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	19
2009	2010	2011

63 captures

11 Dec 2005 - 25 Oct 2011

About this capture

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NYOットやろうぜ

～独田地獄斎が贈るPlayStation研究序説～

                     NNNNNN                           
                     NNNNNNNNNNNN                     
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                     NNNNNNNNN   NNNNNNNNN            
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                     NNNNNNNNN    NNNNNNNN            
                   OONNNNNNNNN    NNNNNNN             
              YYYOOOONNNNNNNNN                        
          YYYYYYYYYYYNNNNNNNNN     OOOOOOOOOOOO       
      YYYYYYYYYYYYYYYNNNNNNNNNYYOOOOOOOOOOOOOOOOOOO   
 OOOOOOYYYYYYYYY     NNNNNNNNNYYYYYYYOOO     OOOOOOOOO
OOOOOOOOOOO        YYNNNNNNNNNYYYYY        OOOOOOOOOOO
OOOOOOOOO     OOOYYYYNNNNNNNNN        YYYYYYYYYOOOOOO 
   OOOOOOOOOOOOOOOOOONNNNNNNNN   YYYYYYYYYYYYYYY      
       OOOOOOOOOOOO  NNNNNNNNNOYYYYYYYYYYYY           
                     NNNNNNNNNOOOOOOYYY               
                          NNNNOOOO

はじめに

本ページは未来のPlayStationエミュレータ開発者への情報提供を目的とする。ただし、ここでコーディングの講義をするつもりはない。なぜならコーディングの観点からエミュレータ特有と呼べるものは何もないからだ。動的コンパイルは珍しいかもしれないが、これはエミュレータの本質ではない。換言すると、この程度のコーディングに躓くようではプログラマとして終っている。基礎からやり直した方がいいんじゃないか。

解析環境

PlayStation本体: SCPH-7000 (SONY)
制御マシン: いわゆる自作DOS/V
通信デバイス: PS X-TERMINATOR (Future Console Design)
通信デバイスファームウェア: caetla 0.34 (K-Communications)
通信プログラム: caetools (K-Communications)
directio (K-Communications)
解析プログラム作成: GNU Binary Utilities 2.8.1 mipsel-generic-elf/ecoff (こぺる)
GNU C/C++ Compiler 2.7.2.3 mipsel-generic-elf/ecoff (こぺる)
Borland C++Compiler 5.5 (Borland)

参考文献

「ネットやろうぜ」ユーザガイドホームページ: http://www.scei.co.jp/Net/guide/user/
PADUA PLAYSTATION RESOURCE: http://psx.rules.org/psxrul2.shtml; ただし、これらには多くの誤記があるので鵜呑みにしないこと。正規開発マニュアルから抜粋したと思われる部分にすら誤記がある (正規マニュアルにも誤記はある)。開発者ならば最終的には自分でウラをとること。幸い、PlayStationにはその現実的な手段があるのだから。
東芝のTX39のドキュメント: http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/micro/index.html

アーキテクチャ

ブロック図

メモリマップ

**表. メモリマップ**
アドレス	内容
0x00000000～0x001FFFFF	メインメモリ(命令キャッシュ有効)
0x00200000～0x003FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x00400000～0x005FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x00600000～0x007FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x00800000～
0x1F000000～	PIO
0x1F0?????～
0x1F800000～0x1F8003FF	スクラッチパッド
0x1F000400～
0x1F801000～	I/Oポート(いわゆるメモリマップドI/O)
0x1F80????～
0x1FC00000～0x1FC7FFFF	OS ROM
0x1F800000～
0x80000000～0x801FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x80200000～0x803FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x80400000～0x805FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x80600000～0x807FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ有効)
0x80800000～
0x9FC00000～0x9FC7FFFF	OS ROM ミラー
0x9FC80000～
0xA0000000～0xA01FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ無効)
0xA0200000～0xA03FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ無効)
0xA0400000～0xA05FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ無効)
0xA0600000～0xA07FFFFF	メインメモリミラー(命令キャッシュ無効)
0xA0800000～
0xBFC00000～0xBFC7FFFF	OS ROM ミラー
0xBFC80000～
0xFFFE0130～0xFFFE0133	SwapCache?
0xFFFE0134～

レジスタマップ

**表. レジスタマップ**
アドレス	レジスタ名(仮)	内容
0x1F801000	?	拡張メモリ領域指定?
0x1F801004	?	I/Oポート終端指定?
0x1F801008	?	?
0x1F80100C	?	?
0x1F801010	?	?
0x1F801014	?	SPU DMAのウェイト?
0x1F801018	?	OTC DMAのウェイト?
0x1F80101C	?	?
0x1F801020	?	CD DMAのウェイト?

