Kanazawa Univ. Information System Design

ハードウエアの概要

このページは、何が書いてあるのかざっと目を通しておき、後でプログラミングするときに、必要個所を詳しく読んでください。

cube GBAの仕様

下図のように2プロセッサアーキテクチャとなっています。Z80はGameboyとの互換のために必要となります。ここでは、ARM7TDMIをターゲットとして開発を行います（TDMIのアーキテクチャについては各自で調べてみよう）。メモリは1クロックサイクルでアクセス可能な内部RAMと、アクセスに3クロックサイクル必要な外部RAM、およびLCD表示用のVRAM(Video RAM)に分かれています。プログラムは外部RAMに配置されます。

GBA Architecture CPU core

GBAの構造 ARM7アーキテクチャ

cube メモリマップ

GBAでは、IOの制御もメモリと同じアドレス空間上に配置されたIOレジスタを通して行います。下記のメモリマップを覚えているのはつらいので、ヘッダーファイルに記載して使用します。

種類先頭アドレス容量バス幅説明
スプライト(OAM) 0x0700 0000 1kB 32bit オブジェクトと背景を重ねる機能
VRAM 0x0600 0000 96kB 16bit LCD に表示するデータを入れる
パレット 0x0500 0000 1kB 16bit 256色分色を記憶しておくことができる
IOレジスタ 0x0400 0000 1kB 32bit LCD などの IO 機能を制御するレジスタ
内部RAM 0x0300 0000 32kB 32bit ARM 内蔵の高速メモリ
外部RAM 0x0200 0000 256kB 16bit プログラムを入れる外部メモリ
BIOS 0x0000 0000 16kB 32bit 起動プログラムやファンクションコールを実装したROM

ROMまたはFlashメモリカートリッジは、0x0800 0000 以降に配置。

種類	先頭アドレス	容量	バス幅	説明
スプライト(OAM)	0x0700 0000	1kB	32bit	オブジェクトと背景を重ねる機能
VRAM	0x0600 0000	96kB	16bit	LCD に表示するデータを入れる
パレット	0x0500 0000	1kB	16bit	256色分色を記憶しておくことができる
IOレジスタ	0x0400 0000	1kB	32bit	LCD などの IO 機能を制御するレジスタ
内部RAM	0x0300 0000	32kB	32bit	ARM 内蔵の高速メモリ
外部RAM	0x0200 0000	256kB	16bit	プログラムを入れる外部メモリ
BIOS	0x0000 0000	16kB	32bit	起動プログラムやファンクションコールを実装したROM

cube グラフィクスの構成

LCDの背景表示方法には、ビットマップ・モード（各ピクセルに色を設定）とタイル・モード（8x8pixのタイルを並べる）があります。モードの種類は0～5までありますが、ここではモード0（タイル）とモード3（ビットマップ）を使用します。

１．ビットマップモード（MODE 3）におけるデータの構造

MODE 3 では、1枚の背景(BG2)とその上のオブジェクト（背景の上に表示されるキャラクタ）で画面が構成されます。背景は、ビットマップ表示のため高精細な画像表示に向いています。RGBデータは、上位ビットからBGRの順になっていることに注意してください。

VRAM mapping

２．ビットマップモードにおける VRAM フレームバッファの構成

データ内容	先頭アドレス	容量	バス幅
Objectデータ	0x0614 0000	16kB	2Byte
BG2 RGBデータ	0x0600 0000	80kB	2Byte

３．タイルモード(MODE 0)におけるデータの構造

MODE 0 では、4枚の背景（BG0～BG3）を切り替えながら使用できます。背景は、タイル(8x8pix)を並べたマップ（最大64x64tile）により構成されます。

Tile Screen

４．タイルモードにおける VRAM フレームバッファの構成

タイルモードでは、VRAMをタイルデータ(16kByte単位)とマップデータ(2kByte単位)で共有しますので、各データサイズを計算して、アドレスがが互いに重ならないように注意する必要があります。

先頭アドレス
（容量）タイルデータブロック番号タイルデータブロック番号先頭アドレス
（容量）

0x0601 0000
(32k Byte) オブジェクトデータ

0x0600 C000
(16k Byte) タイルブロック 3 マップブロック 31 0x0600 F800 (2k Byte)

マップブロック 30 0x0600 F000 (2k Byte)

マップブロック 29 0x0600 E800 (2k Byte)

マップブロック 28 0x0600 E000 (2k Byte)

