对原装FC运行某些国产卡花屏的理论分析及其解决办法的探讨

ly63

注：这里讨论的花屏现象是在主机、卡带完好的情况发生的，并非故障引起。而且是一部分近年生产的国产dao版卡在原装机（或早期组装机）上特有的现象。正版卡以及早期生产的dao版卡是没有此现象的。
写这篇文章的缘由：
' U: ]5 g/ W; j% v, x前段时间网友zythappy曾经发帖阐述了一些近年生产的游戏卡在原装或兼容FC主机上运行花屏的原因：
+ K: ~5 f% V" t: [由于卡带未按标准生产，将卡座第17脚/OE信号线悬空，造成了花屏现象，并提供了改造游戏卡使之兼容于原装机的有效方法。但遗憾的是还有一些‘黑豆卡’根本无法找到/OE信号输入线，也就无法改造了。
后来在其它网友处听说花屏是由于机器上原来安装的74LS373速度过慢，更换日本原装的HD74LS373P、TI的SN74LS373N、仙童的DM74LS373会改善甚至完全消除花屏现象（在UA6528上，对于原装PPU 2C02还是不行）。
对此本人已经验证确实更换TI的SN74LS373N会极大改善花屏现象，但仍不完美。
$ p7 a$ v/ ^! o- V+ [9 r既然是芯片的速度太慢，那更换更高速的芯片不就行了么？想当然的我就有了这个想法，查阅了各公司的逻辑芯片数据表，发现AHC、ALS系列的ic速度更快，其传播延迟时间只有LS系列的1/3，于是上网购买了SN74AHC373N、SN74AHCT373N和SN74ALS373AN三种芯片，收到快递后高高兴兴的取出并安装到机器上，结果出乎意料的是使用了超高速的IC并没有改善花屏现象，反而更严重。
( Y# ~$ X  A6 G; K" o2 ^/ b到此时我对与“373速度过慢造成/OE悬空卡花屏”的观点开始持怀疑态度，可惜搜遍了网络也没又找到任何关于此类问题的讨论，所以我决定自己将事情弄清楚，在查阅了大量文献及做了相关实验之后便有了本文。
闲话不再多叙，下面开始讨论实质问题：

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理论上的分析：
要想弄清楚为什么卡带的/OE输入端悬空就会花屏，就必须弄清楚PPU访问VRAM或CHR-ROM的过程，所以就得了解PPU的时序。
NTSC制式的FC主机其主频为21.47727MHZ，PPU的实际运行频率为主频的4分频，即5.3693175MHZ，所以PPU的时钟周期长度为186.24ns，由于PPU的数据总线与地址总线的低8位使用相同的8根线路，所以访问内存得使用2个时钟周期，并且与锁存器74x373配合才可以。
: L; H2 w" e& d6 L8 kPPU正常访问CHR-ROM的过程是这样的：
! @5 i& g9 b& J4 P5 h    在第一周期开始时，PPU输出全部的14位地址信息A0~A13，A13为卡带上CHR-ROM的选通信号/CS。ALE信号线输出一个持续时间为半个时钟周期的正脉冲(93.12ns)，为将地址的低8位锁存到锁存器74x373做准备，PPU输出的/WE、/OE信号全部为高电平。在时间经过93.12ns后，ALE信号的正脉冲结束，并在其下降沿触发74x373的锁存动作。在余下的93.12ns时间里，各输出端信号保持不变，所以74x373芯片有90多ns的时间将地址的低8位锁存,数据表中74ls373的data setup time只有5ns，hold time 也只有20ns，所以时间是足够的。
) Y# h. m" k1 ]0 v# \0 E    第二周期开始时，PPU的/OE端输出低电平，使PPU的总线转入输入状态；使CHR-ROM芯片的8条数据线开始输出数据，PPU的ALE输出则保持低电平直到整个周期结束，使锁存器一直保持在第一周期存入的低8位地址信息，以便CHR-ROM寻址。由于不知道PPU输入数据时的上升/下降时间，假定20ns吧，那么CHR-ROM有至少160ns的时间从高阻转为输出状态，这时间要求还是十分宽松的。PPU访问ROM或Vram的周期为372.48ns，所以花屏跟内存的速度没什么关系（大多数FC主机都配的120ns的内存）。
各位看文字比较晕的话下面有张时序图：

