索尼PlayStation
PlayStation的故事始于1988年，当时任天堂和索尼开始在SNES控制台的可选CD-ROM阅读器上进行合作。根据协议条款，索尼能够独立开发该平台的游戏，并保留对超级光盘格式的控制权-任天堂的两项不寻常的让步。该项目是在CES '91展览会之前开发的，索尼在该展览会上宣布了与Play Station的合作。第二天，在同一个展览会上，任天堂让索尼感到惊讶，它宣布它已与飞利浦签订了合作协议（条件更为优惠）。忠诚而公开的索尼试图向世嘉董事会提出上诉，后者立即拒绝了这一提议。 SEGA首席执行官Tom Kalinske在2013年的一次采访中回顾了理事会的决定。“这是一个愚蠢的想法，索尼不知道如何开发设备。他们不知道如何编写软件。我们为什么要惹他们？” -SEGA董事会
他们没有弄错，索尼在游戏方面确实没有什么经验。除了一个人-Ken Kutaragi的主动行动，她几乎对他们没有兴趣。从看到女儿在任天堂Famicom玩游戏的那一刻起，Ken就一直说服索尼，他需要进入这个市场。尽管有索尼副总裁的建议，他甚至为任天堂开发了SNES中使用的音频芯片（SPC700）。索尼的大多数高管都认为这是一个冒险的赌注，但库塔拉吉（Kutaragi）获得了索尼首席执行官Norio Oga的支持。 1992年6月，肯被允许从头开始创建游戏系统。为了使董事会平静，后来被他们称为“ PlayStation之父”的他被调任到财务上独立的母公司Sony Music，他开始着手开发最终成为“ PlayStation”的名称（已经没有名称了）。最初，开发人员无法决定体系结构应集中在精灵2D图形还是多边形3D图形上。但是，世嘉公司于1993年10月在日本街机上发布的“ Virtua Fighter”游戏取得了成功，这消除了所有怀疑：PSX将遵循3D道路。该项目的高潮发生在两年后，1994年12月3日创建了Sony Computer Entertainment，并在日本发布了该游戏机。它获得了立竿见影的成功，并在上市的第一天就售出了10万台设备，六个月后销售了200万台设备，一生中售出了1.02亿台设备。索尼PSX（PS1，PlayStation）。图片：维基百科建筑
机器的核心是频率为33.8688 MHz [3]的MIPS 32位RISC R3000A处理器，结合2 MB DRAM。值得注意的是，该芯片还具有运动解码器（MDEC），可在30 fps的频率下以320x240的分辨率提供视频播放。在MDEC旁边，我们看到了几何变换引擎（GTE）协处理器，用于对向量和矩阵执行快速的定点数学运算。整个系统无法使用浮点数。GPU是由中央处理器使用“命令”控制的“黑匣子”。它具有1 MB的VRAM，CPU无法使用。在许多方面，他的作品都类似于出色的即时模式OpenGL：他绘制了可以使用顶点颜色“着色”的带纹理的多边形。图形管道是固定的，不能进行编程。没有Z缓冲区（深度缓冲区）。像GPU一样，声音处理单元（SPU）也是一个黑匣子。它可以处理24个通道，具有512 KB的SRAM用于存储音频（采用ADPCM格式），并且能够将CD-ROM音频轨道与其音频通道混合。缩写SRAM的含义不是“静态RAM”，而是“声音RAM”。索尼工程师最大胆的决定是选择数据载体。他们选择的不是盒式磁带，而是双速CD-ROM模块，这降低了游戏成本，并显着增加了可用容量（最大约为650 MB）。缺点是传输速率低（300 KB / s），磁头安装时间过长（300 ms）。控制台中没有任何响声。该机器的编程模型是开发人员没有触摸“裸”铁。但是，有一个DMA控制器用于将数据从CD / DRAM传输到VRAM / SRAM。影像系统
尽管视频系统支持24位彩色，但很少有游戏使用它（“黑心之心”背景除外[4]）。在实践中，可以良心地说，大多数游戏使用带有1位掩码的16位颜色。像素深度为15位的PSX色彩空间视频系统的一个惊人功能是VRAM的组织，它完全取决于开发人员。 1 MB VRAM被视为可以免费使用的1024 x 512 x 16位数组。双倍或三倍缓冲的应用以简单的方式执行，因为该区域足以保留，提取和传输到输出系统。纹理也位于帧缓冲区旁边的VRAM中。要写入帧缓冲区，将启动用于渲染纹理三角形/四边形的GPU命令。纹理可以具有各种格式。有两种直接的16位和24位颜色源，以及基于称为“颜色查找表（CLUT）”的调色板的源。支持8位和4位CLUT。在分辨率方面，该控制台仅限于NTSC和PAL电视标准。对于美国和日本市场，开发人员可以选择256、320、384、512或640像素的水平分辨率。垂直分辨率为240像素（每隔第二条光栅线跳过时），或交替时为480像素。两种垂直模式均以60 Hz的频率运行。NTSC和PAL之间的唯一区别是垂直分辨率提高了（256/512，而不是240/480），刷新率降低了（50 Hz）。NTSC模式（60Hz）PAL（50Hz）注意