マップブロック 27 0x0600 D800 (2k Byte)

マップブロック 26 0x0600 D000 (2k Byte)

マップブロック 25 0x0600 C800 (2k Byte)

マップブロック 24 0x0600 C000 (2k Byte)

0x0600 8000
(16k Byte) タイルブロック 2 マップブロック 23 0x0600 B800 (2k Byte)

マップブロック 22 0x0600 B000 (2k Byte)

マップブロック 21 0x0600 A800 (2k Byte)

マップブロック 20 0x0600 A000 (2k Byte)

マップブロック 19 0x0600 9800 (2k Byte)

マップブロック 18 0x0600 9000 (2k Byte)

マップブロック 17 0x0600 8800 (2k Byte)

マップブロック 16 0x0600 8000 (2k Byte)

0x0600 4000
(16k Byte) タイルブロック 1 マップブロック 15 0x0600 7800 (2k Byte)

マップブロック 14 0x0600 7000 (2k Byte)

マップブロック 13 0x0600 6800 (2k Byte)

マップブロック 12 0x0600 6000 (2k Byte)

マップブロック 11 0x0600 5800 (2k Byte)

マップブロック 10 0x0600 5000 (2k Byte)

マップブロック 9 0x0600 4800 (2k Byte)

マップブロック 8 0x0600 4000 (2k Byte)

0x0600 0000
(16k Byte) タイルブロック 0 マップブロック 7 0x0600 3800 (2k Byte)

マップブロック 6 0x0600 3000 (2k Byte)

マップブロック 5 0x0600 2800 (2k Byte)

マップブロック 4 0x0600 2000 (2k Byte)

マップブロック 3 0x0600 1800 (2k Byte)

マップブロック 2 0x0600 1000 (2k Byte)

マップブロック 1 0x0600 0800 (2k Byte)

マップブロック 0 0x0600 0000 (2k Byte)

0x0500 0000
(512 Byte) 背景パレットデータ (15bit BGR)

※　0x0600 0000 からの各メモリブロックは、タイルデータかマップデータのどちらかに割り当てられる。

先頭アドレス（容量）	タイルデータブロック番号	タイルデータブロック番号	先頭アドレス（容量）
0x0601 0000 (32k Byte)	オブジェクトデータ
0x0600 C000 (16k Byte)	タイルブロック 3	マップブロック 31	0x0600 F800 (2k Byte)
マップブロック 30	0x0600 F000 (2k Byte)
マップブロック 29	0x0600 E800 (2k Byte)
マップブロック 28	0x0600 E000 (2k Byte)
マップブロック 27	0x0600 D800 (2k Byte)
マップブロック 26	0x0600 D000 (2k Byte)
マップブロック 25	0x0600 C800 (2k Byte)
マップブロック 24	0x0600 C000 (2k Byte)
0x0600 8000 (16k Byte)	タイルブロック 2	マップブロック 23	0x0600 B800 (2k Byte)
マップブロック 22	0x0600 B000 (2k Byte)
マップブロック 21	0x0600 A800 (2k Byte)
マップブロック 20	0x0600 A000 (2k Byte)
マップブロック 19	0x0600 9800 (2k Byte)
マップブロック 18	0x0600 9000 (2k Byte)
マップブロック 17	0x0600 8800 (2k Byte)
マップブロック 16	0x0600 8000 (2k Byte)
0x0600 4000 (16k Byte)	タイルブロック 1	マップブロック 15	0x0600 7800 (2k Byte)
マップブロック 14	0x0600 7000 (2k Byte)
マップブロック 13	0x0600 6800 (2k Byte)
マップブロック 12	0x0600 6000 (2k Byte)
マップブロック 11	0x0600 5800 (2k Byte)
マップブロック 10	0x0600 5000 (2k Byte)
マップブロック 9	0x0600 4800 (2k Byte)
マップブロック 8	0x0600 4000 (2k Byte)
0x0600 0000 (16k Byte)	タイルブロック 0	マップブロック 7	0x0600 3800 (2k Byte)
マップブロック 6	0x0600 3000 (2k Byte)
マップブロック 5	0x0600 2800 (2k Byte)
マップブロック 4	0x0600 2000 (2k Byte)
マップブロック 3	0x0600 1800 (2k Byte)
マップブロック 2	0x0600 1000 (2k Byte)
マップブロック 1	0x0600 0800 (2k Byte)
マップブロック 0	0x0600 0000 (2k Byte)
0x0500 0000 (512 Byte)	背景パレットデータ (15bit BGR)

cube LCDコントロールレジスタ

LCD表示モードの指定は、アドレス 0x0400 0000 のLCDコントロールレジスタで行います。また、同時に背景（BG0～BG3）かオブジェクト（背景の上に表示するキャラクタ）かも指定します。

