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Game Mapper 适配记录：从 Bank Switching 到 IRQ

记录 Rust NES 模拟器如何从固定映射扩展到 16 个 Mapper 编号，以及 bank switching、镜像和 IRQ 在代码里怎么落地。

Nico资深开发工程师 · GeekX 编辑
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NES 模拟器最早只支持 Mapper 0 时，ROM 里的 CPU 程序和图块数据几乎可以直接按地址读取。换一批游戏以后，同样的 CPU 地址会指向不同 ROM bank，PPU 看到的 CHR 也会变化，有些卡带还会自己产生 IRQ。

当前项目最后实现了 Mapper 0、1、2、3、4、7、21、23、34、64、66、67、69、73、87 和 140。适配过程不是给 match 多加十五个编号，而是把卡带从一块静态 ROM 改成一个参与 CPU、PPU 和时钟运行的设备。

这篇先从 Mapper 为什么存在讲起，再记录 bank switching、nametable mirroring 和 IRQ 怎么接进核心。

卡带芯片扩展有限的地址空间

最早的 NROM 卡带比较简单。CPU 能看到最多 32 KiB PRG ROM，PPU 能看到 8 KiB CHR 图块数据，地址基本可以直接对应到 ROM 下标。

后来游戏越来越大，但 NES 的 CPU 和 PPU 地址窗口没有跟着变大。解决办法不是更换主机，而是在卡带里增加电路：CPU 写一个寄存器，卡带就把另一段 ROM 接到当前地址窗口。这个动作就是 bank switching。

可以把它想成一本很厚的书和一扇只能显示一页的窗口。书没有变小，窗口也没有变大；Mapper 负责决定现在把哪一页放到窗口下面。

NESdev 对 Mapper 的定义也是把卡带硬件映射到 CPU 和 PPU 地址空间，其中最常见的能力就是 PRG 与 CHR bank switching。NESdev Mapper 说明

PRG、CHR 与 nametable mirroring

PRG ROM 主要保存 6502 程序和游戏数据，由 CPU 读取。CHR ROM 或 CHR RAM 保存背景与精灵使用的图块，由 PPU 读取。

当前项目关心的几个窗口是：

  • CPU 从 0x8000 到 0xFFFF 读取 PRG ROM；
  • CPU 常通过 0x6000 到 0x7FFF 访问卡带 RAM；
  • PPU 从 0x0000 到 0x1FFF 访问 CHR；
  • PPU 后面的 nametable 区域保存背景图块的排列。

Nametable mirroring 这个名字容易让人误以为是把画面左右翻转。它实际描述的是 PPU 多个逻辑 nametable 地址如何复用有限的物理 RAM。水平、垂直和单屏映射会影响卷轴跨越边界时看到哪块背景。

有些卡带把 mirroring 焊死，有些 Mapper 可以在运行中切换。因此 Mapper 状态不仅决定 ROM bank，也会改变 PPU 的 nametable 地址换算。

NES Mapper 数据路径：CPU 和 PPU 地址先进入 Cartridge，MapperState 根据寄存器选择 PRG 或 CHR bank，PPU 地址边沿和 CPU cycle 还会驱动 IRQ
Mapper 不只处理 ROM 下标：CPU 写寄存器改变映射，PPU 地址与 CPU 时钟还可能推进卡带 IRQ。

代码里先把卡带状态独立出来

Cartridge 保存 ROM/RAM 数据、解析出的 RomInfo、mirroring 和一个 MapperState enum。每种 Mapper 只保存会变化的寄存器状态，例如 bank number、shift register、IRQ counter 和 enable flag。

enum MapperState {
    Nrom,
    Uxrom { bank: u8 },
    Mmc1 { shift: u8, control: u8, prg_bank: u8, /* ... */ },
    Mmc3 { bank_select: u8, banks: [u8; 8], /* ... */ },
    Vrc4 { prg_banks: [u8; 2], chr_banks: [u16; 8], /* ... */ },
    // ...
}