=================================================== ========
0256 x 240256 x 256非隔行
1320 x 240320 x 256非隔行
2 512 x 240512 x 256非隔行
3640 x 240640 x 256非隔行
4256 x 480256 x 512交错
5320 x 480320 x 512交错
6512 x 480512 x 512交错
7640 x 480640x 512交错
8384 x 240384 x 256非隔行
9384 x 480384 x 512交错
请注意水平分辨率为384像素（8和9）的模式，根据其id判断，这些模式稍后会添加。PSX上的《毁灭战士》
在id Software的支持下，Williams Entertainment将DOOM移植到PSX。由五个人组成的团队用了不到一年的时间[5] [6]来移植引擎，更改资源和修改游戏，以便所有内容仅在3.5 MB的RAM上起作用。“图形已经降级：纹理的大小，精灵，怪物和武器也减少了。[...]有时我们会剪切动画帧。” -哈里·提斯利
最终结果于1995年11月16日发布。它被认为是游戏的最佳控制台端口，并且由于其色面和CD品质的音乐，某些方面甚至超过了PC版本。“到目前为止，这是最好的DOOM！” 约翰·罗梅罗
学习计划
由于开发的性质，DOOM结构基于一个内核，该内核使用六个子系统进行I / O。大多数时候，我研究我发现最有趣的三个部分，即基于CD-ROM的文件系统，基于SPU的音频和基于GPU的视频，因为它们是PSX体系结构所独有的。PSX的DOOM源代码从未发布过，但事实证明完全没有问题。可用的信息就足够了。第一个来源是很棒的PSY-Q SDK，它是当时PSX开发人员使用的“官方”工具。它上有很多文档，以一组PDF文件的形式提供。如此丰富的信息仅证实了我所听到的关于PSX对开发人员友好的所有好处。由Psygnosis开发的库（即libcd，libds）也有据可查。很高兴看到清晰的解释，尤其是与几乎完全缺乏有关其他控制台的信息相比（是的，我在谈论SNES）。信息的另一个来源是当今可用的许多外部工具。 ISOBuster使我可以打开CD的内容。 PSound帮助扫描LCD文件。没有$ PSX模拟器的强大功能就可以跟踪GPU和SPU命令，这已成为真正的黄金。但是，也许DOOM对PSX粉丝的热爱使我印象最深刻。进行了完整的游戏反向工程。PSXDOOM-RE尤其引人注目，因为它是一个C代码库，可以使用PSY-Q SDK编译成完整的PSX游戏。该代码高度可靠，因为它是通过用C重写机器代码的每个功能获得的。CD的神奇世界
在开始研究文件系统的实现之前，我进行了短暂的游览，以更好地了解CD的奇妙世界。从1980年到2000年的20年间，已经发布了几卷规格说明了这一主题。它们一起被称为“彩虹书”。该系列的第一本书“ Red Book”包含音频光盘（CD）的规范。 “黄皮书”是对“红皮书”的补充，它增加了CD-ROM和ISO-9600的数据规范。橙皮书增加了CD-DA，CD-R（可记录）和CR-WR（可重写）的规范。白皮书专门用于Video-CD（VCD）。绿皮书讨论了CD交互（CD-I）。蓝皮书介绍了用于多媒体支持的增强型CD（ECD）数据。 《猩红色的书》致力于超级音频（SACD），可添加高清音频。紫皮书列出了双密度CD（DDCD）规范，该规范将磁盘容量从650 MB增加到了1.3 GB。最后，青色书详细信息9660文件系统规格[7]。Rainbow Books包含了我们对CD的了解。绝对最低限度，我们需要了解PSX CD通常由扇区组成，每个扇区包含2048字节的数据。扇区分为轨道（可以是数据或声音）。曲目在会话中分组。可以使用标准的ISO-9660文件系统来安排数据磁道的信息，但是，游戏也可以具有硬编码的扇区地址。在DOOM游戏CD中