LCD control register

LCDコントロールレジスタの設定例

STATE HEX Binary Description
Default 0x0080 0000 0000 1000 0000 bit7=1:強制白塗り
MODE 3 0x0403 0000 0100 0000 0011 bit10:BG2の背景を使用
bit0-2:モード3
MODE 0 0x0100 0000 0001 0000 0000 bit8:BG0の背景を使用
bit0-2:モード0

※背景は0～3まであるが、MODE 3ではBG2のみ使用可

STATE	HEX	Binary	Description
Default	0x0080	0000 0000 1000 0000	bit7=1:強制白塗り
MODE 3	0x0403	0000 0100 0000 0011	bit10:BG2の背景を使用 bit0-2:モード3
MODE 0	0x0100	0000 0001 0000 0000	bit8:BG0の背景を使用 bit0-2:モード0

LCDコントロールレジスタへの書き込み方法

実行文の例

gba_reg(LCD_CTL) = LCD_BG2 | LCD_MODE3; // MODE 3 + BG2 ON

上の実行文は gba_reg(p) マクロを利用して、*((volatile hword*) 0x04000000) = 0x0400|0x0003; に置き換えられます。ここで、

0x0400 == 0000 0100 0000 0000
0x0003 == 0000 0000 0000 0011
であることから、アドレス 0x0400 0000 のコントロールレジスタに、0000 0100 0000 0011 (MODE 3) が書き込まれます。このマクロの仕組みは、下図のように汎用レジスタを介したメモリ番地の参照となっており、C言語によるハードウエア制御の基本形ですので覚えておいてください。

LCD control register reference

cube 背景コントロールレジスタ

MODE 0 では、タイルやマップ（タイルを並べて作った背景画面）の使い方を指定するため、背景コントロールレジスタを設定します。背景はBG0～BG3の4枚があり、それぞれに対応する背景コントロールレジスタがあります。

Background control register

仮想スクリーンサイズの定義
bit 14-bit 15 Virtual Screen Size
00 256x256pix (32x32 tiles)
01 512x256pix (64x32 tiles)
10 256x512pix (32x64 tiles)
11 512x512pix (64x64 tiles)

bit 14-bit 15	Virtual Screen Size
00	256x256pix (32x32 tiles)
01	512x256pix (64x32 tiles)
10	256x512pix (32x64 tiles)
11	512x512pix (64x64 tiles)

カラーモード
bit 14-bit 15 Virtual Screen Size
0 16色x16パレット
1 256色x1パレット

bit 14-bit 15	Virtual Screen Size
0	16色x16パレット
1	256色x1パレット

表示優先順位
bit 0-bit 1 Background priority
通常 BG0-BG3全て 00 で使用 BG0 > BG1 > BG2 > BG3

bit 0-bit 1	Background priority
通常 BG0-BG3全て 00 で使用	BG0 > BG1 > BG2 > BG3

設定例
STATE HEX Binary Description
Default 0x0000 0000 0000 0000 0000 仮想スクリーン32x32tile, カラー16色
example 1 0x1C80 0001 1100 1000 0000 仮想スクリーン32x32tile, カラー256色,
タイルブロック0を使用, マップブロック28 (11100)を使用

STATE	HEX	Binary	Description
Default	0x0000	0000 0000 0000 0000	仮想スクリーン32x32tile, カラー16色
example 1	0x1C80	0001 1100 1000 0000	仮想スクリーン32x32tile, カラー256色, タイルブロック0を使用, マップブロック28 (11100)を使用

背景コントロールレジスタへの書き込み方法は、LCDコントロールレジスタへの書き込みの場合と全く同じです。

定数・マクロ定義

typedef unsigned short hword; // 16bit integer #define gba_reg(p) *((volatile hword*) p) // load to conrtol register #define IO_BASE 0x0400 000 // IO base address #define LCD_CTL (IO_base + 0) // LCD control register address #define BG0_CTL (IO_base + 8) // BG0 control register address #define LCD_BG0 0x0100 // Enable BG0 plane #define LCD_BG2 0x0400 // Enable BG2 plane #define LCD_MODE0 0 // LCD mode 0 #define LCD_MODE3 3 // LCD mode 3 #define LCD_BGTILE(n) (n << 2) // BG tile base block #define LCD_BGMAP(n) (n << 8) // BG map base block #define LCD_SIZE00 0x0000 // BG size 32x32tiles #define LCD_COLOR256 0x0080 // BG 256color x 1 palette

