世嘉土星30周年纪念 世嘉土星硬件机能解析

n805

立体多边形（polygon）

# K9 i7 U  O3 D/ L1 K: a: C" k6 b土星通过将精灵图变形来展现多边形。这是上一篇文章已经提到过的事情。
三次元坐标通过旋转矩阵（请自行百度谷歌），在空间内自由移动；通过单应性变换，将坐标变为2次元。重复这一运算，将4个点变为2次元坐标，并以这四个坐标为顶点绘制四边形。这就成了立体多边形。这个多边形可以给四个顶点设置颜色计算出渐变，也可将事先准备好的图形贴上。只是这些运算需要时间，所以图像显示是能会有所下降。
' X, j$ W4 P8 s0 N3 V1 e, b3 xPS则是可以选择绘制三角形或是四边形。但基本原理和刚才说的差不多。所以绘制多边形能力的差，和绘制精灵图能力的差是相同的。
上回写到，土星的图像显示能力接近PS2倍。虽然这个事实可能很意外，但土星绘制多边形的能力强于PS。
这时候大家会想了「不是说土星比PS不擅长3D游戏么?」。
下文会详细说明，不过这里先提一下。计算在3D空间里元件的位置，并考虑摄影机的角度将这些元件的位置转换成2D坐标的处理能力，PS是压倒性地占上风。
有部分人认为变形精灵图不算多边形。笔者不这么认为。土星绘制的也是多边形。但为什么会被称作「假多边形」呢？在土星上，CPU计算3D空间内的顶点，并将顶点转换成2D坐标。然后将任意的4个顶点作为四个角，使精灵图变形并显示。这样就能绘制出一个面。根据绘制需求，通过刚才的流程制作所有面，就绘制出了立体图形。
, f# ?& }. ]% N* R/ P上回在写精灵图时提到过，精灵图在描绘的时候可以选择「描绘线框」或是「填充颜色」还可以显示普通的图形，以及设定四个角的颜色绘制渐变与精灵图合成。这就相当于材质的有无及Gouraud着色法。
3 G6 x- Z4 z3 P7 @精灵图的图形是以横向8个点为一个单位，纵向1个像素点为单位，增减大小。如果是2D游戏，并使用透明色的话，这样一个机制没有任何问题， 你几乎可以绘制各种各样的图形。但是要绘制3D的时候，这样一个机制就显得缺乏变通。你绘制的精灵图的尺寸很容易会和你想要制作的面有尺寸上的差异。于是就会出现这样一个结果，一个立体图形，但是每个面的材质，他们的解析度都稍有不同。
* J# d1 k- M. f% J# ~2 O虽然3D图形画面上会有很多立体多边形，需要绘制非常多面，但是开发工具通常情况下会解决这些问题。这个可以回头再谈。
也就是说土星在绘制立体图形时，「计算顶点」和「绘制面」的操作是分离开来的，通过反复绘制面来生成「立体多边形」。土星的立体多边形绘制的原理就是这样了。并不是什么特别的方法。当年没有专门的3D演算硬件的电脑也是用这种方法来制作3D游戏。但是也没有人说那些电脑游戏不是立体多边形啊。
一个题外话，笔者印象里图形加速卡像雨后春笋一样出现是从1993年开始。当时的一些公司，比如Cirrus Logic之流做的那些所谓加速卡其实都没有针对3D做什么特殊结构。直到3dfx推出了Voodoo，3D硬件才算是真正登场。笔者使用的电脑PC-9801 BX4搭载了Cirrus Logic的GD5430。解析度1024x760之后就只能使用16色，800x640的分辨率就开始变慢。Cirrus Logic真的不行，后来就放弃图形处理器市场开始做音频了。
回过头来看看作为对手的PS吧。
相较于土星将「面」和「顶点」分开处理的方式，PS则是在硬件层面上就确立了「直接描绘面」的方式。PS的3D游戏大多会出现「多边形的面之间有间隙」这样一个现象，这是因为没有共享3D图形顶点所造成的。
. ?+ ~- d" U. z3 V: M( E1 E在绘制多边形时，PS内部会讲所有的面作为「三角形」来处理，这是硬件内部的问题。当然，在绘制面的时候，四边形的效率会更高。在制作建模时，通常也会选择使用四边形来绘制。这样看来，PS和土星并没有那么大的差别。
假设我们准备一个256x256的材质。然后指定材质在画面上相应的坐标位置（UV坐标）。坐标可以以1个像素点为单位设定，所以就不会出现不同地方的解析度不同的问题。这种方式在当时的3D-CAD中已经广泛应用，制作数据也更为简单。
没有图片进行说明的话还是很麻烦，所以找点图来。
. N* W, o& z  r/ O; H9 {, b

