRI中间件开发的有损格式。 因此，它只使用64个PCM通道（立体声）中的两个。

ADX压缩使游戏能够解码并将数据从GD-ROM流式传输到声卡IC，而不会运行内存溢出或带宽。 此外，也可以通过多种方式实现相应的驱动程序，因为有多种方法可以平衡主CPU和ARM7的工作负载。

保持活动状态

不知何故，该芯片还负责为BIOS提供实时时钟（RTC），它还连接到时钟电池以在没有交流电源的情况下继续工作。

操作系统

有2 MB的“系统ROM”存储BIOS。 这是CPU在启动时读取的第一个位置。 ROM中包含的代码指示CPU要么启动游戏，要么显示交互界面。

此外，BIOS还包含游戏可用于简化I/O功能的例程^[13]，例如从GD-ROM驱动器读取数据。

交互界面

就像世嘉土星一样，如果没有插入有效的游戏光盘，游戏机将启动一个可视交互界面。

界面包含一个简单的图形用户交互界面，使用户能够执行基本但必要的任务，例如：

• 开始游戏，如果它并没有在执行。
• 操作存储在VMU中的保存数据（稍后会解释有关此设备的更多详细信息）。
• 如果插入了音频CD，则播放音乐。
• 更改某些设置，如日期、时间、声音等。

Windows CE

自从Dreamcast宣布之后，就被传成该游戏机是运行Windows CE的。 事实上，您只需查看游戏机的A面即可注意到Microsoft的logo…… 这是怎么回事？

首先，Windows CE到底是什么？ 这只是微软在90年代中期开始的众多项目之一，旨在征服传统个人电脑市场之外的领域。 随着比x86更高效的中央处理器架构和手持设备的出现，微软的一个新团队负责将Windows生态系统引入这些新设备^[14]。

这导致了Windows CE的诞生：一个完整的操作系统，从头开始开发，同时还提供了现有Windows API、开发工具和服务的子集。

与Windows 95或NT不同，新系统具有以下优点：

• 它运行在各种CPU架构^[15] 上，包括SuperH甚至NEC/MIPS VR4300（任天堂64使用）。
• 它的设计考虑了受限的硬件，例如有限的电源（AA电池）、内存（2 MB RAM）和存储（4 MB ROM）。

此外，Windows CE作为一组构建块出售给制造商，允许他们挑选要捆绑的组件。 然后，制造商可以将其集成到各种硬件中（例如手持设备、零售点终端甚至汽车系统里）。 不管怎样，Windows CE作为掌上电脑（PDA的前身）的操作系统获得了重要的关注，有效地与Apple Newton和Palm竞争。

随着90年代后期手机行业的蓬勃发展，微软利用Windows CE的模块化构建了PocketPC，这是另一个完全专注于PDA和手机的操作系统（后来称为“Windows Mobile”）。

那么，所有这些和Dreamcast有什么关系呢？ 在那阶段的某个时候，微软和世嘉提出了为Dreamcast^[16] 制作Windows CE包的想法。 毕竟，Windows CE已经运行在日立的CPU之上。 最后，这并没有在完整的桌面界面或与微软在线服务的集成中实现。 与之替代的是，它是作为充当可选抽象层以简化硬件操作而存在的。

与任天堂提供的Nintendo 64类似，微软发布了一个基于Windows CE的SDK（通常称为Dragon SDK），用于为世嘉Dreamcast编写应用程序。 这些库包括CE的一个子集，其中包含辅助图形、音频和调试所需的最少组件。 作为“加入微软俱乐部”的一部分，开发人员现在可以利用微软的明星IDE（Visual Studio 6.0）和VisualC++6.0进行开发。

一些开发人员发现这个选项非常有吸引力。 由于CE中包含的音频/图形框架正是DirectX 6，因此理论上，大量PC游戏可以轻松移植到Dreamcast。 然而，Dreamcast和传统PC之间的架构差异太大，不容忽视。 因此最终，程序员必须经过大量优化才能达到最佳性能^[17]。 此外，由于Dreamcast的BIOS没有捆绑任何Microsoft的框架，因此SDK必须静态链接到游戏。 因此，与世嘉接近硬件级别的库相比，Dragon SDK增加了游戏的加载时间（毕竟，必须从游戏光盘上加载一个单独的操作系统层），并且在整个游戏运行过程中，Windows CE层消耗了大量的资源。

总之，“Windows CE for Dreamcast”只是开发人员选择的辅助SDK。 尽管如此，相当多的Dreamcast游戏最终还是利用了它。

顺便说下，如果你对Windows CE和Windows Mobile的命运感到好奇，那么可以告诉你，微软在手持设备市场的情况并不特别好。 Windows CE于2013年被放弃。 而在前一年，Windows Mobile基于CE的核心也被Windows NT取代（与基于桌面的Windows 8保持一致）。 尽管如此，Windows Mobile最终宣告了对新平台（安卓和iOS）的败北宣言，并于2019年停产。