実行文の例

gba_reg(BG0_CTL) = LCD_SIZE00 | // 32x32tile LCD_COLOR256 | // 256color LCD_BGTILE(0) | // Tile block 0 LCD_BGMAP(28); // Map block 28 gba_reg(LCD_CTL) = LCD_MODE0 | LCD_BG0; // MODE 0 + BG0 ON

cube オフセットレジスタ

LCDは、デフォルトで仮想画面の左上部分（x=0～240pix, y=0～160pix）を表示しています。オフセットレジスタに、LCD表示部の左上角の座標(0～511 = 9bit)を書き込むと、LCD表示部が、仮想画面上の指定座標へ移動します。

LCD offset register

cube スプライト（オブジェクト）

GBA には、ビットマップやタイルによる背景の上へ、オブジェクトを描く機能（所謂、スプライト）があります。オブジェクトのサイズは、8x8pix～64x64pix までです。背景用のVRAMフレームバッファとは独立したメモリ領域を割り当ててあり、オブジェクトをピクセル単位で高速に移動・回転・拡大することができます。

１．スプライトのデータ構成

２．スプライトのメモリマップ

３．キャラクタ番号の割り当て

４．Object Attribute Memory (OAM)

Object attributes

サイズ (Attribute 1)

00 01 10 11

形状
(Attribute 0) 00 8x8pix
16x16pix
32x32pix
64x64pix

01 16x8pix
32x8pix
32x16pix
64x32pix

10 8x16pix
8x32pix
16x32pix
32x64pix

		サイズ (Attribute 1)
		00	01	10	11
形状 (Attribute 0)	00	8x8pix	16x16pix	32x32pix	64x64pix
01	16x8pix	32x8pix	32x16pix	64x32pix
10	8x16pix	8x32pix	16x32pix	32x64pix

cube キーステータスレジスタ

GBA は、L, R, A, B, Start, Select, カーソルキー（上、下、左、右）の10個の入力キーを持っています。各キーの ON/OFF 状態は、キーステータスレジスタから読み取ることができます。

Key status register

cube タイマー

GBA は、4個のタイマーを持っています。各タイマーは、システムクロック数をカウントする16bitカウンタとして動作します。タイマーの各種モード設定は、タイマー制御レジスタで行います。また、タイマーのカウント初期値 (16bit) の設定及び現在のカウント値の読み出しは、タイマー設定レジスタにより行います。プリスケーラ値は、システムクロック（16.78MHz = 10²⁴Hz）を何クロック毎にカウントアップするか指定します。カスケードスイッチは、タイマーのオーバフロー（桁上がり）をカスケード接続して長時間のカウントを可能にします。この場合は、プリスケーラは無効です。また、オーバフローにより割り込み発生を行うかどうかも指定できます。

タイマーの構造：
Timer

タイマー制御レジスタ：
Timer control register

制御レジスタの設定ビット

カウントイネーブル割り込み発生カスケードスイッチ

0 タイマー動作 0 OFF 0 OFF

1 タイマー停止 1 ON 1 ON

カウントイネーブル	割り込み発生	カスケードスイッチ
0	タイマー動作	0	OFF	0	OFF
1	タイマー停止	1	ON	1	ON

プリスケーラと時間の関係（システムクロック 16.78MHz）

プリスケーラ (2bit) カウントサイクル 1サイクル時間 16bit カウント時間

00（デフォルト） 1 clock 60ns 3.9ms

01 64 clock 3.8us 250ms

10 256 clock 15.3us 1s

11 1024 clock 61us 4s

プリスケーラ (2bit)	カウントサイクル	1サイクル時間	16bit カウント時間
00（デフォルト）	1 clock	60ns	3.9ms
01	64 clock	3.8us	250ms
10	256 clock	15.3us	1s
11	1024 clock	61us	4s

タイマー設定レジスタ：
Timer counter

お問い合わせはこちらまで： kitagawa@is.t.kanazawa-u.ac.jp