Historie vývoje počítačových her (21.část - herní konzole Sega Master System)

5. 4. 2012

Doba čtení: 23 minut

Líbí se vám článek?
Podpořte redakci

Dnes si popíšeme druhou herní konzoli navrženou a prodávanou společností Sega. Jedná se o známou konzoli nazvanou Sega Master System (SMS), která sice ve své domovské zemi (tj. Japonsku) nedokázala porazit konkurenční NES, ovšem stala se velmi oblíbeným zařízením v Evropě a taktéž v Brazílii.

Obsah

1. Historie vývoje počítačových her (21.část – herní konzole Sega Master System)

2. Rozšíření konzole Sega Master System v různých regionech

3. Základní technické parametry herní konzole Sega Master System

4. Čip VDP: generování obrazu

5. Různé varianty čipu VDC

6. Další vlastnosti čipu VDP

7. Zvuková syntéza s čipem YM2413

8. Rozdíl mezi čipy YM2413 a YM3812

9. Odkazy na Internetu

1. Historie vývoje počítačových her (21.část – herní konzole Sega Master System)

V předchozích dvou částech seriálu o historii vývoje výpočetní techniky [1] [2] jsme si řekli základní informace o osmibitové herní konzoli nazvané Sega Game 1000 (SG-1000), která začala být v polovině osmdesátých let minulého století nabízena japonskou společností Sega Corporation. Víme již, že se tato herní konzole sice po komerční stránce nestala (jemně řečeno :-) jasnou jedničkou na trhu, na druhou stranu se však firma Sega z relativního neúspěchu SG-1000 poučila a využila nově nabyté zkušenosti při vývoji dalších typů herních konzolí. Na osudu SG-1000 se taktéž ukázalo, že na domácím (japonském) trhu se objevil vážný a jen těžko překonatelný konkurent – Nintento Entertainment System/Famicom – který navíc expandoval i do USA a Kanady a v menší míře pak i do (západní) Evropy. Inženýři pracující ve společnosti Sega z tohoto důvodu byli nuceni navrhnout nový typ herní konzole, který by díky výhodnému poměru cena/výkon minimálně srovnal krok s NESem a taktéž s konzolí Atari 7800 (částečně též s Atari 5200).

Obrázek 1: Logo firmy Atari a základní menu herní konzole Atari 5200 (součást firmware).

Bylo zřejmé, že základní čipy použité v původní konzoli SG-1000 nebyly vybrány špatně. Připomeňme si, že se jednalo o mikroprocesor Zilog Z80, grafický řadič Texas Instruments TMS9918 a zvukový generátor Texas Instruments SN76489. Ovšem aby mohla nová herní konzole konkurovat NESu a Atari 7800, bylo nutné alespoň částečně vylepšit grafické i zvukové vlastnosti a především upravit joysticky, které byly v původní SG-1000 velkou slabinou, a to jak po konstrukční stránce, tak i kvůli tomu, že je nebylo možné kvůli chybějícímu konektoru snadno odpojit a popř. vyměnit. Všechny tyto požadavky byly postupně realizovány, poprvé v případě herní konzole SG-1000 II (malé konstrukční úpravy) a posléze v konzoli nazvané Sega Mark III. Z této konzole pak již vede jen poměrně malý krok ke konzoli Sega Master System (SMS), jenž byla vydána již v roce 1985 a díky její oblíbenosti se vyráběla celých jedenáct let (pro evropský trh) a v Brazílii se upravená varianta vyráběla dokonce až do roku 2010.

Obrázek 2: Herní konzole SG-1000 (asijská verze).

2. Rozšíření konzole Sega Master System v různých regionech

Herní konzole Sega Master System (SMS) byla nejdříve vydána v Japonsku. Ovšem právě v této zemi se nepodařilo vyhrát nad konkurenční konzolí NES, což znamenalo, že SMS byla pro japonský trh vyráběna pouze v období let 1985 až 1989. To je z hlediska morální životnosti konzolí poměrně málo. Poněkud větší úspěch měla SMS v USA a Kanadě, kde se sice taktéž nepodařilo dosáhnout vyšších prodejů, než dosáhla konkurenční NES, přesto se však pro tento trh podařilo prodeje udržet až do roku 1992. Zajímavější však byl vývoj v západní Evropě a taktéž v Brazílii. V západní Evropě se prodeje herní konzole Sega Master System udržely až do roku 1996 a zajímavé je, že v roce 1993, tj. za zhruba osm let od data uvedení SMS, se podařilo prodat více než šest milionů kusů (popravdě řečeno se zde údaje poněkud rozchází – někdo píše o šesti milionech prodaných kusů, jiné zdroje uvádí šest milionů používaných konzolí).

Obrázek 3: Druhý konkurent konzole SMS: slavná herní konzole NES.