CPU 和 PPU 不知道具体 Mapper 编号。它们只调用 Cartridge 的读写、tick 和 IRQ 接口。这样 CPU 指令实现不需要到处出现 Mapper 分支，差异集中在地址映射、寄存器写入和 IRQ 计数三个位置。

最简单的 bank switching

Mapper 2，也就是 UxROM，只有一个可切换 PRG bank。CPU 的 0x8000 到 0xBFFF 指向选中的 16 KiB bank，0xC000 到 0xFFFF 固定为最后一个 bank。

固定最后一个 bank 很重要，因为 CPU 复位向量和公共跳转代码通常放在那里。游戏切换前半窗口时，后半窗口仍有一段稳定代码可以继续执行。

Mapper 3，也就是 CNROM，反过来保持 PRG 基本固定，只切换 PPU 使用的 8 KiB CHR bank。Mapper 7、34、66 和 140 则是不同粒度的 PRG、CHR 与 mirroring 组合。

代码最终都归结为两步：

  1. 根据 CPU 或 PPU 地址确定窗口 slot；
  2. 根据 Mapper 寄存器选择 bank，再计算 ROM 内部 offset。

这里不能简单相信 bank number 一定在范围内。当前实现会按实际 bank count 取模或限制，避免污染头和不完整 ROM 直接造成越界访问。

Mapper 34 需要进一步区分板型

Mapper 34 可能是 BNROM，也可能是 NINA-001，两者寄存器和 CHR 行为不同。当前项目优先使用 NES 2.0 submapper 区分；旧 iNES 没有 submapper 时，再结合 CHR 容量判断。

BNROM 使用 CHR RAM，主要切换 32 KiB PRG；NINA-001 还可以分别选择两个 4 KiB CHR bank。只按 mapper 等于 34 套一个实现，会让其中一类游戏读到错误图块。

这也是解析 ROM header 不能和 Mapper 实现分开的原因。NES 2.0 增加 submapper，本来就是为了表达旧 iNES 编号无法区分的卡带差异。NES 2.0

MMC1 使用五次串行写入

MMC1 为了减少芯片引脚，使用一个串行 shift register 接收配置。游戏要写入 5 bit 值，需要向 0x8000 到 0xFFFF 连续写五次，每次只提交最低位。bit 7 为 1 时重置 shift register。

完成五次写入后，目标地址范围决定更新 control、两个 CHR bank 或 PRG bank。control 还决定 PRG bank 模式、CHR bank 粒度和 mirroring。

真正踩坑的是 6502 的 read-modify-write 指令。它会在相邻 CPU cycle 连续写两次，真实 MMC1 会忽略第一笔之后的连续周期写入。当前实现把 CPU cycle 一起传进 mapper_write()，记录 lastWriteCycle：

if last_write_cycle.is_some_and(|last| cycle == last.wrapping_add(1)) {
    return;
}

如果 Mapper 只收到地址和值，不知道写入发生在哪个 cycle，就无法还原这个行为。NESdev 的 MMC1 资料也记录了 consecutive-cycle writes，以及它与 read-modify-write 指令的关系。MMC1

这个问题反过来推动了 CPU 总线时序调整：每次真实读写都推进对应 cycle，而不是执行完一条指令后一次性补总周期。

IRQ 是卡带主动打断 CPU

IRQ 是 interrupt request，也就是中断请求。平时 CPU 按程序计数器顺序执行指令；IRQ 到来时，CPU 保存现场并跳到预先设置的处理程序。

游戏可以用 IRQ 在一帧画到特定位置时修改滚动、图块 bank 或其他寄存器。例如画面上半部分滚动游戏场景，下半部分固定显示状态栏。时机差几个 PPU dot，就可能出现抖动、错行或整块画面错误。

不同 Mapper 产生 IRQ 的方法并不统一。有的数 CPU cycle，有的观察 PPU 地址变化，有的两种模式都支持。因此“实现 Mapper”经常不是完成 bank switching 就结束了。