0x1F801040	COMA_DATA	COMAデータ
0x1F801044	COMA_STAT	COMAステータス
0x1F801048	COMA_MODE	COMAモード
0x1F80104A	COMA_CTRL	COMAコントロール
0x1F80104E	COMA_BAUD	COMAボー
0x1F801050	SIO_DATA	SIOデータ
0x1F801054	SIO_STAT	SIOステータス
0x1F801058	SIO_MODE	SIOモード
0x1F80105A	SIO_CTRL	SIOコントロール
0x1F80105E	SIO_BAUD	SIOボー
0x1F801060	RAM_SIZE	実効メモリサイズ

0x1F801070	I_STAT	割り込みステータス
0x1F801074	I_MASK	割り込みマスク

0x1F801080	D0_MADR	DMACチャネル0(MDECin)メモリアドレス
0x1F801084	D0_BCR	DMACチャネル0(MDECin)ブロックカウント
0x1F801088	D0_CHCR	DMACチャネル0(MDECin)チャネルコントロール

0x1F801090	D1_MADR	DMACチャネル1(MDECout)メモリアドレス
0x1F801094	D1_BCR	DMACチャネル1(MDECout)ブロックカウント
0x1F801098	D1_CHCR	DMACチャネル1(MDECout)チャネルコントロール

0x1F8010A0	D2_MADR	DMACチャネル2(GPU)メモリアドレス
0x1F8010A4	D2_BCR	DMACチャネル2(GPU)ブロックカウント
0x1F8010A8	D2_CHCR	DMACチャネル2(GPU)チャネルコントロール

0x1F8010B0	D3_MADR	DMACチャネル3(CD)メモリアドレス
0x1F8010B4	D3_BCR	DMACチャネル3(CD)ブロックカウント
0x1F8010B8	D3_CHCR	DMACチャネル3(CD)チャネルコントロール

0x1F8010C0	D4_MADR	DMACチャネル4(SPU)メモリアドレス
0x1F8010C4	D4_BCR	DMACチャネル4(SPU)ブロックカウント
0x1F8010C8	D4_CHCR	DMACチャネル4(SPU)チャネルコントロール

0x1F8010D0	D5_MADR	DMACチャネル5(PIO)メモリアドレス
0x1F8010D4	D5_BCR	DMACチャネル5(PIO)ブロックカウント
0x1F8010D8	D5_CHCR	DMACチャネル5(PIO)チャネルコントロール

0x1F8010E0	D6_MADR	DMACチャネル6(OTC)メモリアドレス
0x1F8010E4	D6_BCR	DMACチャネル6(OTC)ブロックカウント
0x1F8010E8	D6_CHCR	DMACチャネル6(OTC)チャネルコントロール

0x1F8010F0	D_PCR	DMAC優先度コントロール
0x1F8010F4	D_ICR	DMAC割り込みコントロール

0x1F801100	T0_COUNT	タイマ0(システム／ピクセル)カウント
0x1F801104	T0_MODE	タイマ0(システム／ピクセル)モード
0x1F801108	T0_COMP	タイマ0(システム／ピクセル)コンペア

0x1F801110	T1_COUNT	タイマ1(システム／水平同期)カウント
0x1F801114	T1_MODE	タイマ1(システム／水平同期)モード
0x1F801118	T1_COMP	タイマ1(システム／水平同期)コンペア

0x1F801120	T2_COUNT	タイマ2(システム／8分周)カウント
0x1F801124	T2_MODE	タイマ2(システム／8分周)モード
0x1F801128	T2_COMP	タイマ2(システム／8分周)コンペア

0x1F801800	CD_REG0	CDレジスタ0
0x1F801801	CD_REG1	CDレジスタ1
0x1F801802	CD_REG2	CDレジスタ2
0x1F801803	CD_REG3	CDレジスタ3

0x1F801810	GPU_DATA	GPUデータ／コマンド
0x1F801814	GPU_CTRL	GPUステータス／コントロール

0x1F801820	MDEC_DATA	MDECデータ／コマンド
0x1F801824	MDEC_CTRL	MDECステータス／コントロール

0x1F801C00	SPU_REG00	SPUレジスタ0
0x1F801C02	SPU_REG01	SPUレジスタ1
中略	中略	中略
0x1F801DFC	SPU_REGFE	SPUレジスタ254
0x1F801DFE	SPU_REGFF	SPUレジスタ255

0x1F802041	?	ディップスイッチ?

CPU(中央処理装置)

PlayStationのCPUはMIPSのR3000をベースとしたカスタムCPUである。動作周波数は33868800Hzと言われ、エンディアンはリトルである。若干の違いはあるが、それは青本も同じなので、基本的な理解は東芝のTX39のドキュメントで十分である。

コード表

COP1,COP3,TLB系は存在しない。サービスコール内のatofでCOP1命令が使われているがatof自体が呼ばれた試しがない。おそらく試作機ではデバグ処理のために存在するが、結局オミットされたのだろう。

**表. フィールドの名称**
31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	09	08	07	06	05	04	03	02	01	00
op						rs					rt					rd					sa					funct

**表. op**
op	0x00	0x01	0x02	0x03	0x04	0x05	0x06	0x07
0x00	SPECIAL	BCOND	J	JAL	BEQ	BNE	BLEZ	BGTZ
0x08	ADDI	ADDIU	SLTI	SLTIU	ANDI	ORI	XORI	LUI
0x10	COP0		COP2
0x18
0x20	LB	LH	LWL	LW	LBU	LHU	LWR
0x28	SB	SH	SWL	SW			SWR
0x30			LWC2
0x38			SWC2