我们再来看看会花屏的这些卡带的情况：
3 K, p1 {5 }7 e3 {4 y这些卡带的CHR-ROM或CHR-RAM的/OE输入端都是直接与GND相连的，就是永久低电平，那么当CHR-ROM或CHR-RAM在接到/CS信号都就会立即输出数据，由上面的时序分析得知/CS信号是在第1周期就发出的，而此时CPU正在向总线输出地址信息，总线上的设备在同一时刻只能有1个输出，其它只能输入或脱开总线，多个设备同时输出就造成了总线冲突，破坏了传输给锁存器的地址信息，最后读出的信息当然也就是不正确的了。打个比方说，这就像多人使用对讲机一样，同一时刻只能1人在说话，否则谁也不能听清了。
1 D7 q; D9 ~" c5 y9 f至此真相大白，原来是总线冲突惹的祸。那么一部分卡带上面可以找到CHR-ROM或CHR-RAM的/OE输入端改造，没有/OE的豆卡怎么办？有没有修改主机的方案彻底解决不兼容现象呢？答案是肯定的。
解决方案的探讨：
; g' Z. j) M8 m; Z根据上面的理论分析，我们可以添加额外电路实现以正确的时序控制卡带的CHR-ROM/RAM输出。
# L) M9 x& u' U7 n* [1 {  C要实现这个目标我们需要1个8位双向总线收发器和几个控制信号来控制：PPU输出的A13(给CHR-ROM的/CS信号)、/OE、/WE信号。
' h4 b1 b* ^" q- Z/ F- f9 t74HC245是8位双向总线收发器，它有2个控制端，DIR和/OE，当/OE为高电平，芯片连接的两端总线就为高阻状态，就能实现隔离功能，但是我们有3个控制信号控制是否隔离，所以还要理清这几个信号之间的逻辑关系，还要用到一些门电路来将3路信号最后变为输出1路还能达到我们的目的。
几个来自PPU的信号与总线收发器的使能端的逻辑关系：
8 I7 {2 N7 p  r2 |, c# u. v1.当PPU的A13信号为高电平时，要让74hc245将CHR-ROM脱离总线，不管其它信号如何，以其免干扰机内VRAM的操作。
2.PPU的/OE信号是输出使能，所以当/OE和A13同为低电平时，要使74hc245将CHR-ROM挂在总线上输入数据；
3.PPU的/WE信号是写入使能，所以当/WE和A13同为低电平时，要使74HC245将CHR-ROM挂在总线上让PPU向其输出数据。
' {7 ]1 C  Q- t4 Z% A; i% \3 V4.另外在读写周期的第1周期，PPU的/OE、/WE信号都为高电平，此时必须要使74HC245将CHR-ROM脱离总线，以免总线冲突。
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. B/ y# [$ B4 c/OE、/WE信号可能同为高电平，却不可能同为低电平：可以不读也不写，但是不能同时既读又写。
使用PPU的/OE信号控制74hc245的传输方向，/OE为低时向总线传送数据，/OE为高时分2种情况，1是读写操作第一周期，/WE、/OE都为高电平，但此时74hc245处在高阻状态，所以传输方向无所谓。2是除第一种情况外，当PPU进行写操作时，/OE信号必定为高电平，使得74hc245的传输方向为总线向CHR-RAM传输数据。
貌似挺复杂的逻辑关系哈，我的方案是使用2组或门及1组与门达成目标，U9、U10、U11就是后加入的电路，线路图如下：
; U/ @9 o# o+ u" I
解释一下：
74HC32为4组2输入OR Gate；74HC08为4组2输入AND Gate
A13为2组或门的公共线，当A13为高电平时，两路输出必定都为高电平，经过与门时输出也为高电平，满足上面逻辑关系的第1条
  X3 G: _( c& T  h# k8 S当A13为低电平时，OE也为低电平时，该支路输出低电平，而WE那条支路输出高电平，经过与门后输出低电平，满足上面逻辑关系的第2条。
0 g8 m9 f, l  k. l! j9 q当A13为低电平时，WE也为低电平时，该支路输出低电平，而OE那条支路输出高电平，经过与门后输出低电平，满足上面逻辑关系的第3条
当OE和WE都为高电平时，同样两路输出必定都为高电平，经过与门时输出也为高电平，满足上面逻辑关系的第4条
不知各位高手们有没有更好的方案，我现在的方案至少要3片IC才能达成目标，或许应该用PLD做这些逻辑？
- I( F. ?: k+ ]# \5 `0 J7 w: J3 T电路连接时要划断主板上到卡座26、27、28、29、60、59、58、57这8跟引脚的连线，飞线连接电路。
' S' ~2 t- T3 x# ]* s下面是实验：
由于手里没有74hc32,74hc08,74hc245,就把上面的逻辑简化成单向传输，74hc245就用74ls373代替（只能是单向），门电路用74ls139代替。
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$ T* |" ~% ^+ A& z- ~6 I焊接图：
右下角面包板上的IC就是上图中的IC9和IC10，右边插座上插的是GD74LS373,也是花屏没商量的373

5 }: x  L+ }, @: v! F5 ]机器上插的373用的是S74LS373N，传说中的花屏冠军：
8 n( k. C7 \" W0 W5 w8 ^; H/ c, j& U6 r这个373之前花屏厉害，由于线路板已割断，复原麻烦，就用另一机器说明问题，下图是另一机器使用S74ls373N的运行照片：
- N0 z. S" t3 z
花的厉害。

