FPGAs für die Emulation

  

Warum FPGAs für die Emulation von Retro-Spielen großartig sind

Die Verwendung von FPGAs zur Replikation klassischer Videospielsysteme ist seit einigen Jahren weit verbreitet, aber wie unterscheiden sich diese Projekte von Standard-Softwareemulationen? Ist es den hohen Einstiegspreis für die meisten Nutzer wert?

Wofür steht FPGA?

FPGA steht für Field Programmable Gate Array, eine Art integrierte Schaltung, die nach der Herstellung neu konfiguriert werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computerchips verwenden FPGAs programmierbare Logikblöcke und Verbindungen, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Zwecke neu konfiguriert werden können.

Im Wesentlichen kann ein FPGA so umprogrammiert werden, dass es sich wie jede Art von digitaler Schaltung verhält. Dies kann immer wieder erfolgen, indem einfach eine neue Konfiguration in den RAM geladen wird, um einen anderen Chiptyp zu emulieren. Während ältere FPGAs Schaltpläne verwendeten, verwenden neuere textbasierte Programmierung, um das Verhalten zu beschreiben.

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Diese Chips haben eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, insbesondere in der KI-Beschleunigung und im maschinellen Lernen. Microsoft ist eine Partnerschaft mit Intel eingegangen, um die Bing-Suche mithilfe der FPGAs der Arria-Familie von Intel zu verbessern. Sie werden in Signal- und Bildverarbeitungssystemen verwendet und spielen eine einzigartige Rolle bei der Unterstützung von Designern beim Testen von Konzepten in den frühen Phasen der Entwicklung.

Da FPGAs neu programmiert werden können, um sich immer wieder wie verschiedene Arten von Schaltkreisen zu verhalten, eignen sie sich auch perfekt für die Emulation von Videospielhardware. Anstatt einen Emulator in Software auszuführen, emulieren FPGAs effektiv verschiedene Videospielsysteme auf Hardwareebene.

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Wie funktioniert die FPGA-Systememulation?

Die FPGA-Emulation erfordert, dass jemand einen „Kernel“ für die Hardware schreibt, der das Verhalten der ursprünglichen Hardware reproduziert. Dieser Prozess beinhaltet oft das Reverse Engineering der Originalhardware und sogar das „Unboxing“, bei dem die Schutzabdeckung eines integrierten Kühlkörpers entfernt wird, um den Chip im Inneren freizulegen.

Dies ermöglicht eine Sichtprüfung der integrierten Schaltung, um die Herstellung eines funktionsfähigen FPGA-Kerns zu unterstützen. Dieser heikle Prozess erfordert den Einsatz von Chemikalien wie Schwefelsäure und Aceton, Hitze, Atemschutzgeräte und viel Geduld. Dann werden Referenzbilder aufgenommen und die Kerne in einer Hardwarebeschreibungssprache (HDL) geschrieben, die von einem FPGA interpretiert werden kann.

Der Prozess des Lernens, des Reverse Engineering und des Schreibens eines FPGA-Kerns kann Monate und viel Hingabe in Anspruch nehmen. Überraschenderweise werden viele dieser Kerne im Interesse der Erhaltung der Hardware kostenlos zur Verfügung gestellt. Kernel werden normalerweise in einem Beta-Stadium veröffentlicht, damit sie verbessert werden können, und die Entwicklung kann Jahre dauern.

Trotz Emulation der Original-Hardware ist die FPGA-Emulation ebenso wie die Software-Emulation fehleranfällig. Die Kernel werden regelmäßig aktualisiert, wenn weitere Korrekturen und Änderungen im Streben nach perfekter Hardware-Emulation implementiert werden.

Welche Vorteile hat FPGA?

Die FPGA-Hardwareemulation kommt dem Spielen auf einem Originalsystem am nächsten und bietet ein authentisches Erlebnis. Dies kann Macken beinhalten, die auf der ursprünglichen Hardware vorhanden waren, vorausgesetzt, der Kernel liefert eine 1:1-Nachbildung des Originals. Probleme wie Latenz, die bei Softwareemulatoren auftreten können, werden behoben, da die Emulation auf einer viel niedrigeren (Hardware-)Ebene stattfindet.

Original-Hardware kann unzuverlässig sein, insbesondere wenn sie älter wird. Die Reproduktion des Verhaltens der ursprünglichen Schaltung mit einem FPGA ist eine Möglichkeit, die ursprüngliche Hardware zu erhalten, und kann immer wieder implementiert werden. Wenn diese Projekte Open Source werden, kann jeder davon profitieren, solange er die erforderliche FPGA-Hardware besitzt.

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Für die meisten Menschen ist es praktischer, eine einzelne Hardware zu haben, die im Handumdrehen neu programmiert werden kann. Original-Hardware kann teuer sein, Platz einnehmen und für seltene Computer und Spielbretter schwer zu finden sein. Diese Hardware wird nicht jünger, und da die Produktion schon vor langer Zeit eingestellt wurde, kann es schwierig sein, sie zu reparieren oder zu ersetzen.

Da das System auf Hardwareebene emuliert wird, sollten Systeme in der Lage sein, mit fast jeder Hardware, die für diese Plattform entwickelt wurde, eine Schnittstelle zu bilden. Dazu gehören Original-Cartridges, Peripheriegeräte und Zubehör, die beim Schreiben des Kernels nicht unbedingt berücksichtigt wurden.

Dies unterscheidet sich von Software-Emulatoren, die die verschiedenen Geräte berücksichtigen müssen, die der Bediener verwenden möchte (wie beispielsweise eine Lichtpistole).