**表. funct(op=SPECIAL)**
funct	0x00	0x01	0x02	0x03	0x04	0x05	0x06	0x07
0x00	SLL		SRL	SRA	SLLV		SRLV	SRAV
0x08	JR	JALR			SYSCALL	BREAK
0x10	MFHI	MTHI	MFLO	MTLO
0x18	MULT	MULTU	DIV	DIVU
0x20	ADD	ADDU	SUB	SUBU	AND	OR	XOR	NOR
0x28			SLT	SLTU
0x30
0x38

**表. rs(op=BCOND)**
rs	0x00	0x01
0x00	BLTZ	BGEZ
0x08
0x10	BLTZAL	BGEZAL
0x18

**表. rs(op=COP0)**
rs	0x00	0x04
0x00	MFC0	MTC0
0x08
0x10	CP0
0x18	CP0

**表. funct(op=COP0,rs=CP0)**
funct	0x00	0x01	0x02	0x03	0x04	0x05	0x06	0x07
0x00
0x08
0x10	RFE
0x18
0x20
0x28
0x30
0x38

**表. rs(op=COP2)**
rs	0x00	0x02	0x04	0x06
0x00	MFC2	CFC2	MTC2	CTC2
0x08
0x10	CP2
0x18	CP2

**表. funct(op=COP2,rs=CP2)**
funct	0x00	0x01	0x02	0x03	0x04	0x05	0x06	0x07
0x00		RTPS					NCLIP
0x08					OP
0x10	DPCS	INTPL	MVMVA	NCDS	CDP		NCDT
0x18				NCCS	CC		NCS
0x20	NCT
0x28	SQR	DCPL	DPCT			AVSZ3	AVSZ4
0x30	RTPT
0x38						GPF	GPL	NCCT

rs+b₂₀をコードと一対一に対応させるのは、ただの慣習である。

I(命令)キャッシュ

ネットやろうぜの記述には重要部であるほど誤りがあるので、注意が必要である。まずメモリ空間とキャッシュ(バースト転送)の有効／無効の関係を示した表においてメモリ空間を取り違えている。また

Iキャッシュが有効な論理メモリ空間上の命令コードは通常の約５倍の速度でCPUに読み込まれます。また、一旦読み込まれた命令コードはCPU内のIキャッシュメモリに保存されますので、再実行時にはメインメモリへのアクセスなしに実行されます。

という文章もおかしい。後半の文章があるから、前半はキャッシュミスした状態での実行速度と考えるしかない。ならば理論的に24/9倍速以上にはならない。

スクラッチパッド Dキャッシュ

アドレス0x1F800000にマッピングされた、ストールの発生しないRAMを PlayStationの「方言」としてDキャッシュと呼んでいるが、これは一般的な意味のDキャッシュではない。一般的な意味のDキャッシュはPlayStationには存在しない。

GTE(Geometry Transformation Engine グラフィックデータ生成プロセッサ)

逆数テーブル

RTPS,RTPT命令において、投影変換係数

(int) (h * 65536 / Sz + 0.5)

が求められるが、実際は除算ではなく、逆数テーブルを用いた積算

(h * iSz + (1 << (N - 1))) >> N

が行われる。iSzは0x10000～0x1FFFFの範囲であり、小数部16ビットの浮動小数に相当する。 iSzは必ずしも

(65536 << N) / Sz

にはなっていないので、ブルートフォースアタックによる探索が必要になる。
Sz:32768～65535(N=16)について結果を示す。 Sz:0～32767については、Nを減らすだけなので割愛する。

エミュレート法

動的コンパイル法の一例

コード表から分かるようにR3000は単純な命令だけで構成されており、既にマイクロコードであるとも言える。従って、一コードに対して一個のコンパイル済みデータを予め用意し、実行時に変数部分を書き換えるだけでも実用に耐える動的コンパイルが可能である。例えばSRAV,SRLVでは、

/*
 *
 */
uchar __SRAV[] = {
    0x8B, 0x0D, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥', /* 00 mov ecx,[GPR[rs]] 02 &GPR[rs] */
    0xA1, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥',       /* 06 mov eax,[GPR[rt]] 07 &GPR[rt] */
    0xD3, 0xF8,                         /* 0B sar eax,cl */
    0xA3, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥'        /* 0D mov [GPR[rd]],eax 0E &GPR[rd] */
};


/*
 *
 */
uchar __SRLV[] = {
    0x8B, 0x0D, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥', /* 00 mov ecx,[GPR[rs]] 02 &GPR[rs] */
    0xA1, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥',       /* 06 mov eax,[GPR[rt]] 07 &GPR[rt] */
    0xD3, 0xE8,                         /* 0B shr eax,cl */
    0xA3, '¥¥', '¥¥', '¥¥', '¥¥'        /* 0D mov [GPR[rd]],eax 0E &GPR[rd] */
};

の様なデータを予め用意し、実行時に

/*
 *
 */
#define _rs_    ((opcode >> 21) & 31)
#define _rt_    ((opcode >> 16) & 31)
#define _rd_    ((opcode >> 11) & 31)