如果使用ISOBuster查看CD-ROM的内部内容，则可以看到DOOM包含一个包含八个磁道的会话[8]。其中有七个是在任务之间和最终场景中播放的CD品质的音轨。最终音轨（＃7）甚至使用数字化的恶魔声音。音轨编号6特别值得注意，因为它似乎是直接从狂欢派对上摘下来的。事实证明，这是在超级秘密卡59“ Club DOOM”（只能从秘密卡访问的秘密卡）[9]上播放的音乐。让我让你欣赏她的疯狂。开始之前，请检查音量。其余曲目（编号1）为ISO-9660，其中包含游戏引擎和大多数资源。探索了许多DOOM端口之后，我天真地希望使用一个名为DOOM.EXE的引擎，一个PSXDOOM.WAD资源文件以及一个清单。我很误会。在赛道上共发现287个文件[10] [11]，包括60 .WAD，120 .IMG和不计其数的.LCD。数据按级别排序（每张卡五个文件）。文件名说明
=================================================== =====
MAPDIR0 / MAP01.WAD标准几何（BSP /拒绝/ ...）
MAPDIR0 / MAPTEX01.IMG平面/墙壁的纹理
MAPDIR0 / MAPSPR01.IMG由THINGS创建的所有子画面
MUSIC / MUSLEV1.LCD可播放的音乐
SNDMAPS1 / MAP01.LCD THINGS发出的所有声音
当被问及为什么一切都以新的方式安排时，Crash Bandicoot开发人员Andy Gavin在接受Ars Technica采访时部分回答了。[ 哈布雷翻译 ]“将磁头移动到CD上的任何点大约需要1/3秒。”
由于磁头定位速度接近300毫秒（这已由PSY-Q文档[12]确认），因此Williams Entertainment的开发人员无法保存DOOM引擎的清晰架构，该架构将所有资源存储在一个文件中（例如， DOOM.WAD），并根据要求下载它们。在PSX上，这将导致可怕的帧速率。开发人员通过在CD上抛出看似无穷无尽的字节来解决了这个问题。关卡所需的所有资源都存储在五个文件中，其中包含地图的几何形状，纹理。精灵，音效和音乐。这非常昂贵，但是消除了在游戏过程中访问CD的需要。趣味事实：在数据轨道上的文件列表中，有一个名为PSXDOOM.WAD的文件（4 806 088字节），但它仅用于加载调色板和多个菜单图像。在开发过程中可能会更积极地使用。以第一个地图为例：下载的数据总量已从4 MB减少到900 KB。文件名大小（以字节为单位）
====================================
MAPDIR0 / MAP01.WAD 28196
MAPDIR0 / MAPTEX01.IMG 90744
MAPDIR0 / MAPSPR01.IMG 590344
音乐/MUSLEV1.LCD 61232
SNDMAPS1 / MAP01.LCD 143632
====================================
总计：914,148
知道资源占用914 KB，您可能会认为还有很多未使用的DRAM。但是，您需要记住，它还必须适合428 KB的可执行文件以及在运行时会更改的堆栈。实际上，运行时只有大约1 MB的DRAM可用。一个有趣的事实：在检查PSXDOOM-RE的源代码时，我发现了P_LoadBlocks函数，该函数尝试从CD读取多达四次[13]，然后将其放弃。这是使用容易刮擦的介质的乐趣之一。我没想到CD-ROM头的安装时间会如此大地影响游戏架构。某些游戏（例如Crash Bandicoot）是使用页面系统从头开始创建的，用于在运行时从CD传输数据。对于DOOM，引擎无法做到这一点。除了一首特定的歌曲（是，来自俱乐部DOOM级别）外，游戏期间不使用CD。id Software的家伙从来都不喜欢CD-ROM提供的容量和速度之间的权衡。« - . , CD. - , Crash 'n Burn — ? . , CD , 3DO . - CD- DOOM, „ DOOM“. , . .