n805

4 `+ R0 D# ^6 a6 K' [1 x) gPS可以使用3角型和四边形。一个四边形可以用两个三角形来组成，只是多绘制两个图形那当然还是绘制一个图形需要的运算更少。所以大部分情况下还是会使用四边形。
6边形和8边形分别可以用两个或者三个四边形来组成。问题在于7边形。7边形无论如何都会需要一个三角形。
在这种情况下，PS可以使用三角形的多边形。土星则通过将一个四边形的两个顶点重合（分享一个顶点）来让一个四边形变形成三角形。换句话说就是让四边形的两个顶点都用相同的坐标数据。所以无论是哪个平台都可以显示相同的多边形。虽然方法上有区别，但是没有优劣。
" r1 \" \5 A! i& O0 Q接下来说下材质贴图。
假设我们有下图的这样一个立体多边形，一个六棱柱。我们给他附上贴图，来表现一个饮料罐。六棱柱本身是一个简单的图形，一共12个顶点，需要的算量不大，所以在当时经常会被用到。

3 @/ o9 m8 M8 @) w9 n/ q  `

附到图形上的贴图是这样一个图案。

PS可以对这个图像进行设定，指定罐子的各个顶点在这个图像上的对应位置，也就是设定坐标（UV坐标）。于是贴图就可以绕着图形贴上去。
9 p. s0 t: C; [

土星需要事先将材质贴图的图像分割。

# K/ _2 P* j2 N/ u8 E( s$ i3 {

PS像是将材质贴图贴上去。土星则更像是将分割好的材质做为面板围着图形搭起来。
这只是一个相对简单的例子。只要对材质进行分割就可以，不需要太复杂的操作，使用工具软件就可以完成。那接下来我们再进一步细化我们的这个饮料罐。我们在它顶面的六边形上绘制一个拉环。
# m- G0 B( H* J1 M可以使用uv坐标的话（PS之流），我们可以先绘制一个四边形，然后在四边形的材质上通过设置UV坐标来将四边形剪裁成六边形，贴附在图形上，一个拉环就完成了。
2 Y3 F3 `. [5 K- W# k但是如果是土星的话，材质会先被剪裁成四边形，并被变形。所以在绘制材质的时候就要首先考虑到变形这一点，绘制变形后比例正常的土星。也就是说准备贴图的过程会变得很麻烦。
5 J5 C- W0 T: T  \) S乍一看PS的3D十分好用，实际运用时也并非如此。
解释起来有些麻烦的问题。实际上UV坐标的各个点和点之间的连线是直线。既然要贴图，就需要读取由点阵图绘制的材质，于是材质的边缘就会出现折线，形状会稍有扭曲。接下来的贴图的过程，根据立体多边形的形状确定贴图的区域，点阵图的像素会被写入。这里又会出现扭曲。这是PS的材质扭曲的另外一个原因。
/ u" k4 K. v4 R% X! o众所周知，PS的材质会扭曲，这是PS的一大弱点。土星在读取材质是不会发生扭曲，只有在最后显示图形的时候才会出现扭曲。绘制变形后比例正常材质虽然麻烦，但并不困难。PS的做法在材质非常大时，扭曲的影响会相对变小，甚至可以忽略。但实际上PS的内存很小，无法使用如此之大的贴图，所以这个问题无法绕过。
PS可以说是一个标准的、教科书式的3D硬件，却没有重视实现上的现实问题。土星虽然是生硬的在一个2D硬件里建立了3D功能，但比PS重视实现上的现实问题。如此看来，双方也没有什么优劣之分。
立体多边形（polygon）只是一个概念，而不是什么技术。不是三角形；不是通过UV坐标贴图；不是硬件计算……甚至没有明确的定义。所以，「假多边形」之类的说法在我看来也无法理解。