/*
 *
 */
#define CPU_SET_SRAV()                                    ¥
    {                                                     ¥
        *(ulong *) (&__SRAV[0x02]) = (ulong) & GPR[_rs_]; ¥
        *(ulong *) (&__SRAV[0x07]) = (ulong) & GPR[_rt_]; ¥
        *(ulong *) (&__SRAV[0x0E]) = (ulong) & GPR[_rd_]; ¥
        CPU_OPCODE                 = __SRAV;              ¥
        CPU_OPSIZE                 = sizeof(__SRAV);      ¥
    }


/*
 *
 */
#define CPU_SET_SRLV()                                    ¥
    {                                                     ¥
        *(ulong *) (&__SRLV[0x02]) = (ulong) & GPR[_rs_]; ¥
        *(ulong *) (&__SRLV[0x07]) = (ulong) & GPR[_rt_]; ¥
        *(ulong *) (&__SRLV[0x0E]) = (ulong) & GPR[_rd_]; ¥
        CPU_OPCODE                 = __SRLV;              ¥
        CPU_OPSIZE                 = sizeof(__SRLV);      ¥
    }

の様に変数部分を書き換える。後はこれを連結コピーして関数を作成し、出来上がった関数を実行する。

注意事項

巷で誤解があるようなので、注意を喚起すると、実行毎に新たな関数を作成していたのでは、インタプリタよりも遅くなる。出来上がった関数を管理・再利用することこそが、動的コンパイルの肝である。動的コンパイルとは可変長データを対象としたキャッシュ機構を構築することに等しい。

コンパイル済データの作成法の一例

アセンブラで直接記述する以外に、以下の様にCで記述し、ファイル出力、逆アセンブルするのも一つの手である。

/*
 *
 */
#define _rs_    1               /* 変数部分なので適当 */
#define _rt_    2               /* 変数部分なので適当 */
#define _rd_    3               /* 変数部分なので適当 */


/*
 *
 */
long GPR[32];


/*
 *
 */
void __SRAV(void)
{
    GPR[_rd_] = GPR[_rt_] >> GPR[_rs_];
}


/*
 *
 */
void ____SRAV(void)
{
}


/*
 *
 */
void __SRLV(void)
{
    GPR[_rd_] = ((ulong) GPR[_rt_]) >> GPR[_rs_];
}


/*
 *
 */
void ____SRLV(void)
{
}


/*
 *
 */
void SaveToFile(char *lpFileName, void *lpStart, void *lpEnd)
{
    FILE *fp;

    if (NULL == (fp = fopen(lpFileName, "wb"))) {
        return;
    }
    fwrite(lpStart, (ulong) lpEnd - (ulong) lpStart, 1, fp);
    fclose(fp);
}


/*
 *
 */
int main(void)
{
    SaveToFile("SRAV.X86", __SRAV, ____SRAV);
    SaveToFile("SRLV.X86", __SRLV, ____SRLV);
    return(0);
}

INTC(割り込みコントローラ)

I_STATレジスタ

ロードした場合

15	14	13	12	11	10	09	08	07	06	05	04	03	02	01	00
						S S P U	S S I O	S C O M A	S T M R 2	S T M R 1	S T M R 0	S D M A C	S C D	S G P U	S V S Y N C

フィールド	内容
SVSYNC	VSYNCの割り込みステータス 0:VSYNCから割り込み要求がない 1:VSYNCから割り込み要求があった
SGPU～SSPU	SVSYNCと同様

ストアした場合

15	14	13	12	11	10	09	08	07	06	05	04	03	02	01	00
						C S P U	C S I O	C C O M A	C T M R 2	C T M R 1	C T M R 0	C D M A C	C C D	C G P U	C V S Y N C

フィールド	内容
CVSYNC	VSYNCの割り込みクリア 0→SVSYNCを0にする
CGPU～CSPU	CVSYNCと同様

I_MASKレジスタ

ロードした場合

ストアした値が返る

ストアした場合

15	14	13	12	11	10	09	08	07	06	05	04	03	02	01	00
						M S P U	M S I O	M C O M A	M T M R 2	M T M R 1	M T M R 0	M D M A C	M C D	M G P U	M V S Y N C

フィールド	内容
MVSYNC	VSYNCの割り込みマスク MVSYNCとSVSYNCがともに1である限り、INTCはCPUに割り込みを要求し続ける。
MGPU～MSPU	MVSYNCと同様

DMAC(DMAコントローラ)

準備中

タイマ

タイマは設定によりシステムクロックではなくピクセル表示や水平同期によりカウントアップさせることができる。

**表. カウントタイミング**
タイプ	画面幅	[A]	[B]システムクロック/水平同期	システムクロック/ピクセル表示	システムクロック/垂直同期
					非インターレース	インターレース
					非インターレース	偶数フィールド	奇数フィールド
NTSC	256	566107.5005	[A]/263	[A]/89683=[B]/341	[B]*263	[B]*263	[B]*262
	320			[A]/112038=[B]/426
	368			[A]/128081=[B]/487
	512			[A]/179366=[B]/682
	640			[A]/224339=[B]/853
PAL	256	674399.5367	[A]/314	[A]/106760=[B]/340	[B]*314	[B]*313	[B]*312
	320			[A]/133764=[B]/426
	368			[A]/152604=[B]/486
	512			[A]/213834=[B]/681
	640			[A]/267214=[B]/851

