Virtual Boy架构

让我们回顾一下正确显示图形的要求：

• Virtual Boy必须显示两帧。
• 每帧的分辨率为384x224像素。
• 调色板由深浅不同的红色和黑色（即LED熄灭时）组成。
• 场景需要应用视差效果。

好消息是，所有这些都由任天堂制造的专用芯片，视频图像处理器（Video Image Processor，"VIP"）进行加速。 它继承了旧版PPU的一些功能，但我认为它与前代产品完全不同。

架构

VIP初看起来可能是另一个图块（Tile）引擎，但它要比这先进得多。 首先，它不仅能处理图形数据，还能控制扫描仪。

此外，传统的图块引擎是按扫描线渲染图形，而VIP则采用帧缓冲器架构，将最终帧作为位图存储在内存中，然后发送显示。 这更接近现代3D着色器的工作方式。 事实上，Virtual Boy更进一步，采用了某种翻页（page flipping）方式，即每个显示单元存储两个帧缓冲区，扫描仪在拾取一个缓冲区的同时，VIP正在写入另一个缓冲区。 所有这些都有助于防止画面撕裂。

VIP的架构

尽管如此，VIP可以分为三个主要部分：

• 像素处理器（Pixel Processor，"XP"）：生成背景和精灵，与PPU相似。 它将最终处理过的位图发送到内存中的帧缓冲区。
• 显示处理器（Display Processor，"DP"）：控制扫描仪并发送帧缓冲区以供显示。
• 接口： 提供对两个内存块的访问：128 KB的VRAM和128 KB的DRAM。 它们还在VRAM和CPU（VIP端称为"主机"）之间进行访问仲裁。

总体而言，流水线非常简单：

1. CPU通过写入VIP的内部寄存器和向VRAM和DRAM中填充所需的素材来设置VIP。
2. 然后，XP将生成帧缓冲区并存储在VRAM中。
3. DP选择所需的帧缓冲区，并将其发送到扫描仪进行显示。 具体做法是将帧每次复制四列，复制到VRAM中称为串行访问内存（Serial Access Memory，"SAM"）的小型缓冲区，并自动广播给扫描仪。

硬件组织

VIP的内存布局

在开发人员方面，XP和DP使用两块内存：

• 128 KB DRAM用于存储将要处理的图形数据。
• 128 KB 的 VRAM用于存储DP将寻找的帧缓冲区。
  • 由于我们有两个显示单元，因此总共需要四个帧缓冲区。 生成的每个位图宽度为24 KB，因此我们需要分配96 KB内存。 剩余的32 KB被XP用于存储图块。

请注意，这个VRAM是"真正的"双端口DRAM，而不仅仅是为图形预留的RAM块（任天堂也称之为"VRAM"）。 双端口DRAM允许两个设备同时读取，这就解释了为什么XP可以在扫描仪读取VRAM的同时写入它。

此外，任天堂使用的 VRAM 芯片在现成的产品目录中找不到。 有关它的文件不多，但从专利申请中描述的信息来看，SAM可能存储在该芯片内部的一个单独区域中。 该区域可能由SRAM代替，并包含额外的电路，使扫描仪能够一次读取16个位。

构造一帧

让我们深入了解一下像素处理器是如何绘制单帧图像的。 为此，我将借用Virtual Boy瓦里奥大陆（Virtual Boy Wario Land）的资产。 我强烈建议大家阅读以前的图块引擎，以便更轻松地理解讲解。

图块

VRAM中发现的图块

VRAM中发现的被网格分隔的图块

我们之前已经了解过传统图块引擎是如何使用8x8位图构建图层的。 就Virtual Boy而言，图块（最初称为"字符"）存储在 VRAM 中一个名为图案表（Pattern table）的区域中。 声明的每个图块占用2字节，因此有足够的空间容纳2048个图块。

在颜色方面，开发人员可以构建8个调色板，其中4个用于背景图形，另外4个用于精灵。

有人可能会问，如果LED是单色的，调色板有什么用？ 这样，开发人员就可以使用不同色调的红色。 这些色调是通过改变LED的亮度获得的。 亮度设置存储在两个寄存器中，然后在调色板中引用这两个寄存器来编排不同的色调。 这样得到的调色板将包含两种自定义红色，加上根据两种红色的总和自动计算出的另一种红色，以及最后的"透明"色。

背景

背景图层0 (BG0)。

背景图层1 (BG1)。
在游戏过程中，该图层大部分时间是隐藏的，而在按下暂停键后则会完全显示出来。

背景图层2 (BG2)。

背景图层非常简单，选取图块组成一张512x512的地图（64x64图块，共4096个图块）。 现在，事情还没有结束，因为我们不是只有一个背景层可用...... 我们有14层！