n805

  h3 @- a: S# ~7 |& @2 ~

SH2的运算速度

! N/ e( |+ u( r3 H/ D* l! G" }土星的CPU是日立制作所（现在的Renesas）的SH2。按照世嘉的说法，日立制作所按照世嘉的意愿以SH1为基础定制的CPU，就是SH2。但日立似乎不这么认为,理所当然的事情，绘制3D时需要的运算比2D更多。PS有3D专用的运算电路，世嘉土星一开始的目标就是「2D游戏机的究极形态」，所以没有3D专用的运算电路。土星在处理3D运算时就必须靠CPU。
, Y* F0 I. b- s* Y: ^# O4 bSH2是RISC CPU，中文叫精简指令集计算机。至于精简的是什么，简单的说就是能运行简单的指令，但是运作效率高。SH2就只能运行简单的指令，这里划个重点。不过SH2有一个复杂的指令，就是「乘法运算指令」。
! L. I6 M! j; {7 t  K6 QSH2的大部分指令都只需要一个处理周期就可以完成。乘算虽然是复杂指令，但通常也只需要3个处理周期，并且根据情况可快可慢。
其他指令都只要1个处理周期，相较之下3个处理周期就显得慢了。不过和隔壁家的PS比较之后，就能发现SH2非常优秀。PS的R3000在处理乘算指令的时候需要12个处理周期。SH2的3个处理周期在当时可以说是非常快。
: L- r1 S. |2 h& ~在这3个处理周期里，还可以进行乘积累加运算。乘积累加运算对于制作3D游戏而言非常重要，在进行阵列的乘法运算时会发挥惊人的威力，只是这个运算指令有些特殊，需要和其他指令组合使用。这个下文再提。
一个注意点，这个RISC里最复杂的指令就是「乘法运算」，比乘法运算更为复杂的「除法运算」不包含在SH2的指令集里。除法运算过于复杂，于是加入了「单次迭代除法运算」指令作为代用。得到的值就和纸上进行笔算一个步骤得到的值一样。重复这个单次迭代除法就可以进行除法运算。
! j  g3 D* W' M首先执行除法运算设置命令，指定被除数和除数。这个指令需要一个运算周期。接下来进行一次「单次迭代除法运算」，得到「一位数」的结果。
如果是16bit数据，那就需要对16位数的2进制数字进行运算。一位数一个运算周期，重复16次就是16个运算周期。加上对运算设置的1个周期，一共耗费17个运算周期，非常耗时。SH2还可以对32bit数据进行计算，需要的时间长达64个运算单位。而实际运用上不需要进行如此高精度的除法运算。
  }/ w' Y4 V* k土星的SH2的主频是28.64MHz，也就是说1秒可以进行2864次运算。就像刚才说的一样，进行一次乘法消耗3个周期，一次除法17个周期。
让3D元件显示在画面指定的位置上，就需要进行3D演算。于是就要用到「旋转移动阵列」（下面简称为旋转阵列）。这是一个3x4的阵列。
使用刚才提到的乘积累加运算就可以很快的完成阵列计算。1x3的顶点坐标阵列乘以3x4的旋转阵列，这就需要进行12次的乘法运算和9次的加法运算。刚才说过，乘积累加运算指令特殊性的问题，刨去细节，实际上这样一个运算需要68个运算周期。
最后还要进行一个叫「透视坐标」的处理。将3D中被旋转移动的顶点数据转换成2D坐标。方法很简单将X，Y两个点分别处以Z就可以。处理本身很简单，但是需要使用两次慢除法（一个计算机术语，当然也有快除法）。
9 C3 Y# p, [9 b4 m# g5 c, ^1 c透视坐标处理需要大概50个运算周期。旋转阵列的运算加上透视坐标的运算就组成了让3D元件显示在指定位置的「顶点坐标运算」（Geometry Process，那个中文是我随便编的）。刚才提到的两个数字相加等于118运算周期。在实际运用时，还需要设置旋转阵列数据、循环指令以及其他数据的处理，所以实际需要耗费150个运算周期左右。每秒2864万个运算周期除以150个运算周期，大概商19万左右吧。假设这个3D元件纯粹就只是几个顶点数据连接起来的方块，那么SH2一秒钟里可以生成19万个这样的3D元件，这就是SH2的理论极限。
1 \+ K6 o4 O  q) u