メインメモリ(Main Memory or RAM 主記憶装置)

準備中

OS ROM(or BIOS 基本操作システム記憶装置)

準備中

MDEC(Motion Decoder データ伸長エンジン)

準備中

PIO(拡張パラレルポート)

準備中

SIO(or COMB 拡張シリアルポート)

準備中

GPU(グラフィック描画処理プロセッサ)

GPU_DATAレジスタ

ロードした場合

基本的には内部のリザルトレジスタの値が返るが、 StoreImageコマンド実行中の場合は、その結果が返る。
リザルトレジスタには、 GPU制御系コマンドの結果や StoreImageコマンドの最初の結果が格納される。途中の結果は格納されない。

ストアした場合

データは内部の多目的FIFOに格納され、必要な数のデータが貯まると、 GPU描画系コマンドが実行される。

GPU_CTRLレジスタ

ロードした場合

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	09	08	07	06	05	04	03	02	01	00
o d e	t m o d e		i s e m p t y	d a t a r d y	i s i d l e	d m a r d y	r e s e r v e d	i s s t o p	i s i n t e r	i s r g b 2 4	i s p a l	v r e s	h r e s 1		h r e s 2	r e s e r v e d	u n k n o w n	r e s e r v e d	p b c	p b w	d f e	d t d	t p		a b r		t y	t x

フィールド	内容
ode	ビデオ出力の走査フィールドがフレームバッファ上の奇数ラインかどうか。よってインターレースでは数百水平同期毎、非インターレースでは1水平同期毎(指定ブランク区間は0のまま)に変化する。
tmode	転送モード
isempty	FIFO(パケットバッファ)が空かどうか
datardy	データレディ
isidle	アイドル状態である
dmardy	DMAレディ
isstop	ビデオ出力を停止している
isinter	インターレースで出力している(垂直解像度を倍密度にする場合は必須)
isrgb24	rgb24ビットモードである
ispal	PALモードである
vres	垂直解像度
hres1	水平解像度1
hres2	水平解像度2(水平解像度1は無効になる)
unknown	不明(オン／オフ操作は可能)
pbc	優先度ビットコンペアを行う
pbw	優先度ビットを書き込む
dfe	インターレースであっても、非インターレースと同様、走査フィールドに関係なく描画する
dtd	ディザ処理を行う
tp	テクスチャのビットモード
abr	半透明率
ty	テクスチャページのY座標
tx	テクスチャページのX座標

ストアした場合

GPU制御系コマンドが実行される。

SPU(サウンド処理プロセッサ)

ブロック図

ボイス

全24チャネルの内蔵音源のこと。各チャネルは独立に「波形データ(ADPCMまたは共通ノイズ)×エンベロープ×ボイス音量(左右独立)」の三者の掛け合わせを出力する。

エンベロープ

波形データにかけるバイアスのこと。

**表. ADSRレート**
レート^[*]	実効レート
レート^[*]	分母	分子(増加)	分子(減少)
0～47	1	(7 - (RATE & 3)) << (11 - (RATE >> 2))	(-8 + (RATE & 3)) << (11 - (RATE >> 2))
48～	1 << ((RATE >> 2) - 11)	7 - (RATE & 3)	-8 + (RATE & 3)

[*]ディケイレート、リリースレートは1/4で指定されるので4倍して考える

**表. ADSRモード**
モード	内容
線形増加	分母サンプリング時間毎にエンベロープレベルに分子(増加)を加算
線形減少	分母サンプリング時間毎にエンベロープレベルに分子(減少)を加算
指数増加	基本的には線形増加と同じだがエンベロープレベルが0x6000以上になるとレートが8増加
指数減少	分母サンプリング時間毎にエンベロープレベルに ((分子(減少) * レベル) >> 15)を加算

**表. ADSRステータス**
ステータス	開始条件	終了条件	飽和下限	飽和上限
初期化	キーオンする	アタックレートに依存した初期化時間^[*]が経過する	0	0
アタック	初期化が終了する	エンベロープレベルが32767以上になる		32767
ディケイ	アタックが終了する	エンベロープレベルがサステインレベル未満になる	0
サステイン	ディケイが終了する	キーオフする	0	32767
リリース	キーオフする	エンベロープレベルが0以下になる	-1
停止	・リリースが終了する・ADPCMデコーダが強制停止する	キーオンする	0	0

[*]アタックレート0～47では5サンプリング時間で、それ以上は徐々に短くなる。これはADPCMデコードのフィルタ処理に起因する、残響が消えるための時間である。レートが大きくなると、アタックの方で0になる時間が増えるから、その分短くて良いのである。

ADPCM波形

ADPCMデコーダが圧縮データをデコードして得たサンプリング波形のこと。重要なのはADPCMデコーダが(リバーブプロセスも)常時稼動していることだろう。停止したように見えて、それはエンベロープを強制停止させた結果にすぎない。つまり、常に割り込みが発生する可能性がある。しかしながら、常時稼動のエミュレーションは、高負荷のワリに見返りが小さい。モラトリアム期間を設けるのが現実解であろう。