I/O

GPU还包括另一个用于处理大部分I/O的模块，称为系统总线。 它提供以下接口：

• G1接口：可以访问BIOS ROM及其保存的配置和GD-ROM内容。
• G2接口：提供对调制解调器和声音控制器的访问。
• Maple接口：在控制器（以及连接到它们的附件）和CPU之间传输数据块。 它是一个串行总线并提供专用的DMA。
• SH-4接口：连接主CPU以进行通用通信。
• DDT接口：控制CPU总线以在DMA传输期间访问其主存储器。
• PVR接口：使用专用DMA将CPU与图块加速器连接起来。

游戏

开发主要用C或C++开发完成。 起初，C是最被推荐的选择，因为可用的C++编译器最初在功能（和质量）上非常有限。

世嘉还提供了开发硬件，形式类似于一台PC塔式机，被称为Sega Katana 开发盒（译注：当年妖刀katana也是DC的开发代号）。 这包含用于开发的增强I/O的Dreamcast硬件。 它还附带一张CD，其中包含要安装在Windows 98 PC上的官方Katana SDK。

如前所述，开发人员还可以选择在Sega之上采用Microsoft的Dragon SDK。 在这种情况下，DirectX 6.0和VisualC++6.0也可以用。

存储介质

游戏存储在GD-ROM中，它们只是具有更高坑密度（达到千兆字节容量）的CD-ROM。 速度是12倍速，与土星的2倍速光驱相比，这至少不算太寒酸。

在线平台

Dreamcast附带安装了调制解调器模块，游戏可以使用该模块“拨号联网”在线游戏的拨号服务。 世嘉提供了两项服务：世嘉网（在美国和日本使用）和梦幻竞技场（欧洲同行）。

玩家使用DreamKey注册服务，这是与一些游戏捆绑在一起的额外光盘。 DreamKey提供了一个网络浏览器来注册一个帐户。 最初，DreamKey是根据地区预设的服务，但后来的修订允许用户更改其ISP设置以连接到其中任何一个。

还有一个Dreamcast品牌的键盘和鼠标可供购买，方便喜欢用PC风格上网的用户。

不幸的是，世嘉网和梦想竞技场在推出两年后就停止服务了。 因此，完全依赖它们的游戏变得无法使用，除非使用额外的工具（如DreamPi，一种在用户社区维护的服务器的帮助下复制它们的树莓派映像）来模拟这些服务。

交互式存储卡

Dreamcast的另一个创新功能是视觉记忆单元或称之为“VMU”。 它连接到控制器上，并且除了作为记忆卡之外，还是一个完全功能的设备，包括^[18]：

• ASanyo LC86K87：8位低功耗CPU。
• 具有四个附加图标的32x48单色LCD：使用196 BXRAM（外部RAM）作为帧缓冲区命令。
• 两个串行连接器：一个用于输入，另一个用于输出。
• 六个物理按钮：当VMU与控制器分离时使用。
• A16 KB Mask-ROM：存储BIOS-IPL。
• 64 KB的Flash：32 KB用于存储单个程序（从游戏机传输），另32 KB用于保存Dreamcast的游戏存档。
• RAM的512 B：为系统保留256 B，只留下256 B可用于程序。

VMU有两种操作模式：

• 插在手柄上：官方手柄有两个插槽来连接VMU和其他形状相同的配件，如果VMU插入第一个插槽（从手柄正面可见），它可以在游戏过程中显示图像。 此外，Dreamcast可以在VMU上存储存档和程序。
• 与控制器分离：该小工具变成了带有时钟和保存管理器的类似Tamagotchi（译注：宠物蛋，万代南梦宫出的，俗称拓麻歌子）的设备，并且还可以运行Dreamcast之前传输的任何程序。 两个VMU也可以连接以共享内容。

反盗版&自制

使用专有的GD-ROM格式有助于禁止生产未经授权的游戏副本（并在其他游戏机上运行它们）。 Dreamcast游戏也是区域锁定的，这意味着游戏机将拒绝运行不同区域的游戏。

破解

实际上，由于世嘉留下了一个巨大的后门：MIL-CD，这将导致其反盗版措施完全没用。 音乐互动直播光盘或“MIL-CD”是世嘉创建的一种格式，用于通过互动节目扩展音频光盘… Dreamcast被设计与它兼容^[19]。

最终，未经世嘉批准，未经授权的商业光盘（作弊加载器、电影播放器等）伪装成MIL-CD在游戏机上运行。 后来，不同的黑客社区剖析了这个漏洞，并想出了一个使用CD-ROM启动盗版游戏的变通方法。 这引起了一股势不可挡的ISO网上发布浪潮。

之后出现了一些问题：尽管GD-ROM可以存储1GB的数据，但CD-ROM只能容纳大约700MB，那么“破解者”如何才能将较大的游戏压缩以适应CD呢？ 最终想出了通过重新压缩音乐和图形，直到它缩减到合适的大小。 他们甚至尝试将其分成两张盘来解决这个问题。 毕竟，游戏数据不再是一个单一的整体（像旧式的卡带那样），而是现在被组织成文件和目录的层级结构。

这就是全部了，伙计们。

我希望你喜欢这篇文章。 我在大学最后一年开始时完成了它。

从现在开始我可能会很忙，但是我确实喜欢写这些文章，所以希望你能在几周内收到下一篇文章！

下篇文章见！
Rodrigo