n805

* \, p3 e7 h( Q3 P( l

! v4 `/ O1 U# L

双处理器

在土星开发的末期，坊间也开始出现日后的对手PS的传言。PS的CPU R3000主频33.86MHz，主频数比土星的SH2高了20%，但并不是什么特别大的差距。比起主频，更重要的是PS拥有土星所没有的顶点运算引擎，用来专门处理3D运算。
根据上文的计算，土星每秒可以进行19万次顶点坐标运算。拥有3D运算处理元件的PS理论上每秒可以进行450万次顶点坐标计算。但是这450万3D多边形并无法显示。顶点处理引擎并不是以顶点数据为基本，而是以3D多边形为基本，实际演算速度大概是每秒190万个多边形。运算能力虽高，但是显示输出能力跟不上，能显示在画面上的不过36万个多边形左右。
  U; J: e0 F( p* l7 M2 n+ S# M土星因为是「2D游戏机的究极形态」，所以显示输出能力甚高。软肋终究还是再运算能力上。刚才也提到过，纯粹只进行3D运算，也只能获得19万个顶点坐标数据。而游戏需要运动，需要处理各种其他的数据，实际能进行的3D运算也不过就10万回左右吧。
土星3D机制下，两个相邻的多边形可以共享顶点坐标，虽然在制作多边形上是省事了，但是仅有一个顶点也绘制不出多边形，所以真正能产生的多边形也不过每秒8万个吧。PS的36万多边形也是理论最大值，取一个比较接近现实的值，比如18万吧。18万依旧超出土星非常多。如此一来土星无法与PS抗衡。
1 P  G) `2 |3 }* I* F于是世嘉向日立寻求解决方案。可惜所剩时间不多，事到如今要将机器的性能提高两倍简直天方夜谭。但SH2还真有这么一个诡异的功能。多处理器协作功能。世嘉一直自认为这是具世嘉的要求加入的功能。而日立的这个设计似乎更像是研究层面上的一种娱乐。
8 R( i" m4 t5 k3 L; L6 ~) _不管怎么样，对于世嘉来说增加一个CPU并不会对现在的机体设计有很大影响，性能可以大幅提升，可以说是为数不多的有实现性的方案。
放在当下多处理器很常见。但在2000年以前，多处理器非常罕见。笔者依旧记得在杂志上看到双Xeon处理器的服务器电脑差点脑裤子的感觉。技术罕见，所以多有类似于“程序猿不习惯给双处理器变成，所以很多程序其实都只用到了一个处理器”等等谣言。
其实这只是谣言。
% K8 ]2 m6 a5 L) k' i2 R1 s就像刚才提到的，一个SH2的性能根本无法运行3D游戏。所有3D的游戏都必然的会用到双处理器。2018年了，索狗程度肯能还不及我的索狗们可以清醒清醒了。与土星同时发售的土星版「VR战士」是针对街机版制作转换器，将其转换成SH2可以运行的程序。
, m- M) R8 @" y5 {7 t9 K之前有提到世嘉的MODEL1街机主板拥有顶点运算专用的元件，要显示一个多边形只要指定几个顶点坐标就可以。但是这样一个过程在土星上就只能依靠两个SH2.
土星亮相的初期，很多东西都还处在摸索阶段。双处理器的使用方法也还不明确，并且开发周期也不够。这导致土星版的《VR战士》充满BUG，并让玩家有了「土星性能不好」这样一个印象。
0 u- j6 R' s: D但《VR战士》是一个很好的试金石。因为它证明了土星上可以运行3D游戏。
4 t: j! y2 E; B1 p* m之后，《VR战士》的程序被结构、整理、修正了之后成为了3D运算库。这个就是当时的新OS，土星的SGL——SEGA Graphics Library。
5 R6 w. @. p$ H) u6 V

n805

! R. O0 |3 N1 w

SGL的运作游戏的基本

; I. ?- Q( w( z) \
' u, V. A4 X' O) L/ w+ P在讨论SGL之前，先和大家说明一下制作一个游戏的基本吧。不管是红白机还是MEGADRIVE还是PS都是共通的基本。
先想象一下《魂斗罗》吧。无论是通过手柄操纵的人物，射出的子弹，还是运动的敌人，都是程序在控制他们。游戏开始后只有自己操控的人物的时候和BOSS带着一帮小怪大闹的时候的运算处理量是不同的。
当然程序的处理速度也会有变化。游戏开始当初，处理很快就会结束。但BOSS战时，程序处理就需要相当长的时间。
: ^/ }, v2 Y$ C1 m. A但是，游戏并不会在开始的时候运行的飞快，BOSS战时运行的龟慢（红白机是性能过低所以才会如此。有种可爱的拼命感，所以个人挺喜欢）。这是因为游戏会根据「画面绘制的实际」来调整游戏的处理速度。
% X8 H7 l' @" a# \* b$ Y电视的NTSC（日本的游戏机，日本的电视信号规格）信号制式，一秒钟描绘60帧画面，游戏的程序以描绘1帧的时间为基准处理。具体地说就是，游戏的程序必须在1/60秒内完成处理。程序提早完成处理也不会有问题。处理结束后，CPU会等待画面绘制结束。

