探究NES游戏中的ROM（Read Only Memory）

MWNI • 2024-10-04 00:16 • 编程

一、何为NES机？

NES全称为Nintendo Entertainment System，是任天堂在1983年发布的一款游戏机。它是首个将游戏从家庭电脑院子里转移到客厅的游戏平台，也可以称之为家用电脑。它的操作系统拥有冗余性，并使用了所谓的ROM卡制式。

二、ROM的定义

ROM是只读存储器（Read Only Memory）的缩写，指的是一组与操作系统紧密相关的硬件存储和映射。它的特点是不同于RAM，ROM的内容一旦写入则不可更改，是非易失性的存储器。

三、NES ROM概述

对于NES游戏机，ROM主要包含两部分，一部分是游戏ROM，另外一部分是NES的内置软件（系统ROM）。这两部分ROM位于不同的地址空间，且大小也不一样。游戏ROM的大小通常是从16KB到步进2倍递增(32KB, 64KB, 128KB等)，而系统ROM大约为40KB左右。

; NES ROM（游戏ROM）的地址空间
$0000-$7FFF： 游戏ROM, 可变大小
$8000-$FFFF： 系统地址空间

四、NES ROM格式

NES游戏ROM格式通常为iNES文件格式，该格式又被称为NES 8-bit ROM格式。iNES文件包含了一些NES游戏的许多信息，比如游戏的作者、版本号、游戏的映射方式等等。

; iNES文件格式
字节     含义
------------------------------ 
0-3      常数 $4E $45 $53 $1A (“NES”后加一个 DOS 结束符)
4        大小为16KB的PRG ROM 块数(代码)
5        大小为8KB的CHR ROM 块数 (图形)
6        bit 0     1-垂直镜像(水平卷轴) 0-水平镜像(垂直卷轴)
         bit 1     1-有SRAM 0-无SRAM
         bit 2     1-有512字节的Trainer 0-无Trainer
         bit 3-15  保留
7        bit 0     1-开启512字节的Trainer 0-不开启Trainer
         bit 1-3   保留
         bit 4-7   Mapper编号
8        块大小3，保留

五、Mapper

Mapper指的是一种将ROM缓存在主存中的软件手段，由于NES的ROM是只读存储器，所以在存储器空间不够的时候就需要使用Mapper技术实现ROM在主内存中的动态缓存。搭配相应的硬件可以实现挂载大容量存储以及实现一些硬件加速。

六、NES模拟器

PC上通常使用NES模拟器模拟来运行NES游戏。模拟器负责将游戏ROM加载到内存中，同时模拟NES的硬件器件。如果模拟器错误地实现了NES硬件，在运行某些ROMs时会出现不正常的问题。

; 一段简单的NES模拟器核心 
class NESMachine {
    public:
        NESMachine() {
            // 初始化CPU, PPU, APU等硬件
            cpu.reset();
            ppu.reset();
            apu.reset();
            rom.reset();

            // 导入ROM文件到内存中
            // 初始化Mapper
            rom.loadFromFile("mario.rom");
            int mapper_number = rom.getMapperNumber();
            mapper.reset(new Mapper_000(mapper_number);
        }

        void runOneFrame() {
            // 运行CPU指令
            cpu.runOneFrame();
            // 更新PPU
            ppu.runOneFrame();
            // 更新APU
            apu.runOneFrame();
        }

    private:
        CPU cpu;
        PPU ppu;
        APU apu;
        ROM rom;
        unique_ptr mapper;
}

七、总结

在NES游戏中，ROM是不可变的，它对游戏机性能产生了很大的影响。ROM的格式和Mapper的实现直接影响了游戏的性能，模拟器也必须实现正确的映像方式，才能准确模拟出NES游戏的运行。

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