Jak jsme si však již řekli v předchozí kapitole, dosáhla konzole SMS největší popularity v Brazílii, kde se vyráběla varianta, která byla konstrukčně odlišná jak od původní japonské verze, tak i od verzí určených pro západní Evropu a severní Ameriku. Nicméně i přes některé odlišnosti budou údaje uvedené v následujících kapitolách do značné míry platné pro všechny typy konzolí Sega Master System a většinou i pro Sega Mark III (která se navíc dala rozšířit takovým způsobem, aby měla srovnatelné parametry se SMS; někteří lidé se dokonce s menším či větším úspěchem snažili o upgrade původní SG-1000 na Sega Master System).

Obrázek 4: Třetí konkurent konzole SMS: Atari 7800.

Odkazy na další zdroje informací:

Sega Master System Museum
http://alexkidd.com/
Jadeite's Sega Master System Museum
http://rp_gamer.tripod.com/SMS/1.html
Sega Master System (Wikipedia)
http://en.wikipedia.org/wiki/Sega_Master_System

3. Základní technické parametry herní konzole Sega Master System

Ústředním čipem herní konzole Sega Master System byl, stejně jako v případě SG-1000, osmibitový mikroprocesor Zilog Z80. Tento osvědčený čip dokázal přímo obsluhovat adresový prostor o velikosti 64 kB, tj. 0×0000 až 0×ffff. Tento paměťový prostor byl rozdělen na tři oblasti takovým způsobem, jak je to naznačeno v následující tabulce:

Od	Do	Popis
0×0000	0×bfff	paměť, do níž je adresován paměťový modul se hrou
0×c000	0×dfff	paměť RAM o kapacitě 8 kB
0×e000	0×ffff	zrcadlená paměť RAM (jeden adresový vodič je ignorován)

První oblast, do níž byl adresován paměťový modul, bylo možné použít jako jeden dále nijak nerozdělený adresový prostor o velikosti 48 kilobajtů, ovšem u paměťových modulů o větší kapacitě bylo prvních 32 kilobajtů mapováno přímo (zde se tedy musel nacházet startovní kód hry) a zbývajících 16 kilobajtů sloužilo pro přístup do vybraného banku. Těch mohlo být čistě teoreticky až 256, v praxi se však používaly paměťové moduly o maximální kapacitě 256 kilobajtů (to se již ovšem jednalo o poměrně rozsáhlé hry).

Obrázek 5: Herní konzole Sega Master System (SMS).

Kromě osmibitového mikroprocesoru Zilog Z80 byly v herní konzoli Sega Master System použity tři další čipy. Jedná se především o grafický řadič VDC, což je upravená varianta původního řadiče Texas Instruments TMS9918, dále pak o zvukový generátor Texas Instruments SN76489 (ten byl sloučen s VDC) a konečně se v herní konzoli SMS objevil i velmi zvláštní čip Yamaha YM2413, který se staral a zvukovou syntézu (jak si řekneme dále, byl tento čip vytvořen jako levnější varianta ke známému čipu Yamaha YM3812, s nímž jsme se již setkali například při popisu zvukové karty Adlib či SoundBlaster). Díky použití čipu YM2413 bylo možné ve hrách poměrně jednoduše přehrávat hudbu, aniž by docházelo k přílišné zátěži mikroprocesoru. Navíc má YM2413 specifický zvuk, kterým bylo možné konzoli Sega Master System a taktéž MSX odlišit od dalších výrobků.

Poznámka: MSX jsme se zatím úspěšně vyhýbali, takže jen stručně: jedná se o počítač založený na procesoru Zilog Z80, který měl ambice se stát jakousi obdobou IBM PC, ovšem v oblasti osmibitových počítačů – tedy standardní platformou. S nadsázkou se říkalo, že MSX znamená „MicroSoft eXtended“, a to kvůli angažovanosti Microsoftu na vývoji této platformy.

Obrázek 6: Plošný spoj herní konzole Sega Master System (SMS).

4. Čip VDP: generování obrazu

V herní konzoli Sega Master System byl pro generování video signálů použit čip nazvaný VDC. Jednalo se o integrovaný obvod, který byl sice odvozený od původního čipu Texas Instruments TMS9918, ovšem došlo u něj k několika vylepšením, která měla za cíl zvýšit konkurenceschopnost konzole SMS, především v porovnání s Atari 7800. Připomeňme si, že čip Texas Instruments TMS9918 dokázal pracovat s maximálně šestnácti barvami, zatímco Atari 7800 umožňovalo zobrazit (i když s mnoha omezeními) až 128 resp. 256 barev. Taktéž rozlišení v grafických režimech, které bylo nabízeno čipem TMS9918, bylo relativně malé. Z tohoto důvodu došlo při návrhu integrovaného obvodu VDC k několika změnám. Zejména bylo možné pracovat až s 32 barvami rozdělenými do dvou barvových palet – jedna paleta byla vyhrazena pro statickou grafiku (pozadí) a druhá paleta byla vyhrazena pro sprity (ve skutečnosti mohla být použita pro pozadí i sprity stejná paleta, nicméně si prozatím nebudeme popis zbytečně komplikovat).

