关于 Game Boy 卡带如何工作的内容比你想知道的还要多

这是一篇关于自制 Game Boy 卡带的详细指南，包含了硬件知识、协议等方面的内容，主要信息如下：

背景与目标：作者希望了解 Game Boy 卡带的工作原理，并利用 RP2040 微控制器的 PIO 功能制作自制卡带。其目标是制作可重写、支持大部分 Game Boy 游戏库且使用现成部件的卡带。
硬件基础：
- Game Boy 硬件概述：Game Boy 有内置 bootloader 的少量 ROM，无真正的操作系统和可重写的非易失性存储，需通过卡带来提供运行游戏的内存 IC。
- 总线与内存：介绍了并行总线（parallel bus）和串行总线（serial bus）的概念，Game Boy 采用 16 位/8 位并行总线，其 32 个引脚包括电源、地、控制引脚、地址总线和数据总线等。Game Boy 可连接多种内存 IC，如内部 RAM（WRAM）、视频 RAM（VRAM）、卡带 ROM 和卡带 RAM 等，但它们共享同一地址总线和数据总线，容易引发总线争用（bus contention）。
内存银行控制器（MBC）：
- MBC 功能：MBC 是常见于 Game Boy 卡带的集成电路，可使卡带上的软件访问超过 32KB 的 ROM 内存和额外的 RAM，还可集成如实时时钟和加速度计等外围设备。本文主要介绍 MBC5，它能处理高达 4MB 的 ROM 和 128KB 的卡带 RAM，并可禁用卡带 RAM。
- ROM 银行切换：MBC5 可通过改变 ROM 芯片的地址引脚来实现内存银行切换，使 Game Boy 能访问不同部分的 ROM 数据。
- MBC 协议：Game Boy 软件通过地址总线、数据总线和流控制引脚与 MBC5 通信，以指令 MBC5 切换内存银行。协议规定了不同地址和引脚状态下 MBC5 的操作，如写入数据到特定地址可设置 ROM 银行编号等。
- 卡带 RAM：卡带 RAM 用于存储游戏进度等数据，其访问受 MBC 控制。MBC 通过检查地址总线的特定引脚状态来确定是否激活卡带 RAM，并可通过设置锁定/解锁位来保护数据。卡带 RAM 也可通过类似 ROM 银行切换的方式进行银行切换。
自制卡带细节：
- 保持 RAM 安全：大多数商业 Game Boy 游戏使用静态 RAM（SRAM）存储存档数据，卡带通常通过复位 IC 来管理 SRAM 的电源切换和芯片禁用，以防止数据 corruption。
- 卡带上的外围设备：介绍了 rumble（震动）功能和 MBC3 上的实时时钟（RTC）功能的实现方式，它们通过 MBC 协议与 Game Boy 软件交互。
- 制作 Game Boy 卡带从 scratch 的步骤：
  - 简单 32KB 卡带：直接将 5V 并行闪存 IC 焊接到卡带边缘，通过对齐地址、数据和控制引脚来工作。
  - 使用闪存：多数第三方可重编程卡带使用并行闪存（NOR flash），其操作与 ROM 或 SRAM 有所不同，需要特定的协议（如擦除和写入字节操作），还需 cartridge flasher 来将文件写入闪存。
  - Cartridge flashers：这是连接电脑和 Game Boy 卡带的设备，可用于读取和写入卡带数据，通过微控制器和特定软件（如 FlashGBX）来控制。
  - 模拟 MBC：可通过 harvest 现有卡带的 MBC IC、使用可编程逻辑设备（如 CPLD 或 FPGA）或微控制器来模拟 MBC 行为，以支持大于 32KB 的 ROM。
  - 处理 MBC 协议与闪存协议冲突：可选择不冲突的闪存 IC 或使用单独的引脚来区分 MBC 和闪存的命令。
  - 卡带 RAM 数据持久化：可使用电池备份的 SRAM 或 ferroelectric RAM（FRAM），前者需额外的复位 IC 来管理电源切换，后者无需电池但成本较高。
  - 解决电源问题：可使用电压调节器将 Game Boy 的 5V 电源转换为较低电压，并用逻辑电平转换器将 5V 逻辑信号转换为适合低电压组件的信号，以使用 3.3V 或更低电压的组件。
- 策略与示例：介绍了一些在卡带上集成自定义硬件组件的策略，如通过特定地址引脚通信或利用 MBC 作为代理等，并列举了一些实际的自定义卡带示例。
总结与资源：总结了制作 Game Boy 卡带的要点，包括闪存选择、MBC 模拟、数据存储等，并提供了一些其他学习资源，如商业卡带 schematics、视频教程、文档等。

总的来说，这篇文章全面介绍了 Game Boy 卡带的工作原理和自制卡带的相关知识，对于对 Game Boy 硬件感兴趣的人具有很高的参考价值。