MiSTer: FPGA-Hardware-Emulation für zu Hause

MiSTer FPGA ist ein Open-Source-FPGA-Projekt, das sich der Emulation und Erhaltung von Konsolen, Heimcomputern und Spielautomaten widmet. Es ist das erfolgreichste Projekt seiner Art, mit Hunderten von Kerneln, die verfügbar sind und sich aktiv in der Entwicklung befinden.

Die einzige „erforderliche“ Komponente zum Ausführen eines MiSTer-FPGA ist das DE10-Nano, ein kleines Raspberry Pi-ähnliches Gerät mit einem System-on-Chip des Cyclone V. Das Board kann mit zusätzlichem RAM, einem USB-Hub und Eingang erweitert werden /Ausgangserweiterungen Ausgang, der Funktionen wie VGA-Ausgang, SCART-Ausgang oder JAMMA-Ausgang für Spielkonsolen hinzufügt.

Terasic Inc.

Zu Beginn benötigen Sie einen DE10-Nano, ein Gehäuse und etwas Kühlung. Für eine fortgeschrittenere Emulation ist eine RAM-Erweiterung erforderlich. Mit Add-On-Modulen von Resellern wie MiSTer Addons oder Ultimate MiSTer können Sie Ihr MiSTer FPGA-Setup entsprechend Ihrem Verwendungszweck erweitern. Anschließend müssen Sie Ihre SD-Karte mit der neuesten Version von MiSTer konfigurieren.

Der Prozess ist aufwändiger als die Verwendung „herkömmlicher“ Emulatoren, erfordert aber dennoch Datendateien und ROMs wie ein Software-Emulator. Wenn Sie ein Enthusiast sind, der ein Erlebnis haben möchte, das mit der Originalhardware vergleichbar ist, gibt es nichts Besseres als MiSTer. Für andere ist es ein großer Aufwand, etwas zu erreichen, das durch Software-Emulation kostenlos gemacht werden kann.

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Analog Pocket: On-the-Fly-Emulation der FPGA-Hardware

Der Analogue Pocket ist ein tragbarer Handheld-Computer für mehrere Systeme, der eine FPGA-Emulation verwendet, um mit originalen Game Boy-, Game Boy Color- und Game Boy Advance-Cartridges zu kommunizieren. Es gibt auch zusätzliche Cartridge-Adapter für die Systeme Game Gear, Neo Geo Pocket, Atari Lynx und TurboGrafx-16.

analoger Begriff

Das System unterstützt moderne Fortschritte wie die Möglichkeit, das Spiel zu unterbrechen, wenn die Konsole in den Ruhezustand versetzt wird. Das Pocket verfügt über ein wunderschönes Display, das Funktionen wie Pixelgittermuster und LCD-Hintergrundbeleuchtungseffekte nachbildet. Es kann auch an ein Dock (separat erhältlich) für die Wiedergabe auf einem Fernseher über HDMI angeschlossen werden.

Für 219,99 $ ist es ein hübscher Handheld, der jeden mit einer guten Sammlung von Originalpatronen ansprechen wird. Es gibt keine Möglichkeit, ROMs aus der Software zu laden, aber Analogue Pocket ist mit jedem Flashcart kompatibel, das auf der Originalhardware funktioniert.

Die Nachteile von FPGAs für Retro-Gaming

Der größte Nachteil bei der Verwendung von FPGAs zum Spielen von Retro-Spielen ist der Preis. Moderne Software-Emulatoren laufen auf fast jedem Gerät, von alten Computern bis hin zu Smartphones. Die meisten sind kostenlos und viele sind vollständig Open-Source-Projekte. Einige wurden jahrzehntelang entwickelt und sind hochgradig konfigurierbar.

MiSTer FPGA und Analogue Pocket sind teure Hobbys. Insbesondere das MiSTer-Projekt könnte mit genügend Add-Ons leicht über 500 US-Dollar kosten, und obwohl dies im Vergleich zu einem einzelnen Spielbrett oder einem seltenen Heimcomputer ein großartiger Wert ist, ist es für jeden, der nicht nach einem Pixel sucht, schwer zu verkaufen - Perfekte Emulation.

MiSTerAddons.com

Auch die Verfügbarkeit ist ein Problem. Zum jetzigen Zeitpunkt im Februar 2022 ist der DE-10 Nano überall ausverkauft und Analogue hat eine einjährige Warteliste für die nächste Charge von Pocket-Konsolen. Die Dinge werden durch einen weltweiten Mangel an Halbleitern und Wiederverkäufer verschlimmert, die auf Wiederverkäufer-Websites exorbitante Preise verlangen.

Die moderne Hardware- und Software-Emulation ist so weit fortgeschritten, dass viele Gelegenheitsspieler den Unterschied zwischen einem Software-Emulator und der Originalhardware nicht mehr kennen. FPGA-Projekte wie MiSTer und Pocket richten sich direkt an Enthusiasten. Preis und Verfügbarkeit sollten sich im Laufe der Zeit verbessern, sodass die Zukunft für die FPGA-Emulation auf Hardwareebene sehr rosig ist.

Andere Möglichkeiten, die Klassiker zu emulieren

Es gibt jetzt billigere und einfachere Möglichkeiten, in die Emulation einzusteigen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass auf dem Gerät, das Sie zum Lesen verwenden, ein Emulator für mehrere Systeme wie RetroArch ausgeführt wird.

Eine der derzeit günstigsten Heimemulatoren ist die Xbox Series S (oder Series X), die relativ leicht zu finden ist und zum Ausführen einer großen Anzahl von RetroArch-Kernen verwendet wird. Wenn Sie nach etwas Tragbarem suchen, sehen Sie sich die neuesten tragbaren Emulatoren an, die von Android und Linux unterstützt werden.