, CD. ». — (ATARI EXPLORER ONLINE, 22 1994 )
一个有趣的事实： DOOM游戏中的事件是使用“拉伸标记”触发的。越过具有特殊属性的线时，将调用特殊功能。在引擎的“旧版”版本中，没有允许您播放歌曲的属性。为了玩Club DOOM，创建了一个特殊的linedef动作（编号142） [14]。令人惊讶的是，创建此关卡花费了额外的精力。开发人员可能真的很喜欢在狂欢中玩得开心。失踪档案室的情况
在研究《 Game Engine Black Book》时，我无法完全弄清设计师Harry Teesley所说的这句话：“ Archvile的动画帧数是任何其他怪物的两倍，我们无法将其塞入PSX。他的攻击和复活效果都不会丢失。他太大了。” -Harry Tisley（设计师）在doomworld.com的一次采访中
显然问题不在于CD的650兆字节容量，而是我不明白什么是限制因素-DRAM或VRAM。了解了CD-ROM的局限性之后，我意识到问题不在于将子画面存储在CD上，甚至不将其从DRAM传输到VRAM。问题是将所有内容都装入DRAM。有趣的事实： ArchVile已从PSXDOOM-RE的源代码中完全删除。甚至他的#DEFINE也被注释掉了[15]。#define CC_ZOMBIE "Zombieman"
#define CC_SHOTGUN "Shotgun Guy"
#define CC_HEAVY "Heavy Weapon Dude"
...
#define CC_HELL "Hell Knight"
#define CC_SPIDER "The Spider Mastermind"
#define CC_CYBER "The Cyberdemon"
#define CC_HERO "Our Hero"
SPU编程
SPU芯片仅了解一种格式，即ADPCM。它能够混合多达24个通道（包括CD音频轨道），并具有强大的音频处理功能。为了驯服这只野兽，DOOM PSX使用了由音响工程师Scott Patterson编写的libWESS库（威廉姆斯娱乐音响系统）。该库功能非常强大，它能够重新创建MiDI系统，在该系统中，一大堆音符（称为声音字体）由占用很少空间的乐谱控制。它还可以实时处理声音属性，例如音量，音调，音符速度和ADSR功能（打击，衰减，延音和释放）。游戏中播放的所有音乐都是使用libWESS生成的。您猜到了一个例外，那就是Club DOOM，它从CD音轨6播放。WESS使用两种专有文件格式。这些是包含乐谱和声音效果的.WMD文件，以及是PSX VAG格式（无标题）并包含ADPCM样本的.LCD文件。当DOOM启动时，libWESS库将加载存储在一个名为DOOMSND.WMD的小文件（55 KB）中的所有声音效果（SFX，89个）和乐谱（19个）。她还将角色，门等发布的“始终使用的”样本加载到SRAM中。音乐/DOOMSFX.LCD-> SRAM
音乐/ DOOMSND.WMD-> DRAM
加载地图后，libWESS将打开MUSIC / MUSLEV％.LCD，其中包含此卡音乐中使用的ADPCM样本；以及SNDMAPS％/ MAP %%。LCD，其中包含该级别敌人所需的ADPCM样本。所有ADPCM样本都直接加载到SRAM中，并且不占用DRAM中的空间。PSX上的DOOM：GPU
在视频生成领域，Williams Entertainment需要解决两个问题：少量的VRAM（我们稍后会再讨论）和缺乏正确的纹理映射（考虑到视角）。“我和亚伦·席勒（Aaron Siler）分别为Nintendo 64（该游戏完全不同）和Playstation开发了版本。这些是第一个不是用裸机编写的版本，因为Sony和Nintendo都迫使开发人员（至少是第三方的）编写API，并且没有在硬件寄存器上提供文档。最初，SGI文化特别限制了开发人员，但后来任天堂逐渐放松了控制。
关于为Playstation开发版本的一个有趣故事：Aaron和我从不同的引擎架构入手，该引擎架构渲染了世界三角，因为该控制台为它们提供了完整的硬件加速。在N64的情况下，这是完美的，因为它具有亚像素精度的透视校正渲染（SGI影响的结果），但在Playstation仿射纹理贴图上使用整数坐标执行，因此大的墙和地板三角形看起来很棒。” -John Carmack（游戏引擎黑皮书：DOOM）
为了理解它的外观多么“糟糕”，我在下面显示了三幅仿射并可能正确构造纹理的墙。透视纹理仿射（PSX）请注意，直壁没有问题，并且随着视角的增加，失真会变得更加明显。在将DOOM移植到SEGA Saturn时，Rage Software开发人员也面临相同的感知问题。« , id Software. , WAD Saturn, , 3D-. , , 3D- . , PC. , , : SH2 , PC, 68000 .
