260. Генерация VBlank PPU из синхронизации

Реализуйте генерацию VBlank из синхронизации PPU.

Урок 260 из 356 · tests/chapter_04_ppu_timing_and_vblank/test_260_ppu_vblank_generation_from_timing.py

Справка

https://www.nesdev.org/wiki/PPU_rendering#Line-by-line_timing
https://www.nesdev.org/wiki/PPU_registers#PPUSTATUS

Файл для обновления

emulator/ppu/ppu.py

Константы для добавления

PPU_VBLANK_START_SCANLINE = 241
PPU_PRE_RENDER_SCANLINE = 261

Почему этот шаг существует

Многие программы NES ждут VBlank перед записью в память PPU. Они обычно опрашивают PPUSTATUS ($2002) до тех пор, пока бит 7 не установится.

Концептуальное поведение для этого шага учебника

when the PPU enters scanline 241:
    set PPUSTATUS bit 7, VBLANK_STARTED

when the PPU enters scanline 261, the pre-render scanline:
    clear PPUSTATUS bit 7

Это даёт ROM базовый сигнал кадра без реализации полного рендеринга.

Предлагаемый пример реализации

PPU_VBLANK_START_SCANLINE = 241
PPU_PRE_RENDER_SCANLINE = 261

def step(self, cycles: int = 1) -> None:
    for _ in range(cycles):
        self.cycle += 1

        if self.cycle >= PPU_CYCLES_PER_SCANLINE:
            self.cycle = 0
            self.scanline += 1

            if self.scanline >= PPU_SCANLINES_PER_FRAME:
                self.scanline = 0
                self.frame += 1

            # Simplified scanline-level timing event.
            if self.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE:
                self.status |= VBLANK_STARTED

            if self.scanline == PPU_PRE_RENDER_SCANLINE:
                self.status &= ~VBLANK_STARTED

Важное упрощение

Это не точная по точкам синхронизация PPU. На реальном оборудовании изменения состояния происходят в определённых точках/циклах PPU, обычно моделируемых около точки/цикла 1 соответствующей строки развёртки. Пока этот учебник использует поведение входа в строку развёртки, потому что цель — научить концепции кадра/VBlank перед полной точностью цикла.

Вне целей учебника на данный момент

точная по точкам/циклам синхронизация VBlank
пропуск цикла нечётного кадра
рендеринг пикселей во время видимых строк развёртки
попадание спрайта 0
переполнение спрайтов
генерация NMI/обработка прерывания CPU

Запустить этот урок

uv run pytest tests/chapter_04_ppu_timing_and_vblank/test_260_ppu_vblank_generation_from_timing.py -v

Пример реализации

Предлагаемый пример реализации

PPU_VBLANK_START_SCANLINE = 241
PPU_PRE_RENDER_SCANLINE = 261

def step(self, cycles: int = 1) -> None:
    for _ in range(cycles):
        self.cycle += 1

        if self.cycle >= PPU_CYCLES_PER_SCANLINE:
            self.cycle = 0
            self.scanline += 1

            if self.scanline >= PPU_SCANLINES_PER_FRAME:
                self.scanline = 0
                self.frame += 1

            # Simplified scanline-level timing event.
            if self.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE:
                self.status |= VBLANK_STARTED

            if self.scanline == PPU_PRE_RENDER_SCANLINE:
                self.status &= ~VBLANK_STARTED

Показать код тестаtest_260_ppu_vblank_generation_from_timing.py

from emulator.ppu.ppu import (
    PPU,
    PPU_CYCLES_PER_SCANLINE,
    PPU_PRE_RENDER_SCANLINE,
    PPU_SCANLINES_PER_FRAME,
    PPU_VBLANK_START_SCANLINE,
    VBLANK_STARTED,
)


def cycles_to_enter_scanline(scanline: int) -> int:
    """Return the number of PPU cycles needed to enter a scanline from reset."""
    return PPU_CYCLES_PER_SCANLINE * scanline


def test_ppu_declares_vblank_timing_scanline_constants():
    """
    Objective:
    Name the scanlines used by the simplified VBlank timing model.
    """
    assert PPU_VBLANK_START_SCANLINE == 241
    assert PPU_PRE_RENDER_SCANLINE == 261


def test_vblank_is_clear_before_vblank_start_scanline():
    """
    Objective:
    Before entering scanline 241, PPUSTATUS VBlank bit should still be clear.
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(cycles_to_enter_scanline(PPU_VBLANK_START_SCANLINE) - 1)

    assert ppu.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE - 1
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) == 0


def test_vblank_starts_when_ppu_enters_scanline_241():
    """
    Objective:
    Entering the VBlank start scanline sets PPUSTATUS bit 7.

    Tutorial simplification:
    This checks scanline-level behavior, not exact dot/cycle-1 timing.
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(cycles_to_enter_scanline(PPU_VBLANK_START_SCANLINE))

    assert ppu.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE
    assert ppu.cycle == 0
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) != 0


def test_vblank_remains_set_during_vblank_until_cleared():
    """
    Objective:
    After VBlank starts, the flag remains set while the PPU continues through
    later VBlank scanlines.
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(cycles_to_enter_scanline(PPU_VBLANK_START_SCANLINE))
    ppu.step(PPU_CYCLES_PER_SCANLINE * 3)

    assert ppu.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE + 3
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) != 0


def test_ppustatus_read_clears_vblank_and_timing_does_not_reset_it_same_scanline():
    """
    Objective:
    Reading PPUSTATUS should clear VBlank. Because VBlank is generated only when
    entering scanline 241, stepping more cycles on that same scanline should not
    immediately set it again.

    This protects against treating VBlank as "always true during scanline 241".
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(cycles_to_enter_scanline(PPU_VBLANK_START_SCANLINE))
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) != 0

    value = ppu.read_register(0x2002)
    assert (value & VBLANK_STARTED) != 0
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) == 0

    ppu.step(10)

    assert ppu.scanline == PPU_VBLANK_START_SCANLINE
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) == 0


def test_pre_render_scanline_clears_vblank():
    """
    Objective:
    Entering the pre-render scanline clears the VBlank flag.
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(cycles_to_enter_scanline(PPU_VBLANK_START_SCANLINE))
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) != 0

    ppu.step(PPU_CYCLES_PER_SCANLINE * (PPU_PRE_RENDER_SCANLINE - PPU_VBLANK_START_SCANLINE))

    assert ppu.scanline == PPU_PRE_RENDER_SCANLINE
    assert (ppu.status & VBLANK_STARTED) == 0


def test_vblank_generation_still_allows_frame_wrap():
    """
    Objective:
    Adding VBlank side effects should not break the timing counter invariant that
    262 scanlines complete one frame.
    """
    ppu = PPU()

    ppu.step(PPU_CYCLES_PER_SCANLINE * PPU_SCANLINES_PER_FRAME)

    assert ppu.cycle == 0
    assert ppu.scanline == 0
    assert ppu.frame == 1

Тестовые функции (7)

test_ppu_declares_vblank_timing_scanline_constants
test_vblank_is_clear_before_vblank_start_scanline
test_vblank_starts_when_ppu_enters_scanline_241
test_vblank_remains_set_during_vblank_until_cleared
test_ppustatus_read_clears_vblank_and_timing_does_not_reset_it_same_scanline
test_pre_render_scanline_clears_vblank
test_vblank_generation_still_allows_frame_wrap