NES 模拟器开发教程 11 - PPU 精灵

了解 background 如何绘图之后，sprite 也就简单一些了

1. OAM

细心的人可能会注意到，结合到 PPU 内存映射时会发现，PPU 总线上没有和 sprite 直接相关的信息

pattern table：存储图像数据
name table：存储 background 在 pattern table 的索引
palette：调色板

以上数据没有任何一个指明了 sprite 的信息，那么 sprite 信息是放在哪里的？
这里就要提到 OAM 了，OAM 全称 Object Attribute Memory，位于 PPU 芯片中，一共 256 bytes，一个 sprite 用 4 bytes，所以总共能表示 64 个 sprite。但是 OAM 并不存在于 PPU 或 CPU 总线上，需要 CPU 通过 PPU 寄存器或者 DMA 方式才能写入

寄存器写入
通过 OAMADDR（0x2003）和 OAMDATA（0x2004）写入 OAM 数据，写入前首先通过 OAMADDR 写入起始地址，之后通过 OAMDATA 写入数据，数据可以连续写入，每写入一次地址自动 +1
DMA 写入
通过 OAMDMA（0x4014）写入 CPU PAGE 地址，之后 DMA 会自动将 CPU 整个 PAGE 的数据拷贝到 OAM 中。CPU PAGE 为 256 bytes，比如往 OAMDMA 写入 2，则会将 CPU 总线上的 0x200 ~ 0x2FF 的数据拷贝到 OAM。另外，DMA 会占用 512 个 CPU 时钟（奇数 CPU 周期还会再加一个时钟，前期可以先不考虑）
DMA 写入速度快于寄存器写入，所以追求效率的时候会采用此方式

2. Sprite 数据

一个 Sprite 在 OAM 中需要 4 bytes：

Byte 0:
Sprite 的 Y 坐标
Byte 1:
```
76543210
||||||||
|||||||+- Bank ($0000 or $1000) of tiles
+++++++-- Tile number of top of sprite (0 to 254; bottom half gets the next tile)
```
该字节类似于 name table，sprite 有 2 种模式：
1. 8 x 8
  整个 byte 类似于 name table，由 PPUCTRL 的 bit 3 选取 bank 之后，加上自身数据 x 16 得到偏移量
2. 8 x 16
  该模式下 PPUCTRL 的 bit 3 不再起作用，bank 由 bit 0 决定，并且偏移量不再是 x 16，而是 x 32，具体参考 http://wiki.nesdev.com/w/index.php/PPU_OAM，讲得非常清楚
Byte 2:
```
76543210
||||||||
||||||++- Palette (4 to 7) of sprite
|||+++--- Unimplemented
||+------ Priority (0: in front of background; 1: behind background)
|+------- Flip sprite horizontally
+-------- Flip sprite vertically
```
bit 0-1 决定高 2 bit 的 palette，类似于 attribute table 的功能
bit 5 决定优先级，如果 sprite 像素和 background 像素都不是透明像素的情况下（即 palette index % 4 != 0），则决定了到底显示 sprite 还是 background
bit 6-7 决定是否翻转像素，比如人物往右走设置为不翻转，往左走则设置为垂直翻转
Byte 3:
Sprite 的 X 坐标

3. Sprite 0 hits

Sprite 有一个非常特殊的地方，叫 精灵 0 命中，如果不实现这个功能的话，很多游戏都没法正常运行，比如马里奥 1，没实现的情况下，会一直卡在主界面

该功能的作用是，如果 PPU 在渲染的时候，如果 background 的不透明像素与 sprite 0 的不透明像素重叠的时候，会产生 sprite 0 hits，并且在当前帧只会产生一次

同时，产生 hit 也是有条件的，具体参考：http://wiki.nesdev.com/w/index.php/PPU_OAM#Sprite_zero_hits

那么它的作用是什么？主要用来分割屏幕。之前在 background 时介绍过，CPU 通过 PPUSCROLL 来控制背景移动，但是如果希望屏幕上半部分静止，下半部分移动呢？比如马里奥 1：

giphy.gif

可以看到顶部的状态栏始终是静止的，如果 CPU 不知道 PPU 绘制到哪里的情况下，这个功能没有办法实现。通过 sprite 0，放置一个 sprite 到需要的地方，产生 hit 之后，CPU 再修改 PPUSCROLL，就能达到屏幕分割的效果了

4. 时序

这个图前面 2 章看过好几遍了

tim

相对于 background，sprite 时序简单一些

sprite 只在 pre-render line 和 visible line 求值，在 visible line 与 background 一起渲染

PPU 内部有一块 Secondary OAM 内存，大小为 4 * 8 = 32 bytes，用来存储当前扫描线上的 8 个 sprite，这也从侧面说明：PPU 最多支持 8 个 sprite 在一条 scanline 上

Scanline 的 1 - 64 周期，会清空 Secondary OAM，将 Secondary OAM 的值全写为 0xFF
Scanline 的 65 - 256 周期，对下一条 scanline 的 Secondary OAM 求值，遍历 OAM 内存，将符合对应 scanline 的 OAM 写入 Secondary OAM
Scanline 的 257 - 320 周期，通过 Secondary OAM，计算对应 scanline 的 OAM 像素值，用于之后的渲染

详细操作参考：http://wiki.nesdev.com/w/index.php/PPU_sprite_evaluation

5. 总结

至此 PPU 的原理已经全过了一遍了，sprite 内存数据和显示这里也就不展示了，和 09 章对 background 数据举例的流程相同。另外代码也就不举例了，PPU 相比 CPU 确实复杂太多，没法切分为小段代码。最好结合 fceux 强大的调试功能，结合源码查看

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