, » — ( DOOM Saturn) RetroGamer №134.
也许，由于PSX开发人员有更多时间，他们可以通过将GPU多边形渲染器转换为线渲染器来解决前瞻性正确的纹理映射问题。“我说：备份所有内容（那时还没有版本控制系统！），我们将使游戏完全不同。” 我们使用了渲染三角形的设备，这些三角形代表一像素宽的列或行，就像在PC上的汇编代码中一样，并且效果很好。事实证明，在Playstation上更常见的解决方案是沿两个轴细分曲面，但是我真的很喜欢Doom看上去不如那个时期的Playstation上的大多数游戏那样“抽搐”。”-John Carmack（游戏引擎黑皮书：DOOM）
感谢PSXDOOM-RE项目[16]，我们可以找到它是如何实现的。渲染管道已被完全重写，分为两个阶段。这将在下面进行更详细的讨论，但实际上我们可以看到R_Render_Wall渲染函数发送了宽度为1像素的定义明确的绘图命令。void R_Render_Wall(...) {
.
int x1 = ... ;
int x2 = ... ;
.
while(x1 < x2) {
.
setRGB0(wallpoly);
setXY3(wallpoly,
x1 , ypos1 - 1,
x1 + 1, ypos2 + 1,
x1 , ypos2 + 1);
setUV3(wallpoly,
upos, v0,
upos, v1,
upos, v1);
.
x1 += 1;
}
}
墙以一像素宽的列进行渲染。签出类似于OpenGL中即时模式的API。有趣的事实：索尼的硬件设计师保留了MIPS处理器的i-cache，但禁用了其d-cache，将其转变为1K高速暂存器。墙/平面渲染程序广泛使用此暂存器。VRAM GPU管理
为了了解如何执行VRAM控制，我选择了一种奇怪的方法：我使用了查看实时VRAM仿真器$ PSX的功能。此函数显示1024 x 512 x 16位的整个像素阵列（尽管格式失真）。查看功能还显示了中央处理器在每一帧中传输的GPU指令的完整列表。否$ PSX-上帝送给我们一个模拟器，让您可以查看GPU的内部。仔细研究VRAM第一帧可以使您学习很多。游戏的第一帧显示为No $ PSX。最明显的是左上角的两个256 x 240 x 16位区域，它们是帧缓冲区（因此，游戏使用双缓冲）。值得注意的是，256x240是PSX上可能的最低分辨率。在帧缓冲区下方是一组彩色像素-CLUT调色板。注意红色阴影，它们表示当玩家受到伤害时屏幕变成红色时，将使用预先计算的调色板。在右上角，我们看到纹理在水平方向上被奇怪地压缩并且具有“错误”的颜色。发生这种情况是因为纹理使用了上述CLUT的8位索引。让我们再来谈谈PS1中《毁灭战士》中的射击
在2018年，我研究了如何实现火的效果[17] [ Habré的翻译 ]。在研究GPU命令时再次回到他身边真是太好了。请注意，没有$ PSX用红色标记每个命令的目标区域。阶段1：火焰在RAM中更新，并加载到VRAM中（CpuToVram命令）。阶段2：沿着屏幕绘制四次火焰纹理（QuadTex命令）。火焰纹理的宽度为32像素，但GPU用于绘制宽度为64像素的像素。这里不可能进行双线性滤波，而是采样最近的纹理像素。阶段3：将最终的DOOM板（QuadTex命令）绘制在所有内容的顶部。全画幅，逐个团队
