ラズピコでN64吸出し

　Raspberry Pi Pico（ラズピコ）を使って、N64カートリッジの吸出し機を作りました。以前にRGBA_CRTさんのサイトを参考に、FT232HでN64吸出し機を作ってみましたが、さらに安価でGPIO数も多いラズピコを使って作れたらいいなと思い、いろいろお勉強しながら作ってみました。ソフト作るのにかな～り苦戦しましたが、なんとか完成したので作製メモとして記録しておきます。

　N64カートリッジスロットのAD0～AD15（アドレスデータバスライン）にラズピコのGPIO7～GPIO22を接続、R/WピンとALE制御ピンにはラズピコのGPIO1～GPIO4を接続しました。これらのGPIOは連番である必要があります。

　N64電源ON/OFF用トランジスタのバイアスは、手元にあった抵抗器を利用したので適当ですが、hFEを1/3として考えても約160mAは駆動できる計算です(N64_3.3V)。

　LEDが付いている方がN64カートリッジの前面になります。

　秋月のパワーグリッドユニバーサル基板、少し高いけどすごく便利です。(電源ラインとGNDラインがピッチ間を交差しています。)

　表面に取付けたN64カートリッジスロットをまたぐように裏面からラズピコを取付けることで省スペース化、短配線化を行なっています。

　材料費は約￥1,400でした。N64カートリッジスロット以外は秋月電子でそろいます。

① main.cpp

・define、enum、グローバル変数

コメントの通りです。DumpState変数とUsbTransmitState変数を使用して、各コア間で状態遷移の通知をします。

・main関数

ボードペリフェラルとクリティカルセクションを初期化し、コア1をスタートさせています。

各コア間で共有する変数へのアクセスは、クリティカルセクションで排他制御します。

(セマフォ/ミューテックスは、各コア＋割込みハンドラーからのアクセス排他制御には向いてないっぽい)

・core0_main関数

コア0では、TinyUSBによるUSBCDC通信を行なっています。具体的には、PCからの吸出し/キャンセル命令を待ち、命令を受信したら、DumpState変数を変更(start/stop)し、コア１へ通知します。また、UsbTransmitState変数をチェックし、コア1からの通知を待ちます。この変数がstartであれば、吸出したN64のバイナリデータをPCへ送信します。データ転送はリトルエンディアンで行われます。

PCからラズピコへの命令コードは以下のようにしました。

キャンセル命令 ： (CNCL)

吸出し開始命令 ： (DUMP,arg1,arg2,arg3,arg4)

arg1：PIOステートマシン分周器設定

arg2：永続読取りモード（0：OFF、1：ON）

arg3：連続してFFを受信したときに吸出しを停止する、そのバイト数。(0だと停止しない。)

arg4：連続して00を受信したときに吸出しを停止する、そのバイト数。(0だと停止しない。)

・core1_main関数

コア1では、コア0からの吸出し開始通知を待ち(DumpState変数がstartになったら開始)、開始通知を受けたら、PIO、DMA、DMA転送完了割込みハンドラーを開始します。そうすると、以下の流れで吸出し処理が実行されていきます。

①PIOステートマシンがN64カートリッジからデータを読取る(4バイトごと)。

　　↓

②DMAによりPIOのRxFIFOからカートリッジ読取データ格納用変数へデータが転送される(4バイトごと)。

　　↓

③DMA転送完了割込みハンドラーがコア1で実行され、各種処理を行う。終了時以外は①から繰返し。

※DMA転送完了割込みハンドラーは、ROMサイズ判定用のDmaHandler_CheckRomSizeと、USB転送通知用のDmaHandler_Transmitを用意しました。

・DmaHandler_CheckRomSize関数

ROMサイズ判定用のDMA転送完了割込みハンドラーです。まずはこの割込みハンドラーでROMのサイズ確認を実施します。判定方法は以下です。

判定方法A

カートリッジベースアドレス+0MiB,+4MiB,+8MiB,+12MiB,+16MiB,+20MiB,+24MiB,+32MiB,+40MiB,+48MiB,+64MiBの先頭データを記録していき、同じ並びが現れたら、そのアドレスは領域外である。

判定方法B

カートリッジベースアドレス+0MiB,+4MiB,+8MiB,+12MiB,+16MiB,+20MiB,+24MiB,+32MiB,+40MiB,+48MiB,+64MiBと先頭データを確認していき、読取りブロックサイズすべてが00だったら、同じ箇所のデータを読取りブロックサイズを1/4に変更して4回に分けて読取る。その結果に違いがあったら、そのアドレスは領域外である。

※読取りブロックサイズというのは、１度のアドレス指定(ALE操作)で読取るバイト数のことです。

ROMサイズの判定が完了したら、DMA転送完了割込みハンドラーをUSB転送通知用のDmaHandler_Transmitへ切替え、カートリッジベースアドレスの先頭から読取っていくように設定します。

・DmaHandler_Transmit関数

USB転送通知用のDMA転送完了割込みハンドラーです。PIOステートマシンで読取ったデータ数がシリアル送信トリガサイズに達したら、コア0に対して、PCにデータ転送するよう通知します。終了条件に達するまでこれを繰返します。終了条件は、ターゲットROMサイズに達した場合、キャンセル命令を受信した場合、指定したFF/00連続受信数に達した場合です。

USB送信データ格納用変数については、格納したデータをコア0でUSB送信している間に、コア1でN64吸出しデータを格納していけるよう、AとBの2つを用意して切替えて使用しています。

② N64DumpProtocol.pio

　PIOステートマシンのプログラムです。N64カートリッジデータの読取りを行います。

• TxFIFOに格納されたN64カートリッジの読取り先アドレスをOSRへロードし、16ビットごとにアドレスデータバスへ出力します。

• ALE制御ピン(ALE_H,ALE_L)、R/Wピンは、side set機能で操作しています。

• TxFIFOが空の状態で、pull noblockを実行するとレジスタXの値(設定してないので0)がOSRにロードされます。これを利用してピン方向を入力に設定します。

• N64カートリッジデータを16ビットごとに受信し、ISRにロードします。

• ISRのデータ格納数が32ビットに達したらRxFIFOにAutoPushされます。それと同時にDMA転送が開始されます。

• 32ビット読取り後は、irqフラグがクリアされるのを待ちます。この間、DMA転送完了割込みハンドラーにより、irqフラグをクリアして続く32ビットを読取るか、ステートマシンをリセットしてプログラムカウンタ先頭部のアドレス指定からやり直すかが決定され、実行されます。

N64カートリッジの読取りプロトコルに関しては、以下のサイトが参考になります。
http://en64.shoutwiki.com/wiki/ROM

③ usb_descriptors.c

・デバイスディスクリプタ、ストリングディスクリプタ

　私のPC環境だと800kB/s以上の速度で吸出せています。

　ラズピコのGPIOピンをロジアナで見てみると、約1.4msのUSB転送待ちが発生しているようです。どこがボトルネックになっているのか分かりませんが、USB転送処理速度が改善できれば、さらなる高速化ができそうです。

　私が所有しているN64ソフトを吸出し、ROMサイズ、データ部のサイズ、空き領域の埋め方、領域外読取時の動作をまとめてみました。