AGB仕様メモ

ARM7TDMI

• ARMv4Tアーキテクチャ
• 32ビットのRISC CPU
• 16.78MHz = 約59.59ns/clks
• 16つのレジスタを持つ
• 6つのプロセッサモードを持つ
• 2つのCPU状態を持つ
• フェッチ、デコード、実行の3段のパイプラインを持つ

System ROM

• 00000000h-00003FFFh(16KB)
• 16ビット幅
• BIOSが格納される
• 読み書き不可、実行可

EWRAM(External Work RAM)

• 02000000h-0203FFFF(256KB)
• 16ビット幅
• 低速なオンボードメモリ
  • 2クロック分の待ち時間が挿入される
• プログラムやデータを格納する
• マルチブート時、ダウンロードしたプログラムが格納される

IWRAM(Internal Work RAM)

• 03000000h-03007FFF(32KB)
• 32ビット幅
• 高速なオンチップメモリ
• プログラムやデータを格納する

IO RAM

• 04000000-040003FF(1KB)
• 32ビット幅
• 各種機能を制御するメモリマップドなIOレジスタ

Palette RAM

• 05000000h-050003FF(1KB)
  • 05000000h-050001FFhをBGで使う
  • 05000200h-050003FFhをOBJで使う
• 16ビット幅
• 16ビットの色情報を格納する配列として扱う
• 8ビット書き込み不可

VRAM

• 06000000h-06017FFFh(96KB)
• 16ビット幅
• ビデオモードに応じてレイアウトが異なる
  • ビットマップのモードでは色情報または色番号を格納する
  • タイルベースのモードでは各BGのタイル情報とマップ情報を格納する
• 8ビット書き込み不可

OAM(Object Attribute Memory)

• 07000000h-070003FF(1KB)
• 32ビット幅
• OBJの制御情報を格納する
• 8ビット書き込み不可

GamePak ROM

• 08000000h-09FFFFFFh(最大32MB)
• 16ビット幅
• ゲームデータが格納される
• WAITCNTの2-3ビット目の値に従って初回のアクセスに待ち時間が挿入される
• WAITCNTの4ビット目の値に従って後続の連続アクセスに待ち時間が挿入される
• 書き込み不可
• 通常はこちらが使われる

GamePak ROM

• 0A000000h-0BFFFFFFh(最大32MB)
• 16ビット幅
• ゲームデータが格納される
• WAITCNTの5-6ビット目の値に従って初回のアクセスに待ち時間が挿入される
• WAITCNTの7ビット目の値に従って後続の連続アクセスに待ち時間が挿入される
• 書き込み不可

GamePak ROM

• 0C000000h-0DFFFFFFh(最大32MB)
• 16ビット幅
• ゲームデータが格納される
• WAITCNTの8-9ビット目の値に従って初回のアクセスに待ち時間が挿入される
• WAITCNTの10ビット目の値に従って後続の連続アクセスに待ち時間が挿入される
• 書き込み不可

GamePak RAM

• 0E000000h-0E00FFFFh(最大64KB)
• 8ビット幅
• セーブデータを格納する
• WAITCNTの0-1ビット目の値に従ってアクセスに待ち時間が挿入される
• 8ビットの読み書き可

タイミング

• HDraw：1行分を更新するのにかかる時間
  • 960サイクル(240ピクセル分)かかる
• HBlank：1行を更新し終わってから次の行の更新が始まるまでの空き時間
  • 272サイクル(68ピクセル分)かかる
• スキャンライン：HDraw + HBlank = 1232サイクル
• VDraw：1画面分を更新するのにかかる時間
  • 197120サイクル(160スキャンライン分)かかる
• VBlank：1画面を更新し終わってから次の画面の更新が始まるまでの空き時間
  • 83776サイクル(68スキャンライン分)かかる

