ファミコンの詳しい話

詳しい、といったところで、自分で使ってわかったこと/うわさで知ったことが中心で、さらに時間がたって忘れていることも多くあります。間違いがあるかもしれません。

ここから先は、ちょっとディープな人にしか読めないかも。

CPU6502

ファミコンはCPUに6502のカスタム版を使用しています。6502はAppleIIに使用されたことで有名になったCPUです。

6502には、レジスタが６本しかありません。このうち１本はプログラムカウンタで16bit、のこりは全て8bitです。

8bitのレジスタのうち1本はスタックポインタ、１本はフラグレジスタで、いずれもシステムが使用します。残り３本のうち２本はインデックスレジスタです。残りは１本で、これがアキュムレータ（汎用レジスタ）となります。

汎用レジスタが１本ではなにも出来ない・・・という考え方は、一見正しそうで実は間違っています。

6502のメモリは256Byte毎に「ページ」という単位で括られており、このうち0ページ目はAレジスタとともにさまざまな計算が出来るように設計されています。

つまり、この観点で見ると、

6502は256本のレジスタをもっている

ともいえます。

インデックスレジスタであるXYが8bitしかないのも、6502では事実上ページ内のアドレッシングが出来れば十分だからです。また、スタックポインタも同じ理由で8bitとなっており、スタック領域には必ず１ページ目が使用されます。

汎用レジスタが一本しかないため、全ての計算命令はこのレジスタを対象にすることになります。このため、6502のニーモニックにはオペランドが１つしかありません。また、直接の関係はありませんが、ニーモニックは必ず３文字のアルファベットで表わされるため、6502のアセンブリコードは非常に美しいものとなっています。

ファミコンの画面まわり

ファミコンのハードウェアも、そのCPUである6502のように、一見「なにも出来ない」ように見えて奥の深いハードウェアとなっています。

最大の特徴であるスプライトは、８×８dot、４色（うち一色は透明）のものが64枚使えます。これらのスプライトはラインバッファ展開のために横にならぶ個数に制限がありますが、この制限数は当時の常識であった４個ではなく、倍の８個となっています。（もっとも、当時の常識であったスプライトの大きさは16×16dotだったので、画面上に表示できる大きさは同じだということになります）

スプライトキャラクターはROMに焼かれ（ディスクではRAMだった）、256個もつことが出来ます。

キャラクター表示時には上下・左右に反転が可能で、表示パレットは４つのなかから選択でき、表示位置をBGの前にするか後ろにするか選べました。（上下反転・左右反転・表示位置が各１ビット、パレット選択２ビットの合計５ビットを、１バイトに収めてありました）

結局、１つのスプライトは表示座標（X,Y）、表示キャラクター、表示属性の４バイトで表わされることになり、これが64個で256バイトと、丁度6502の１ページの大きさとなっています。

表示画面の大きさは256×240dotで、スプライトとは別の８×８dotのキャラクターを並べることで構成されます。こちらもキャラクターの色は４色、パレットは４つのなかから選ぶことが出来ます。ただし、パレットはキャラクター４つを組みにした16×16dot領域ごとに指定可能でした。

実画面の大きさは256×256dotあり、これが２画面ありました。２画面は繋がっており、繋がる方向はROMカートリッジ内の結線で横か縦を選ぶことが出来ました。

この実画面と表示画面の関係はスクロールレジスタによって変更可能ですが、重ね合せなどは出来ません。

スクロールにはラスタースクロール機能はありません。しかし、ファミコンには「0番スプライトがラインバッファに展開されるときに割り込みを掛ける」という、非常に面白い機能がありました（地雷を置くようだ、ということで通称「０爆弾」）。そこで、ラスタースクロールを行いたい点に透明にした０番スプライトを置いておき、割り込み内でスクロールレジスタをいじることで、事実上のラスタースクロールを行うことが出来ます。

ファミコンの音源

ファミコンの音源は、カスタムCPU内に内蔵されています。これはある意味では「音を重要視しなかった」ということだと思いますが、それなりに興味深い音源となっています。

ファミコンの音源は５チャンネルあり、３つはPSGです。ただし、このPSGは矩型波しか発声することができず、ファミコンの音の硬さはそこから来るものです。

PSGのうち２チャンネルは、矩型波のデューティー比（上下比率）を４段階に変更可能で、これによって多少音色を変更することが出来ます。残りの１チャンネルはデューティー比こそ変えられないものの、ベースパターン用に正弦波っぽい音を出すようになっていました。このPSGの２チャンネルと１チャンネルは、出力系統も別となっており（基盤上でミキシングされていますが）、これを利用してステレオ出力するような改造もよく行われていました。

音源残りの２チャンネルのうち、１チャンネルはノイズです。これは爆発音などによく使われていました。また、最後の１チャンネルはΔPCMなのですが、6502を使用しているファミコンではメモリ喰いのPCM音源が使用されることはまれでした。

ディスクシステムでは、これに加えて２オペレータのFM音源１声が使えるようになりますが、詳しいことは知りません。

追記 2005.4.9

このページにリンクしてくれていたページで、「ファミコンの表示色が良くわからない」という話が書かれていました。

そういえば、その系統の話は書いていなかったかな…　なにぶん、このページは僕がHTML覚えて最初に書いた、自己満足だけで書きなぐったページなので情報が十分ではないです (^^;

せっかくなので、解説を追記しておこうと思います。

まず、ファミコンのパレットは１キャラクター４色です。ただし、必ず透明がありますので実際には３色となります。

この３色セットが、４パレットあります。さらに、このパレットがスプライトとBGで別々に設定できます。

また「すべてが透明」の部分に表示する背景色も指定できます。

つまり、3色*4パレット*2(スプライト・BG別)+1(背景色) = 25 色が１画面中に同時発色できます。

もっと表示したいのであれば、走査線割り込みを使用してパレットを書き換えるという方法があります。

これにより、25色以上出すことも不可能ではありませんが、これはちょっとした裏技ですね。

そして肝心の色指定方法ですが、RGBではありません。

そもそも、テレビ信号というのはRGBを前提にしていません。歴史的な経緯ですが、白黒テレビで使われていた「輝度信号」に、色信号を乗せる形で表現します。（これにより、白黒テレビでもカラー放送を表示できるという下位互換性を確保しています）

所詮「おもちゃ」であるファミコンは、回路を簡単にするためにテレビ信号に変換しやすい方法で色を指定します。

色信号が4bit、輝度信号が2bit の合計 6bitです。

色信号4bitは色相になっているのですが、赤系統４相、青系統４相、緑系統４相の12相しかありません。残りの４相は「無彩色」、つまりグレースケールです。

グレースケールですから、輝度以外に色の違いはありません。４相割り振られている、といっても、実際には４相で４色しか出ません。

つまり、4bit=16相の色相の中で、実際に使用できるのは13相。

これに輝度信号 2bit = 4段階の色がありますから、13*4=52色がファミコンの生成できる色になります。

以上の理由で、ファミコンが使えるのは52色中25色、ということになります。