对框架中传输的命令的研究表明，该引擎与PC版本完全不同。在其中，世界从短距离盘旋到了远方。首先，渲染所有墙。在第二遍中，它们（平面）（包括天空）之间填充了垂直间隙。在第三（最后）段落中，从最远的地方开始渲染精灵。所有这些都是通过零重绘像素完成的。在PSX上，渲染有点不礼貌。从远处开始，所有内容都经过一次渲染。 PC用来填充墙壁之间的空隙的visplane系统不在这里。由于有了一个称为“叶子”的新概念，平面和墙壁按子部门的顺序进行渲染。由于积极使用GPE矩阵投影功能，因此可以在“真正的3D”中进行此类操作。 Sprites还可以与墙/平面同时渲染，而没有重叠和截断检查，这导致少量的重画。void R_RenderPlayerView(void) {
R_BSP();
R_RenderSKY();
for (all subsectors from phase 1) {
R_RenderAll(subsector)
}
R_Render_Hud_Weapons();
}
让我们详细看一下从天空开始的每个步骤，首先使用CopyRectRaw渲染天空。没有$ PSX在帧完成时显示VRAM，但允许您回顾命令的历史记录。天空像素是可见的，因为没有$ PSX可以用一个像素宽度的列来感知这种入侵（其他仿真器，例如ePSXe，无法更好地应对[18]），但是所有这些像素都将被重写。请注意，在天空的纹理下，所有门钥匙的标记都收集在地图集中。然后从远到近依次遍历BSP。对于每个子部门，将渲染所有墙/平面/子图形。如果您熟悉DOOM BSP，则可能还记得doombsp编译器仅保留了可靠的子扇区。为了确保渲染平面，在PSX版本中增加了“叶子”的新概念，其中存储了BPS分隔段（不可见）。这些段被投影到屏幕空间中以生成平面边界。这是一种更加“干净”的方法，因为它使您摆脱了具有屏幕空间和错误的hack，例如，从著名的“ slug”中摆脱了。在下一个VRAM镜头中，来自与我们在上面的墙相同的子扇区的平面被渲染为1像素高的三角形。也要注意墙壁/平面的纹理，它们都具有相同的大小。此功能简化了VRAM纹理的选择并避免了碎片。我们仍然在同一个子部门中。现在，精灵将渲染为四边形（Quad）。这些精灵包括敌人，炮弹，部分透明的墙壁。为了娱乐，我们将展示等离子外壳。我们即将结束渲染命令。在这里，通过混合矩形来渲染武器。最后一步：接口渲染（HUD）。VRAM溢出！
使用GPU是在VRAM中分配空间的一种练习。对于帧缓冲区，CLUT，静态内容（接口），甚至墙/平面，该任务是基本任务，因为它们的大小均相同。但是，使用精灵，事情会更加复杂。由于精灵的大小不同，因此会导致碎片化。而且，纹理可以覆盖屏幕的大面积并重复，并且子画面通常是唯一的，并且在每帧中可能需要大量的画面。在最坏的情况下，一帧需要一定数量的子画面，这些子画面不能放置在VRAM中。这称为纹理缓存溢出，并且无法解决此问题。发生这种情况时，游戏会崩溃并显示一条错误的错误消息[19]让我们中的一些人想起了不祥的“不再有平面”。您同时看到的精灵越多，使用的VRAM就越多。PAL和NTSC之间的区别
在视频章节的结尾，我决定看看NTSC如何转换为PAL。不幸的是，与其他许多游戏一样，DOOM PSX也没有考虑垂直分辨率的提高。在欧洲的PS1上播放DOOM时，您看到了带有明显黑色边框的垂直压缩图像。了解了VRAM的原理后，我很难责怪开发人员。如果仔细查看NTSC中的VRAM方案，您会注意到增加帧缓冲区的垂直分辨率会违反整个数据分配结构。在其下存储纹理将是不可能的。否则，您将不得不将CLUT移到另一个位置。成本太高，收益却相对较少，即使黑色边框干扰了游戏，我也认为这样做不值得。致谢
感谢Eric Vazquez（PSXDOOM-RE的作者），Samuel Villarreal（PSXDOOM-RE的开发商之一）和Dan Leslie（PlayStation 1游戏的专业开发商）慷慨地与我分享了他们的知识。