1 i0 V' I3 @0 k) I! v

( x& p& a5 K% d3 h. D2 s  S& {1 s等待画面绘制完成的处理是以一定的速度进行。画面绘制处理完成后，再输出新的画面，并进行下一轮的游戏程序处理。如此一般，游戏的画面就会完整，漂亮的出现在电视机上。
顶点坐标演算
运用SGL制作游戏，只要遵循刚才提到的「基本」就可以。游戏的处理过程中，想要展现多边形的话，只需要向SGL指示「在某个立体坐标系中放置多边形」。
0 ~3 ?  _2 a2 m, ], `( ~程序猿不需要去在乎顶点坐标演算的过程内容和结果。事实上，也无法知道。
向SGL指示显示多边形，程序猿会以为「SGL会进行计算」。试着不然，SGL根本就不会去进行多边形演算，仅仅试将输入的值放进内存，随即重新开始处理游戏程序。所以程序猿无法通过SGL来访问顶点坐标演算的过程、内容和结果。
进行顶点坐标演算的是副CPU。就是大家以为没有在工作的那个副CPU。一个员工放在工作岗位上，没有一个老板会容忍这个员工每天只会打瞌睡、划手机、吃垃圾外卖。副CPU在发现内存中有数据之后就会立刻对数据进行顶点坐标演算。
刚才提到过顶点坐标演算很复杂，对于SH2来说是一个很大的负担。将顶点坐标运算交给副CPU，主CPU会继续进行游戏程序的处理。
3 c+ ]) A# E( L; x9 c游戏程序处理就代表被显示的多边形数据也源源不断的被生成。副CPU根本就没有空闲。
事实上，按照这个方法进行，处理时间依旧不够。对于副CPU而言工作量过多，主CPU往往会先完成处理。主CPU在完成游戏程序的处理之后，会等待画面绘制完成。这时，程序猿会对SGL设定激发SGL的功能指令「停止处理等待画面绘制完成」。对于程序猿来说CPU已经停止了，而SGL会依旧保持活跃。
仅依靠副CPU的算力，时间不够。在主CPU完成处理后SGL就会让主CPU也参与顶点坐标演算。顶点坐标演算结束后，SGL会继续调用两个CPU，将计算结果沿着Z轴排列，并处理成图像引擎VDP1可以调用的命令符。
9 A+ B) P$ X+ F9 [0 ^' T: U, x在这一切都完成之后，才会进入「等待画面绘制完成」的状态。主CPU会重新开始处理游戏程序；副CPU将处理画面输出的问题。
总体的思路就是，主CPU负责处理游戏程序，副CPU负责其他，在主CPU处理完游戏程序后会辅助副CPU。
; T) ]  g) G; @8 Z7 ?副CPU的运行指令
% D9 J0 _3 Y; d. r% FSGL中有一个明确的指令「让副CPU运行程序」。这个指令会将放置程序的内存地址交给副CPU，副CPU在空闲时会进行处理。因为是空闲时进行处理，所以也无从知晓这个程序何时会被处理。如果是3D游戏，副CPU也很难会有空闲。世嘉提供的信息也很少，所以也很少会有游戏使用这个功能。
" \6 _8 O; v" B7 [- V( O所以「很多游戏都只会用到一个CPU」这样一个误解，应该是来源于此。
SGL本身也不是3D游戏专用的运行库，SGL也可以用来制作2D游戏。而在处理2D游戏时，副CPU也需要处理画面输出、音乐处理等工作。不管怎样，与「很多游戏都只会用到一个CPU」谣言相反，大部分游戏都会用到两个CPU。
有一种说法「两个CPU无法获得两倍的性能，大概就是1.2倍到1.4倍，撑死1.8倍」。这是必然。如今的PC/AT电脑也无法通过增加一个CPU来获得两倍的性能。问题的根本在于总线带宽。有两个CPU，两个CPU之间就会抢夺总线带宽，甚至会导致一方的CPU对内存或者其他存储器或者元件进行访问而停止工作。
1 V$ M7 p+ D6 d, t" vSGL则会将两个CPU进行合理分工，让副CPU主要进行顶点坐标演算。毕竟和PS相比土星最大的弱点是不擅长顶点坐标演算。SGL的顶点坐标演算部分完全由汇编编写，可以完整地收纳在缓存了并尽可能高速运作。
% |) V- _" j& I# H, E4 V在使用SGL时，副CPU不会占用总线来对程序进行访问。也就是说副CPU不会妨碍主CPU的工作。虽然副CPU在进行顶点坐标演算时会占用总线访问内存，但大部分时间还是在运算坐标。所以抢夺总线带宽的事情基本不会发生。主CPU在完成游戏程序的处理后会进入到等待状态。有SGL的存在，在主CPU完成工作后，SGL会继续调用主CPU，合理进行工作分配。
1 A$ }, D( N$ C2 ^) j可以说世嘉尽了最大的努力去发挥双CPU的能力。
* v! P0 F( |3 A9 R4 L- K

n805

世嘉的主机也就像泡沫经济一样，经历了成长，繁荣，永远走在技术的前列，却在某一天突然消失了。一个时代结束了。