ビデオモード

• DISPCNTの0-2ビット目でビデオモードを指定する
  • 0, 1, 2 => タイルベース方式
  • 3, 4, 5 => はビットマップ方式

スクロール

• モード0のBGに対して適用される
• 左上を(0, 0)として、BG#HOFSとBG#VOFSの値だけ表示位置がオフセットされる

アフィン変換

• モード2,3,4,5のBG2,3に対して適用される
• BG#XおよびBG#Yは平行移動成分を指定する
  • 28ビットの符号付き固定小数点数で表現される
    • 0-7：小数点以下
    • 8-26：整数部
    • 27：符号
    • 28-31：未使用
• BG#PA、BG#PB、BG#PC、BG#PDは変換行列の各成分を指定する
  • $\left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D \end{array} \right]$
  • 16ビットの符号付き固定小数点数で表現される
    • 0-7：小数点以下
    • 8-14：整数部分
    • 15：符号

const int SCREEN_WIDTH = 240;
const int SCREEN_HEIGHT = 160;
for (int dst_y = 0; dst_y < SCREEN_HEIGHT; dst_y++) {
  int src_x = BG2X, src_y = BG2Y;
  for (int dst_x = 0; dst_x < SCREEN_WIDTH; dst_x++) {
    draw(src_x, src_y, dst_x, dst_y);
    src_x += BG2PA;
    src_y += BG2PC;
  }
  BG2X += BG2PB;
  BG2Y += BG2PD;
}

属性

• エントリあたり8バイトの情報を用意する
• 7-8バイト目は変換行列の成分を順々に配置する
  • 例えば0番目の行列は07000006hにPA、0700000EhにPA、07000016hにPC、0700001EhにPDを格納する

struct ObjectAttribute {
  // attribute 0
  struct {
    uint16_t y : 8;  // Y座標
    uint16_t enable_transformation : 1;  // 変換するか
    uint16_t enable_double_size : 1;  // サイズを2倍にするか
    uint16_t mode : 2;  // 0:通常、1:半透明、2:ウィンドウ
    uint16_t enable_mosaic : 1;  // モザイクを有効化するか
    uint16_t palette_mode : 1;  // 0:16色、1:256色
    uint16_t shape : 2;  // 0:正方、1:横長、2:縦長
  };

  // attribute 1
  union {
    // 変換ありの場合
    struct {
      uint16_t x : 9;  // X座標
      uint16_t transformation_matrix_index : 5;  // 変換行列のインデックス
      uint16_t size : 2;  // shape = 0のとき、0:8x8、1:16x16、2:32x32、3:64x64
                          // shape = 1のとき、0:16x8、1:32x8、2:32x16、3:64x32
                          // shape = 2のとき、0:8x16、1:8x32、2:16x32、3:32x64
    };
    
    // 変換なしの場合
    struct {
      uint16_t x : 9;  // X座標
      uint16_t _unused_29 : 3;
      uint16_t enable_horizontal_flip : 1;  // 水平方向に鏡写しにするか
      uint16_t enable_vertical_flip : 1;  // 垂直方向に鏡写しにするか
      uint16_t size : 2;  // shape = 0のとき、0:8x8、1:16x16、2:32x32、3:64x64
                          // shape = 1のとき、0:16x8、1:32x8、2:32x16、3:64x32
                          // shape = 2のとき、0:8x16、1:8x32、2:16x32、3:32x64
    };
  };

  // attribute 2
  uint16_t tile_offset : 10;  // 06010000hからタイルへの32B単位のオフセット
                              // => 256色モードでは必ず偶数になる
                              //    ビットマップモードでは512から1023までの範囲になる
  uint16_t priority : 2;  // 0を最前面とする優先度
  uint16_t palette_index : 4;  // 16色モードの場合のパレット番号

  // attribute 3
  uint16_t transformation_matrix_element;  // 変換行列の成分
};

union TransformationMatrix {
  ObjectAttribute attributes[4];
  struct {
    uint16_t _attributes_pa[3];
    fixed16_t pa;
    uint16_t _attributes_pb[3];
    fixed16_t pb;
    uint16_t _attributes_pc[3];
    fixed16_t pc;
    uint16_t _attributes_pd[3];
    fixed16_t pd;
  };
};