下面用刚刚改造完的机器运行一下：


  X$ O: N* X% m; r+ R嘿嘿，完全没有花屏了（屏幕下方那个蓝点是LED指示灯的反光），看来我的理论是正确的，只是现在用的器件只能实现单向通讯，不能支持带有CHR-RAM的卡带。
) o4 @5 r7 X5 E- |8 e: Y仍存在的问题：
$ i! j! k! B" p! x" a/ `

• 目前从理论上分析了主机与某些卡带不兼容的原因，但是还有个问题没有解决，就是不能解释在更换某品牌的锁存器373后总线冲突没有影响正确寻址的原因，我没有示波器等设备，无法知道实际情况到底发生了什么，希望有条件的朋友能分析一下实际运行时情况。
  & k8 Y1 R) l5 y1 D$ J2 G+ c

我猜测可能是不同品牌的芯片的电气性能的不同（比如输入端电流大小不同导致上升/下降时间不等）造成不同的效果，但没有决定性的证据，在芯片的数据表上无法看出区别，仅是猜测。

• 另外改造主机的方案还是比较麻烦的，我舍得割断主板上的连线，各位看官舍得对你的机器动刀么？还需要至少3片芯片，对于某些主机（比如原装机）的机壳，很难找到足够空间安装额外的芯片、电路板，也许重新设计整块PCB是比较好的方案吧。
  

写在最后：
也希望各路高手前来拍砖，欢迎不同观点和不同的解决方案。
3 C* j# S! p% |, c) P& `还有提醒各位一句：改造有风险，没有把握切莫动手！
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% {) G5 m, [( Z0 O0 P* fEOF
! R" n. p8 w# _/ Q+ b6 ~
[url]   ,

xunxun

讲得很详细，有些地方看不懂。
很好的资料，感谢楼主分享。

wanegg

偶像，我崇拜你，虽然我基本看不懂，重新设计吧。

不拘一格

我有灵感，74HC08输出直接去卡带56脚，应该就可以了。不需要双向缓冲器。
! w# c# s' c) z2 ^1 H* R. J
% e' U. ]0 |1 t# L% d2 W. a请验证我的思路，如可以，那么就修改电路，终极无花版全兼容FC设计就实现了

不拘一格

不拘一格

同时，我保留74HC373的看法，速度对于上升下降边沿斜坡的斜率有直接关联，速度越快，电平跳变斜坡就越陡，信号时分重叠的可能性就越小

xunxun

不拘一格 发表于 2014-10-2 03:37
+ X) W' ^' M- d4 O同时，我保留74HC373的看法，速度对于上升下降边沿斜坡的斜率有直接关联，速度越快，电平跳变斜坡就越陡， ...

/ w' ^4 R, Z5 L3 W  S高手！

ly63

不拘一格 发表于 2014-10-2 03:18
. d3 Y2 Z8 u2 Z" n( u我有灵感，74HC08输出直接去卡带56脚，应该就可以了。不需要双向缓冲器。

请验证我的思路，如可以，那么就 ...

直接控制PPU给CHR-ROM的CS信号就可以避免总线冲突，之前真没有想到。
卡带的CS信号是不会有人敢省略的，您的办法又将电路简化了，2片芯片即可达成目标。
8 Y$ E' L6 B# B: n0 a6 h. ?* H非常感谢这位朋友的提示，希望今后也能多交流。

ly63

刚刚重新看了下PPU的内存访问时序，发现控制到卡带的A13信号貌似并不可靠，原因如下：
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7 h1 ?5 @& c; `如果在第二周期发出CHR-ROM的CS信号的话，那么CS信号的周期将减少一半时间变为186.24ns，这对于速度小于150ns的内存/ROM来说不会造成问题，但对于速度>=200ns的存储器就会出问题(cs信号的周期太短不满足存储器芯片的TACS参数)，所以这个方案有可能使机器不兼容使用慢速MASKROM的早期盗版卡或正版卡带。

3 J" W* t$ t- q; O4 d看来要做到卡带全兼容，总线收发器还是无法省略......

不拘一格

2 s1 p  F* P* C, G' H- R: T" g8 n

ly63 发表于 2014-10-2 21:04
刚刚重新看了下PPU的内存访问时序，发现控制到卡带的A13信号貌似并不可靠，原因如下：
5 L9 [$ e  s& t7 L/ l% Q
如果在第二周期发出 ...

" V; ~4 Q( h% ?) E
" \+ R  e) }5 _# L! W6 V0 A2 d应该没什么问题的，其实在ROM内部，CS与RD信号也是一起接到与门的。CS与WR也同样。只是由于少了根RD（OE）线而在外面搭电路完成本身ROM/RAM内部选通的逻辑而已

' i7 b7 g8 u, J有条件的话，最好实验证实下，外星卡〈爆笑三国〉〈真田十勇士汉化版〉，酷孩〈245合一〉是最好的测试卡带