Obrázek 7: Ukázka možností původního grafického řadiče: hra Castle.

U barvové palety ještě na malou chvíli zůstaneme. Zatímco u TMS9918 byla šestnáctibarevná paleta neměnná, takže všechny hry bez rozdílu námětu používaly stále stejných šestnáct barev, bylo možné u VDC barvovou paletu, přesněji řečeno obě barvové palety měnit, protože čip VDC podporoval takzvanou „color RAM“ obsahující dvě tabulky, každou o délce šestnácti bajtů. Každá barva v paletě byla zadána jedním bajtem: 00RRGGBB, tj. pro každou barvovou složku byly vyhrazeny dva bity a tudíž byl celkový počet kombinací barev roven 64. Možná se to může zdát málo, ovšem například grafická karta EGA, jejíž cena byla v polovině osmdesátých let minulého století srovnatelná s celou konzolí Sega Master System :-) měla prakticky stejná omezení, alespoň co se týče barvové palety.

Obrázek 8: Ukázka možností původního grafického řadiče: hra H.E.R.O.

5. Různé varianty čipu VDC

V tomto textu sice stále píšeme o čipu VDC, ve skutečnosti však existovaly celkem čtyři varianty používané v různých konzolích – viz též následující tabulka:

Označení čipu	Použito v…
315–5124	Sega Mark III, Sega Master System
315–5246	Sega Master System II, pozdější varianty Sega Master System
315–5378	Game Gear
315–5313	Genesis, Sega Mega Drive

Obrázek 9: Poslední ukázka možností původního grafického řadiče: úvodní obrazovka hry Black Onyx.

6. Další vlastnosti čipu VDP

Grafický řadič VDP se od původního řadiče TMS9918 odlišoval i větším počtem grafických režimů. Jedná se o čtyři původní grafické režimy: textový režim, rastrový režim Graphic 1, režim Graphic 2 a režim Multicolor (ten používal odlišnou organizaci grafické paměti). Pátý režim se jmenoval Mode 4, což je pravděpodobně založeno na předpokladu, že režim Multicolor byl pokládán za grafický režim číslo 3 (i když se o něm nikde takto nepíše). Nicméně se vraťme k režimu Mode 4. Ten nabízel horizontální rozlišení 256 pixelů na obrazový řádek, podobně jako původní grafické režimy, nicméně vertikální rozlišení bylo možné zvolit: buď ponechat původních 192 obrazových řádků, nastavit 224 obrazových řádků (v televizních systémech NTSC, PAL i SECAM), popř. dokonce použít 240 obrazových řádků (pouze v televizních systémech PAL a SECAM). Kvůli zvýšení vertikálního rozlišení se změnil i rozměr matice, v níž byly umístěny odkazy na vzorky (patterns, viz předchozí díl tohoto seriálu). Původně měla tato matice rozměry 32×24 políček (768 bajtů), u čipu VDC se její velikost musela zvětšit na 32×28 (896 bajtů), popř. na 32×30 políček (960 bajtů).

Rozlišení tvarů umísťovaných do jednotlivých políček matice se nezměnilo: 8×8 pixelů, ovšem rozdíl spočíval v tom, že barvová paleta 16 barev mohla být oddělena od palety využívané sprity (viz předchozí kapitoly). Ostatně i podpora spritů byla rozšířena: sprity mohly mít velikost 8×8 pixelů či 8×16 pixelů, mohly být dvojnásobně zvětšeny (podobně jako u TMS9918) a navíc bylo možné použít až 64 spritů, nikoli pouze 32. Zajímavé bylo, že byl podporován i horizontální a vertikální scrolling obrazu, čehož některé hry využívaly.

S čipem VDC komunikoval mikroprocesor pomocí čtyř osmibitových I/O portů napojených na interní registry VDC. Jedná se o jeden řídicí registr, jeden datový registr a dvojici čítačů. Hodnota čítače nazvaného V (V counter) se zvyšovala na konci každého obrazového řádku. Tento čítač byl pouze osmibitový. Druhý čítač se jmenoval H (H counter) a byl interně devítibitový. Jeho hodnota se zvyšovala synchronně s interním hodinovým signálem řídicím zobrazení jednotlivých pixelů. Horizontální rozlišení sice bylo rovno jen 256 pixelům, ovšem k nim musíme připočítat ještě oba okraje (overscan), zatemňovací impuls atd. – z tohoto důvodu se jedná o devítibitový čítač, přičemž programátor měl přístup k jeho horním osmi bitům (to vlastně znamená, že z hlediska programátora se tento čítač zvyšoval vždy po dvou pixelech).