タイル

• 8x8ピクセルを1タイルとする
• OBJに割り当てられるVRAM領域はビデオモードによって異なる
  • モード0,1,2では32KB
  • モード3,4,5では16KB
• 加えて、扱う色数によって格納できるタイル数が決まる
  • モード3と256色モードで256タイルを格納できる
  • モード0と16色モードで1024タイルを格納できる

// 16色モードでのタイル
union ObjectTile16Row {
  uint32_t combined_pixels;
  struct {
    uint32_t _0 : 4;
    uint32_t _1 : 4;
    uint32_t _2 : 4;
    uint32_t _3 : 4;
    uint32_t _4 : 4;
    uint32_t _5 : 4;
    uint32_t _6 : 4;
    uint32_t _7 : 4;
  };
};
struct ObjectTile16 {
  ObjectTile16Row rows[8];
};

// 256色モードでのタイル
struct ObjectTile256Row {
  uint8_t pixels[8];
};
struct ObjectTile256 {
  ObjectTile256Row rows[8];
};

ウィンドウ

• ウィンドウの内側または外側に表示するBGおよびOBJを制御できる

モザイク

• 水平または垂直方向にピクセルを伝播させる機能を持つ
  • 左端または上端の色を何ピクセル先まで伝播させるかを制御できる

ブレンディング

• アルファブレンディング、フェードイン、フェードアウトを行う機能を持つ
• BGまたはOBJのうち、最前面であるものを第1ターゲットとし、それより後ろにある最も近いものを第2ターゲットとする
  • 対象となるBGやOBJはそれぞれ別に指定できる

割り込み処理

• システムの割り込みハンドラのアドレスは03FFFFFChに格納する
  • ARMステートのコードであること
• 発生した割り込みの種類はIFの各ビットから確認できる

レジスタ

• DMA#SADはコピー元のアドレスを入れる
• DMA#DADはコピー先のアドレスを入れる
• DMA#CNT_Lはワードの個数を入れる
  • ワードの大きさはDMA#CNT_Hの10ビット目に16ビットか32ビットかを指定する

内部状態

• 実際の転送処理はレジスタとは別の内部状態を持つ
  • DMA#SAD、DMA#DAD、DMA#CNT_Lは初期値として用いる
  • DMA#CNT_Hの15ビット目を0から1に書き換えると内部状態を初期化する
• リピートしない設定の場合、転送が完了するとDMAは自動的に無効化される
• リピートする設定の場合、転送が完了してもDMAは有効化されたまま
  • スタート条件を満たすたび、転送を再開する

想定される使用用途

• DMA0：HBlank中のデータ転送
  • HBlank中に制御情報を書き換えることでより柔軟な表現が可能になる
    • ラスタースクロール
    • スキャンラインごとにスクロール位置を変える
    • より高度なモード7表示
    • 途中でビデオモードを切り替える
    • 任意形状のウィンドウ
• DMA1,2：サウンドのストリーミング
  • サウンドコントローラと協調動作する特別モードがある
• DMA3：GamePak ROMのデータ転送
  • 唯一、ワードの個数を16ビットまで取れる(最大64KBを転送できる)

チャネル1：矩形波

• SOUND1CNT_L、SOUND1CNT_H、SOUND1CNT_Xで制御する
• $131072 / (2048 - X[0:10])$Hzを基本として$(64 - H[0:5]) / 256$秒だけ鳴らす
• X[14]が1であれば、再生時間を超過するときにマスタレジスタをクリアする

チャネル2：矩形波

• スイープできない以外はチャネル1と同じ
• SOUND2CNT_LはSOUND1CNT_Hと同様のレイアウトを取る
• SOUND2CNT_HはSOUND1CNT_Xと同様のレイアウトを取る