每个单独的背景图层称为一个段（Segment）。 单个段可容纳8 KB内存，其中每个图块引用包含H/V(水平/垂直)翻转属性和调色板索引。 每个图块引用占用2字节内存。

像素处理器还允许组合不同的段来生成更大的图层，但只有一组组合可用。 最大的组合包括8个段。

精灵

精灵（任天堂称之为"对象"）是具有独立坐标的单个图块，但占用更多内存。

在DRAM中有一个名为OAM的地方，分配有8 KB的内存，这里就是定义精灵的地方。 每个精灵定义占用8个字节，因此最多可声明1024个精灵。

每个精灵都有以下可用属性：

• X 和 Y 坐标。
• 一个标志，用于决定是在左侧屏幕、右侧屏幕还是同时在两个屏幕上显示。
• 视差偏移，允许应用自动视差：每个屏幕显示精灵时都会有轻微的水平偏移。
  • 该值是有符号的： 如果该值为正数，则会使精灵看起来更远。 相反，如果偏移量为负值，则会使其看起来更近。
• 使用的图块索引。
• H/V翻转。
• 调色板索引。

你还会注意到，本段介绍没有显示屏幕截图，下一段将解释原因。

窗口

世界1

世界2
这个画面在两个显示器上都被渲染

世界3
暂停游戏时，这个画面就会展开

世界4
这就是我在上一段欠您的那个"精灵层"

分层系统初看起来可能很简单，毕竟VIP提供了"背景"层和"精灵"层。 那么，我们还需要什么呢？

事实上，要显示前面提到的任何图层，我们都必须将它们放入一个名为窗口（也称为"世界"）的"桶"中。 窗口是将被渲染到屏幕上的实际平面，它由之前构建的图层填充。 共有32个窗口，它们将重叠形成最终的画面，每个窗口声明占用32个字节。

窗口提供不同的渲染模式。 您可以抓取一个背景层或精灵层，并按原样显示。 为此，窗口必须设置为正常模式或对象模式，具体取决于您使用的图层类型。 不过，您也可以利用其他模式，在背景层上应用额外的效果：

• 线条移动模式： 可以水平移动单行像素。 这类似于水平中断时应用的老式效果。
• 仿射模式： 顾名思义，你可以应用仿射变换！ (缩放、旋转或组合形成透视投影 ）

结果

嗒哒——！

设置好一切后，像素处理器将开始渲染32个窗口。 完成后，最后一帧将被放入帧缓冲区。 其他显示单元也会重复这一过程。

由于系统采用双缓冲设计，显示处理器将始终获取像素处理器未处理的帧缓冲区，从而大大避免了撕裂。 在下一个活动时间段，像素处理器将覆盖DP之前显示的帧，以此类推。

如果需要渲染的内容不多（即很少使用窗口），在写入帧缓冲区和DP提取帧缓冲区之间会有很长的间隔。 这样，CPU就可以根据需要对帧进行额外更改。 VIP也为此做好了准备：CPU可以设置中断来检查VIP的各种状态，包括这种情况。

另一方面，如果有太多的仿射模式窗口需要渲染（例如），XP可能会"错过最后期限"，从而导致掉帧。 幸运的是，也有中断可以检测到这种情况。 无论如何，官方文档都提供了每种图层所需的时间。

创意内容

如您所见，这款游戏机中的技术远不止这些。

正在运行的仿射模式，显示初始背景地图

应用透视投影的已渲染地图

用户看到的一帧

起初，我以为Game Boy Advance是近11年后第一款能重构超级任天堂广受好评的模式7的便携式游戏机。 结果发现一直以来都是5年后的Virtual Boy。 但即便如此，我们之前已经看到，Virtual Boy中的仿射变换可以应用于32层中的每一层（尽管有一些限制）。

此外，所有这些新功能都能与视差效果一起使用，而VIP也能做到这一点。

我在想，如果这台游戏机的寿命能够再长一点，让开发人员能够更好地使用这种硬件，我们会看到什么样的游戏呢？

另一个有趣的功能是，通过允许CPU更改帧缓冲区，如果VIP无法满足开发人员的需求，他们就可以构建自己的着色器。 一些游戏就是依靠它来呈现创新图形的。 例如，红色警报（Red Alarm）采用了由CPU渲染的多边形构建的场景。

红色警报（1995）

水世界（Waterworld）（1995）

遗憾的是，像可见表面确定这样的基本问题并不总是能得到很好的解决，我不确定这是否是由于CPU的限制造成的。 总之，这导致场景变成了杂乱无章的网格，玩家很难分辨哪些物体在其他物体后面。