7. Zvuková syntéza s čipem YM2413

V předchozích kapitolách jsme si řekli, že součástí herní konzole Sega Master System byl mj. i modul odpovídající svou funkcí původnímu zvukovému čipu Texas Instruments SN76489. Jak již víme, dokázal tento čip generovat vícekanálový zvuk tvořený obdélníkovým signálem o zvolené amplitudě, popř. mohl být generován i šum tvořený taktéž obdélníkovým signálem (tento šum byl vytvářen v posuvném registru se zpětnou vazbou, podobně jako tomu bylo například v čipu TIA či POKEY). Ovšem konstruktéři konzole SMS si uvědomili, že se tento čip sice hodí pro vytváření zvuků ve hře, ovšem pro hudbu či melodie je jeho programování složité a především příliš zatěžující pro mikroprocesor. Proto hledali alternativní čip vhodný právě pro syntézu hudby. Nakonec byl použit integrovaný obvod nazvaný YM2413, jenž byl vyráběný společností Yamaha. Jednalo se o značně zjednodušenou variantu obvodu YM3812, který byl použit například ve zvukové kartě Adlib na počítačích IBM PC.

Obrázek 10: Zvuková karta Adlib určená do osmibitové varianty sběrnice ISA (PC BUS).

YM2413 byl implementován na poměrně malém čipu umístěném v integrovaném obvodu s pouhými 18 piny. Osm pinů tvořilo rozhraní datové sběrnice, která byla přímo připojena na osmibitovou datovou sběrnici mikroprocesoru (ovšem čip se ovládal přes porty). Kromě datové sběrnice byla ještě vyvedena adresová linka A0, jejíž stav určoval, zda se zapisuje bajt do řídicího portu, nebo do portu datového. Programování čipu YM2413 probíhalo tak, že se nejdříve do řídicího portu zapsal index interního registru čipu YM2413 a poté se provedl zápis nové hodnoty tohoto registru do datového portu. Zajímavé bylo, že ani jeden z portů nebylo možné přečíst (resp. se vracely nepoužitelné informace). Na výstupu čipu YM2413 byl umístěn devítibitový D/A převodník, protože interně byly všechny výpočty FM syntézy prováděny digitálně.

Obrázek 11: Sanxion – program obsahující několik skladeb pro zvukové karty obsahující čip OPL2/YM3812. Podobné programy nazývané musicdisky, které kromě hudby většinou obsahovaly i grafické efekty, byly vytvářeny mnoha demoskupinami.

Odkazy na další informační zdroje:

YM2413 FM Operator Type-LL (OPLL) Application Manual
http://www.smspower.org/maxim/Documents/YM2413ApplicationManual?sid=28c370e1fcac51d5774319979bf96f4c
Sega Master System Hardware
http://www.smspower.org/Development/Documents
SMS/GG hardware notes
http://www.smspower.org/uploads/Development/smstech-20021112.txt?sid=28c370e1fcac51d5774319979bf96f4c

Obrázek 12: Způsob zapojení dvojice operátorů v jednom hudebním kanálu v čipu OPL2/YM3812.

8. Rozdíl mezi čipy YM2413 a YM3812

Obvod YM2413 byl založen, podobně jako jeho výkonnější předchůdce YM3812, na FM syntéze, přičemž dokázal pracovat buď s devíti melodickými kanály současně, popř. alternativně bylo možné využít šest melodických kanálů a pět kanálů vyhrazených pro perkusní nástroje. Parametry většiny nástrojů byly uloženy v paměti ROM přímo na čipu. Programově bylo možné nastavit jen poměrně malé množství parametrů – v první řadě samozřejmě výšku tónu a oktávu a taktéž základní parametry tvaru obálky ADSR (Attack, Decay, Sustain, Release). To mělo svoje výhody i zápory. Výhodou bylo relativně snadné programování, především v porovnání s čipem YM3812, nevýhodou pak to, že se jen složitě daly vytvářet zvuky, jejichž parametry neodpovídaly informacím uloženým v ROM. Další předností čipu YM2413 byla poměrně nízká cena, která vycházela z menšího množství interních řídicích registrů a taktéž obecně jednoduššího zapojení čipu.

Obrázek 13: Čip OPL2/YM3812 umožňuje pro každý operátor použít jeden ze čtyř tvarů vlny založený na sinusovce o volitelné frekvenci.

Interních řídicích registrů bylo pouze 34 a v paměti ROM byly uloženy parametry pro šestnáct různých hudebních nástrojů – varhany, kytara, trumpeta, elektrická kytara atd.