チャネル3：波形メモリ

• $2097152 / (2048 - X[0:10])$Hzのサンプルレートで$H[0:7] / 256$秒だけ再生する
• 32サンプルの2バンクモードと64サンプルの1バンクモードがある
• サンプルあたり4ビットの波形データを16バイトのWAVE_RAMに書き込む
  • 書き込み先のバンクはL[6]で指定する
• 音量はH[13:15]の値に従って指定する
  • 0 => 0%
  • 1 => 100%
  • 2 => 50%
  • 3 => 25%

チャネル4：ノイズ

• 7段または15段の線形帰還シフトレジスタ(Linear Feedback Shift Register; LFSR)
  • 段数はH[3]で指定する
• $(524288 * 2^{(H[4:7] + 1))} / H[0:2]$Hzで$(64 - L[0:5]) / 256$秒だけ再生する
  • ただし、H[0:2]が0のときは代わりに$H[0:2] = 0.5$として計算する
• エンベロープは$L[8:10] / 64$秒の間隔で増減する
• H[14]を立てると、L[0:5]の分だけ再生した後に自動で停止する
• 再生中にレジスタを書き換えても大丈夫
  • エンベロープの初期音量（H[12:15]）や周波数の分割数（H[0:2]）などを反映するにはH[15]を立てて初期化する必要がある

チャネルA,B：PCM

• サンプルあたり8ビットの音声データをFIFOに書き込む
  • 一度に4サンプルずつを計32サンプルを書き込むことができる
• タイマー割り込みかDMAを使ってサウンドエンジンのサンプル消費に合わせて書き込む
  • 基本的にはDMA1,2を使ってサンプルを書き込む
  • シリアル通信と併用したいときはタイマー割り込みで処理する

00h - SoftReset

• ソフトリセット
• AGBをリセットして80000000hから実行し直す？

01h - RegisterRamReset

• 指定したメモリやレジスタをクリアする
• 引数：
  • r0：フラグ
    • 0：EWRAM
    • 1：IWRAM(末尾512Bを除く)
    • 2：Palette RAM
    • 3：VRAM
    • 4：OAM
    • 5：SIOレジスタ
    • 6：サウンドレジスタ
    • 7：その他すべてのレジスタ

02h - Halt

• 割り込みが発生するまでCPUを停止させる
  • CPU以外は生きたまま

03h - Stop

• ハードウェアの大部分を割り込みが発生するまで停止させる
  • CPU、クロック、サウンド、ビデオ、SIOのシフトクロック、DMA、タイマーは停止する
  • キーパッド、GamePak、汎用用途SIOは生きている
• “システムクロックが止まっているのでIFフラグはセットされない”

04h - IntrWait

• 指定の割り込みが発生するまでCPUを停止させる
• 発生した割り込みに応答するとき、3007FF8hの当該ビットを立てる
• 引数：
  • r0：開始時に確認用フラグをクリアするか
  • r1：待機する割り込みの種別フラグ(IEやIFと同じレイアウト)

05h - VBlankIntrWait

• VBlank割り込みが発生するまでCPUを停止させる
• r0 = 1とr1 = 1でswi 0x04を実行するのと同じ

06h - Div

• 整数の除算を計算する
• ゼロ除算は無限ループを引き起こす
• 引数：
  • r0：分子(符号あり32ビット整数)
  • r1：分母(符号あり32ビット整数)
• 戻り値：
  • r0：商(符号あり32ビット整数)
  • r2：剰余(符号あり32ビット整数)
  • r3：商の絶対値(符号なし32ビット整数)

07h - DivArm

• 引数の順序が入れ替わっているDiv
• Divより若干(3クロック)遅い

08h - Sqrt

• 整数の平方根を計算する
• 引数：
  • r0：$x$(符号なし32ビット整数)
• 戻り値：
  • r0：$\sqrt{x}$(符号なし16ビット整数)