**表. ループフラグ**
フィールド	内容
0x04	カレントブロックの先頭をループアドレスに設定する。
0x02	エンベロープを強制停止しない。
0x01	カレントブロックを演奏後、ループアドレスにジャンプする。 0x02が設定されていないと、エンベロープを強制停止する。

組み合わせとしては以下の5通りとなる(ループアドレスが強制的に設定された場合は、この限りではない)。

**表. ループフラグの組み合わせ**
ループフラグ	内容
0x06,0x04	カレントブロックの先頭をループアドレスに設定する。
0x03	カレントブロック演奏後、ループアドレスにジャンプする。
0x07	上２つの組み合わせにより、カレントブロックを延々と演奏する。
0x01	ループアドレスにジャンプするが、エンベロープを停止するので無音になる。
0x05	カレントブロックを延々と演奏するが、エンベロープを停止するので無音になる。

共通ノイズ波形

ADPCM波形の替わりに用いるランダム波形のこと。チャネル毎にどちらかを選択できるが、チャネル毎に異なるノイズ波形を得るといったことは出来ない。
アルゴリズム

/*
 * レベル変化時の計算式
 */
char Addition[64] = {
    1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0,
    1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0,
    1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0,
    1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0,
    0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1,
    0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1,
    0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1,
    0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1
};

NoiseLevel = (short) (NoiseLevel + NoiseLevel + Addition[(NoiseLevel >> 10) & 63]);


/*
 * レベル変化の周期
 */
Freq = 0x8000 >> (NoiseClock >> 2);


/*
 * 周期が半減する頻度
 */
Half = ((NoiseClock & 3) * 2) / (4 + (NoiseClock & 3));

リバーブ

アルゴリズム

/*
 * PlayStation Reverberation Algorithm (C)Dr.Hell, 2005
 * 厳密には、左右の処理のタイミングは1サンプリング時間ずれており、
 * 各々は2サンプリング時間毎に実行される
 */
mAPF1    = *((ushort *) 0x1F801DC0) * 4;
mAPF2    = *((ushort *) 0x1F801DC2) * 4;
gIIR     = *((short *) 0x1F801DC4) / 32768.0;
gCOMB1   = *((short *) 0x1F801DC6) / 32768.0;
gCOMB2   = *((short *) 0x1F801DC8) / 32768.0;
gCOMB3   = *((short *) 0x1F801DCA) / 32768.0;
gCOMB4   = *((short *) 0x1F801DCC) / 32768.0;
gWALL    = *((short *) 0x1F801DCE) / 32768.0;
gAPF1    = *((short *) 0x1F801DD0) / 32768.0;
gAPF2    = *((short *) 0x1F801DD2) / 32768.0;
z0_Lsame = *((ushort *) 0x1F801DD4) * 4;
z0_Rsame = *((ushort *) 0x1F801DD6) * 4;
m1_Lcomb = *((ushort *) 0x1F801DD8) * 4;
m1_Rcomb = *((ushort *) 0x1F801DDA) * 4;
m2_Lcomb = *((ushort *) 0x1F801DDC) * 4;
m2_Rcomb = *((ushort *) 0x1F801DDE) * 4;
zm_Lsame = *((ushort *) 0x1F801DE0) * 4;
zm_Rsame = *((ushort *) 0x1F801DE2) * 4;
z0_Ldiff = *((ushort *) 0x1F801DE4) * 4;
z0_Rdiff = *((ushort *) 0x1F801DE6) * 4;
m3_Lcomb = *((ushort *) 0x1F801DE8) * 4;
m3_Rcomb = *((ushort *) 0x1F801DEA) * 4;
m4_Lcomb = *((ushort *) 0x1F801DEC) * 4;
m4_Rcomb = *((ushort *) 0x1F801DEE) * 4;
zm_Ldiff = *((ushort *) 0x1F801DF0) * 4;
zm_Rdiff = *((ushort *) 0x1F801DF2) * 4;
z0_Lapf1 = *((ushort *) 0x1F801DF4) * 4;
z0_Rapf1 = *((ushort *) 0x1F801DF6) * 4;
z0_Lapf2 = *((ushort *) 0x1F801DF8) * 4;
z0_Rapf2 = *((ushort *) 0x1F801DFA) * 4;
gLIN     = *((short *) 0x1F801DFC) / 32768.0;
gRIN     = *((short *) 0x1F801DFE) / 32768.0;
z1_Lsame = z0_Lsame - 1;
z1_Rsame = z0_Rsame - 1;
z1_Ldiff = z0_Ldiff - 1;
z1_Rdiff = z0_Rdiff - 1;
zm_Lapf1 = z0_Lapf1 - mAPF1;
zm_Rapf1 = z0_Rapf1 - mAPF1;
zm_Lapf2 = z0_Lapf2 - mAPF2;
zm_Rapf2 = z0_Rapf2 - mAPF2;
for (;;) {
    /*
     * LoadFromLowPassFilterは35もしくは39タップのFIRフィルタ
     * 最外周の係数が0でも結果は同じなので、35か39かは特定できず
     */
    L_in = gLIN * LoadFromLowPassFilterL();
    R_in = gRIN * LoadFromLowPassFilterR();