MMC3 不只是更多 bank

MMC3 把 PRG 划成 8 KiB bank，把 CHR 划成两个 2 KiB 和四个 1 KiB bank。bankSelect 的 bit 6、bit 7 还会改变固定 bank 与可切换 bank 的位置。

更麻烦的是 scanline IRQ。MMC3 观察 PPU 地址线 A12。A12 保持低电平足够长后出现上升沿，IRQ counter 才计数。当前实现不是每条扫描线直接减一，而是在每次 PPU 访问卡带时调用 observePpuAddress()，记录：

  • 上一次 A12 是否为高；
  • A12 已经保持低电平多少个 PPU tick；
  • IRQ latch、counter、reload、enabled 和 pending。

满足过滤条件的 A12 上升沿才推进 IRQ counter。这样才能支持依赖 MMC3 IRQ 在一帧中切换滚动或图块 bank 的画面。NESdev 对 MMC3 的说明也指出其 scanline counter 实际由经过过滤的 PPU A12 上升沿驱动。MMC3 IRQ

项目里的《忍者龟 2》回归用例会运行到实际关卡，再比较分屏画面的帧哈希。只测标题画面，覆盖不到这类 IRQ 行为。

VRC、RAMBO 和 Sunsoft 的 IRQ 又不一样

实现 MMC3 后，并不能抽出一个通用 IRQ counter 解决剩余型号。

当前项目里几种典型差异是：

  • VRC4 可以按 CPU cycle 或近似 scanline 的 prescaler 计数，Mapper 21 和 23 的寄存器地址线排列还不同；
  • RAMBO-1 既可以观察 PPU A12，也可以使用 CPU cycle 模式；
  • Sunsoft 3 使用自己的 16 bit counter 和分两次写入的 latch；
  • FME-7 的 IRQ counter 每个 CPU cycle 递减，从 0x0000 回绕到 0xFFFF 时触发 IRQ；
  • VRC3 还有 8 bit、16 bit 模式和 ack 后是否继续 enable 的状态。

例如 FME-7 文档明确描述了 CPU-cycle counter 的递减与回绕触发方式。Sunsoft FME-7 IRQ

因此当前代码只共享最外层接口，不强行把不同硬件塞进一套计数器。每种 MapperState 保留自己的 latch、counter、prescaler 和控制位，tickCpu() 再按型号推进。

Mapper 状态也必须进入存档

bank register 和 IRQ counter 会影响下一条 CPU 读取以及下一帧画面。如果即时存档只保存 CPU、PPU 和 RAM，载入后 Mapper 回到初始值，游戏可能立即跳到错误代码 bank，或者在错误时间触发 IRQ。

当前 MapperState 与 Cartridge RAM 一起参与 Nes 序列化。ROM 本体不重复写进存档；恢复时从当前 Cartridge 把 PRG、CHR ROM 数据重新接回去，并检查状态 envelope 中的 ROM SHA-256。

这也是回滚联机能够工作的基础。checkpoint 必须包含当前 bank 和 IRQ 状态，否则从旧帧重放不会得到原来的结果。

现在的兼容范围

当前支持的 16 个 Mapper 编号覆盖了项目中 476 个 ROM 的现有集合，并通过当前的启动、存档恢复、确定性重放和帧哈希回归。

这不等于完整 NES 兼容：

  • 还有大量 Mapper 没实现；
  • 同一 Mapper 编号下可能存在更多 board revision 和 submapper 差异；
  • 当前回归只覆盖有限输入路径；
  • 一些硬件边沿行为仍可能需要测试 ROM 或与成熟模拟器做差分验证；
  • 项目中个别兼容处理绑定特定 ROM SHA-256，不能推广成通用硬件规则。

从 Mapper 0 扩展到现在，最大的变化不是 match 变长，而是 Cartridge 变成了一个真正有状态、有时钟、能发 IRQ 的总线设备。bank switching 解决“现在读哪一段 ROM”，mirroring 影响 PPU nametable，IRQ 决定“什么时候打断 CPU”。这三部分都进入确定性状态后，存档、回归测试和回滚联机才有可靠基础。

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