09h - ArcTan

• アークタンジェントを計算する
• $0 \le x \le 1$の範囲で有効
• 引数：
  • r0：$x$(16ビット固定小数点数)
    • 0-13：小数点以下
    • 14：整数部分
    • 15：符号
• 戻り値：
  • r0：ラジアン角(符号あり16ビット整数)
    • $[-32768, 32768)$が$[-\pi, \pi)$にマッピングされる

0Ah - ArcTan2

• $\arctan(y/x)$を計算する
• 引数:
  • $x$(符号あり32ビット整数)
  • $y$(符号あり32ビット整数)
• 戻り値：
  • r0：ラジアン角(符号あり16ビット整数)
    • $[-32768, 32768)$が$[-\pi, \pi)$にマッピングされる

0Bh - CpuSet

• 2バイトまたは4バイト単位でデータをコピーする
• 引数：
  • r0：コピー元のアドレス
  • r1：コピー先のアドレス
  • r2：
    • 0-20：転送回数
    • 24：コピー元アドレスを固定するか
    • 26：転送単位サイズ(0 => 16ビット、1 => 32ビット)

0Ch - CpuFastSet

• 4バイト単位でデータをコピーする
• AGBでは32バイト単位に丸められる
• 引数：
  • r0：コピー元のアドレス
  • r1：コピー先のアドレス
  • r2：
    • 0-20：4バイト単位の個数
    • 24：コピー元アドレスを固定するか

0Dh - BiosChecksum

• BIOSのチェックサムを取得する
  • 32ビット単位で足し合わせる
  • GB系のBIOSは0xBAAE187Fを返す
  • DS系のBIOSは0xBAAE1880を返す
• 戻り値：
  • r0：チェックサム

0Eh - BgAffineSet

• BGの変換行列を計算する
• 引数：
  • r0：入力データの配列へのポインタ
  • r1：出力データの配列へのポインタ
  • r2：配列の個数

struct Input {
  int32_t center_x;  // 中心のX座標(8ビットの小数部)
  int32_t center_y;  // 中心のY座標(8ビットの小数部)
  int16_t display_x;  // ディスプレイの中心のX座標
  int16_t display_y;  // ディスプレイの中心のY座標
  int16_t scaling_x;  // X方向の拡大率(8ビットの小数部)
  int16_t scaling_y;  // Y方向の拡大率(8ビットの小数部)
  uint16_t rotation;  // 回転角(0-65536が0-360にマッピングされる)
};

struct Output {
  int16_t pa;  // $a_{11}$
  int16_t pb;  // $a_{12}$
  int16_t pc;  // $a_{21}$
  int16_t pd;  // $a_{22}$
  int32_t x;  // X軸の平行移動成分
  int32_t y;  // Y軸の平行移動成分
};

0Fh - ObjAffineSet

• OBJの変換行列を計算する
• 引数：
  • r0：入力データの配列へのポインタ
  • r1：出力データの配列へのポインタ
  • r2：配列の個数
  • r3：ストライド(2=連続、8=OAM)

struct Input {
  int16_t scaling_x;  // X方向の拡大率(8ビットの小数部)
  int16_t scaling_y;  // Y方向の拡大率(8ビットの小数部)
  uint16_t rotation;  // 回転角(0-65535が0-360にマッピングされる)
};

struct OutputWithStride2 {
  int16_t pa;  // $a_{11}$
  int16_t pb;  // $a_{12}$
  int16_t pc;  // $a_{21}$
  int16_t pd;  // $a_{22}$
};

struct OutputWithStride8 {
  int16_t dummies0[3];
  int16_t pa;  // $a_{11}$
  int16_t dummies1[3];
  int16_t pb;  // $a_{12}$
  int16_t dummies_c[3];
  int16_t pc;  // $a_{21}$
  int16_t dummy_for_pd[3];
  int16_t pd;  // $a_{22}$
};

ヘッダ

• ROMの先頭192バイトは実行可能な領域でありながらROMのヘッダ情報が格納される
• エントリポイントである80000000hにはヘッダを避けるためのジャンプ命令がある