    /*
     * Left -> Wall -> Left Reflection
     */
    L_temp = ReadReverbWork(zm_Lsame);
    R_temp = ReadReverbWork(zm_Rsame);
    L_same = L_in + gWALL * L_temp;
    R_same = R_in + gWALL * R_temp;
    L_temp = ReadReverbWork(z1_Lsame);
    R_temp = ReadReverbWork(z1_Rsame);
    L_same = L_temp + gIIR * (L_same - L_temp);
    R_same = R_temp + gIIR * (R_same - R_temp);


    /*
     * Left -> Wall -> Right Reflection
     */
    L_temp = ReadReverbWork(zm_Rdiff);
    R_temp = ReadReverbWork(zm_Ldiff);
    L_diff = L_in + gWALL * L_temp;
    R_diff = R_in + gWALL * R_temp;
    L_temp = ReadReverbWork(z1_Ldiff);
    R_temp = ReadReverbWork(z1_Rdiff);
    L_diff = L_temp + gIIR * (L_diff - L_temp);
    R_diff = R_temp + gIIR * (R_diff - R_temp);


    /*
     * Early Echo(Comb Filter)
     */
    L_in = gCOMB1 * ReadReverbWork(m1_Lcomb) + gCOMB2 *ReadReverbWork(m2_Lcomb) + gCOMB3 *ReadReverbWork(m3_Lcomb) + gCOMB4 *ReadReverbWork(m4_Lcomb);
    R_in = gCOMB1 * ReadReverbWork(m1_Rcomb) + gCOMB2 *ReadReverbWork(m2_Rcomb) + gCOMB3 *ReadReverbWork(m3_Rcomb) + gCOMB4 *ReadReverbWork(m4_Rcomb);


    /*
     * Late Reverb(Two All Pass Filters)
     */
    L_temp = ReadReverbWork(zm_Lapf1);
    R_temp = ReadReverbWork(zm_Rapf1);
    L_apf1 = L_in - gAPF1 * L_temp;
    R_apf1 = R_in - gAPF1 * R_temp;
    L_in   = L_temp + gAPF1 * L_apf1;
    R_in   = R_temp + gAPF1 * R_apf1;
    L_temp = ReadReverbWork(zm_Lapf2);
    R_temp = ReadReverbWork(zm_Rapf2);
    L_apf2 = L_in - gAPF2 * L_temp;
    R_apf2 = R_in - gAPF2 * R_temp;
    L_in   = L_temp + gAPF2 * L_apf2;
    R_in   = R_temp + gAPF2 * R_apf2;


    /*
     * Output
     */
    SetOutputL(L_in);
    SetOutputR(R_in);


    /*
     * Write Buffer
     */
    WriteReverbWork(z0_Lsame, L_same);
    WriteReverbWork(z0_Rsame, R_same);
    WriteReverbWork(z0_Ldiff, L_diff);
    WriteReverbWork(z0_Rdiff, R_diff);
    WriteReverbWork(z0_Lapf1, L_apf1);
    WriteReverbWork(z0_Rapf1, R_apf1);
    WriteReverbWork(z0_Lapf2, L_apf2);
    WriteReverbWork(z0_Rapf2, R_apf2);


    /*
     * Update Circular Buffer
     */
    UpdateReverbWork();
}

CD(コンパクトディスク読込み装置)

CDコマンド

**表. CDコマンドの引数**
番号	コマンド名	数	1	2	3
0x00	Sync	0
0x01	Nop	0
0x02	Setloc	3	AMin	ASec	AFrac
0x03	Play	0/1	Track
0x04	Forward	0
0x05	Backward	0
0x06	ReadN	0
0x07	Standby	0
0x08	Stop	0
0x09	Pause	0
0x0A	Reset	0
0x0B	Mute	0
0x0C	Demute	0
0x0D	Setfilter	2	File	Chan
0x0E	Setmode	1	Mode
0x0F	Getparam	0
0x10	GetlocL	0
0x11	GetlocP	0
0x12	ReadT	1	0x01
0x13	GetTN	0
0x14	GetTD	1	Track
0x15	SeekL	0
0x16	SeekP	0
0x17	Setclock
0x18	Getclock
0x19	Test	1	Num
0x1A	Id	0
0x1B	ReadS	0
0x1C	Init	0
0x1D
0x1E	ReadTOC	0
0x1F

**表. CDコマンドの結果(一次)**
番号	コマンド名	所要クロック	σ%	割り込み	数	1	2	3	4	5	6	7	8
0x00	Sync			0x03	1	Stat
0x01	Nop	30547	23	0x03	1	Stat
0x02	Setloc	31557	7	0x03	1	Stat
0x03	Play	51444		0x03	1	Stat
0x04	Forward	193250	12	0x03	1	Stat
0x05	Backward	125119	0	0x03	1	Stat
0x06	ReadN	75701	7	0x03	1	Stat
0x07	Standby	74753	5	0x03	1	Stat
0x08	Stop	43503	13	0x03	1	Stat
0x09	Pause	27648	24	0x03	1	Stat
0x0A	Reset	80295	12	0x03	1	Stat
0x0B	Mute	36114	41	0x03	1	Stat
0x0C	Demute	32768	10	0x03	1	Stat
0x0D	Setfilter	39105	48	0x03	1	Stat
0x0E	Setmode	41082	52	0x03	1	Stat
0x0F	Getparam	40163	25	0x03	5	Stat	Mode	0x00	File	Chan
0x10	GetlocL	43335	20	0x03	8	セクタの13番目～20番目のデータ(つまりRead,SeekLが必要)
0x11	GetlocP	37937	17	0x03	8	Track	Index	Min	Sec	Frac	AMin	ASec	AFrac
0x12	ReadT	98762	13	0x03	1	Stat
0x13	GetTN	40833		0x03	3	Stat	Begin	End
0x14	GetTD	39091		0x03	3	Stat	AMin	ASec
0x15	SeekL	41771	25	0x03	1	Stat
0x16	SeekP	62041	40	0x03	1	Stat
0x17	Setclock
0x18	Getclock
0x19	Test(0x20)	40864	14	0x03	4	Year	Mon	Day	Ver
0x1A	Id	30980	22	0x03	1	Stat
0x1B	ReadS	81925	2	0x03	1	Stat
0x1C	Init	25847	29	0x03	1	Stat
0x1D
0x1E	ReadTOC	73292	10	0x03	1	Stat
0x1F

**表. CDコマンドの結果(二次以降)**
番号	コマンド名	所要クロック	σ%	割り込み	数	1	2	3	4	5	6	7	8
0x00	Sync
0x01	Nop
0x02	Setloc
0x03	Play			0x01	8	Stat	Track	Index	A/Min	A/Sec	A/Frac	LvHi	LvLo
0x04	Forward
0x05	Backward
0x06	ReadN			0x01	1	Stat
0x07	Standby	51429486	55	0x02	1	Stat
0x08	Stop	12767194	2	0x02	1	Stat
0x09	Pause	3665794	0	0x02	1	Stat
0x0A	Reset	3656479	6	0x02	1	Stat
0x0B	Mute
0x0C	Demute
0x0D	Setfilter
0x0E	Setmode
0x0F	Getparam
0x10	GetlocL
0x11	GetlocP
0x12	ReadT	57701665	0	0x02	1	Stat
0x13	GetTN
0x14	GetTD
0x15	SeekL			0x02	1	Stat
0x16	SeekP			0x02	1	Stat
0x17	Setclock
0x18	Getclock
0x19	Test(0x20)
0x1A	Id	19658	1	0x02	8	0x02	0x00	0x20	0x00	'S'	'C'	'E'	'I'
0x1B	ReadS			0x01	1	Stat
0x1C	Init
0x1D
0x1E	ReadTOC	31330364	14	0x02	1	Stat
0x1F

**表. コマンドの補足事項**
コマンド名	補足事項
Play	Setmodeで0x04を立てると、AFrac(BCD)の下位4ビットが0の時にレポートを返す。上位が奇数の時は位置情報がトラック相対になるが、その際フラグとしてSec(BCD)の0x80が立つ。
Reset	位置もホームポジションに戻る。
ReadT	引数は0x01以外上手くいっていない。
GetTD	引数を0x00にすると全トラックの合計になる。
Init	承認後も暫く時間をあける必要がある。

通信デバイス(Comms Device or COMA)

準備中

独自解析プログラム群

準備中

エミゅってしまうま

実践結果としてのエミュレータ「エミゅってしまうま(略称XEBRA/ARBEX)」を公開する。

Friday, May 1, 2020

http://members.at.infoseek.co.jp/DrHell/ps1/index.html

NYOットやろうぜ

はじめに

解析環境

参考文献

アーキテクチャ

ブロック図

メモリマップ

レジスタマップ

CPU(中央処理装置)

コード表

I(命令)キャッシュ

スクラッチパッド Dキャッシュ

GTE(Geometry Transformation Engine グラフィックデータ生成プロセッサ)

逆数テーブル

エミュレート法

動的コンパイル法の一例

注意事項

コンパイル済データの作成法の一例

INTC(割り込みコントローラ)

I_STATレジスタ

I_MASKレジスタ

DMAC(DMAコントローラ)

タイマ

メインメモリ(Main Memory or RAM 主記憶装置)

OS ROM(or BIOS 基本操作システム記憶装置)

MDEC(Motion Decoder データ伸長エンジン)

PIO(拡張パラレルポート)

SIO(or COMB 拡張シリアルポート)

GPU(グラフィック描画処理プロセッサ)

GPU_DATAレジスタ

GPU_CTRLレジスタ

SPU(サウンド処理プロセッサ)

ブロック図

ボイス

エンベロープ

ADPCM波形

共通ノイズ波形

リバーブ

CD(コンパクトディスク読込み装置)

CDコマンド

通信デバイス(Comms Device or COMA)

独自解析プログラム群

エミゅってしまうま

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