グラフィック機能は本エミュレータを作る最も大きな動機の一つで、機能の再現には最も力を入れている機能の一つです。

表示の仕組み

以下にグラフィック表示の機能ブロックの概略図を示します。

見た目はテキストの機能ブロックより若干シンプルですが、実際のソフトウェア処理量はグラフィックのほうが遙かに大きいです。
メモリアクセスに対しては関数で受けますが、グラフィックは単純なV-RAMアクセスの他、GRCG-TDW/TCRモード、GRCG-RMWモード、EGCモード、256色パックトピクセルモード、256色プレーンモードとそれぞれV-RAMアクセス時の対応が全く異なるため、モード切替時に受け口の処理関数が切り替わるようにしています。
各モードの実現方法の概要については後述するとして、まずはグラフィック機能で扱うデータの構造について記述します。

●関連ソース
videos.c
videogdcs.c
video256.c
videoEgc.c
video_win.cpp(video_osx.m)
graphShader.fx
arch9821.c

グラフィックV-RAMのデータ管理

16色モードのグラフィックV-RAMのデータは実機とは異なるデータ構造で管理しています。グラフィックV-RAMは実機ではプレーン毎にデータが管理されていますが、エミュレータ内部では、8ピクセル1単位で各プレーンをひとまとめにした32ビットのデータとして以下のように扱います。なお、リードライト共にこのデータに基づいて対応するため、実機のようにプレーン毎に分割した形でのデータの管理は行っていません。

256色モードについては図は省略しますが、こちらは1バイトに1パレット情報のパックトピクセルモードと同じデータ構造で管理しています(テクスチャバッファ上では、RGBAそれぞれに1ピクセル分のパレット情報が格納されているように見えます)。

Yラインデータ

テキスト表示と同様、グラフィック表示においてもYライン毎に左端のVRAM上の表示位置を管理します。これはGDCのSCROLLコマンド、PITCHコマンド、CSRFORMコマンドによって参照する位置が変わりうることへの対応になります。管理する内容はテキストほど複雑ではないので左端の表示位置のオフセットのみになります。ただ、16色モードのみは後述するラスタパレット処理の実現のためテクスチャバッファへコピーする際にパレット構成番号が付加されます。

パレットデータ

グラフィック機能のカラー性能は8色モード、アナログ16色モード、256色モードで異なりポートで設定される値も各モードで異なりますが、内部では8色モードのみ設定が特殊なため、ポートの読み出し時の応答用に設定されたデータを別途保持しておきますが、すべてのカラーモードでパレット情報を32ビットの表示色として管理します。また16色モードのみの制限はありますがパレット変更時の垂直走査位置を垂直同期からの経過時間から論理的に推測し、パレットカラーの変更を対応するYライン位置から行うラスターパレット処理を実装しています(が、正しく動作しているかの検証は出来ていません)。

テクスチャバッファとレンダリング

テクスチャバッファには、メインメモリからYラインデータ、パレットデータ、グラフィックデータをコピーし、レンダリングに使用します。テクスチャバッファ上のデータは表示色モードによって異なり、表示色モード毎に異なるシェーダのプログラムによってレンダリングが行われます。
まずバーテックスシェーダは、テキスト表示同様画面の4隅を頂点とした矩形を表示領域全体に表示するだけの処理になります。
ピクセルシェーダでは、まず優先順位としてテキスト画面のほうが優先されるため既にテキストで色がつけられたピクセルは処理をスキップします。 次に、描画するピクセル(x,y)に対して、xからは左端からのピクセル数、yからは対応するyラインデータを参照します。yラインデータとx座標から参照するグラフィックデータの位置が特定できます。グラフィックデータの構成は16色以下のモードでは1データに8ピクセル分が格納されていて、256色モードは1データに4ピクセル分格納されているので256色モードとそれ以外では参照方法が異なります。それぞれのモードの特徴としては、
・モノクロモード
モノクロモードの色指定はテキストのアトリビュートで指定するカラーに同期するため、テキスト描画から引き継いだ色情報を使用します。 これを実現するために、テキスト描画の際にはテキスト画面において色をつけるピクセルかつけないピクセルかの判別をアルファ値によって区別するようにし、RGB値に関してはそのまま値として残すようにしています。描画の際には、グラフィック面で色をつける場合にはカラー情報をテキスト面から参照しアルファ値を1.0にし、色をつけない場合にはRGBAすべてを0.0にします。
・8/16色モード
8色モードと16色モードはパレットカラーの制約の他に違いがないため同じプログラムを使用します。x,y座標から特定したグラフィックデータからパレット番号を取得し、パレットテーブルの値をピクセルデータとして設定します。
・256色モード
256色モードも文章で言うと、x,y座標から特定したグラフィックデータからパレット番号を取得し、パレットテーブルの値をピクセルデータとして設定します。と、同じ文言になるのですが、ドット毎のパレット情報の並び方が8/16色モードとは異なるため異なるシェーダプログラムを使用する必要があります。

グラフィックのピクセルシェーダはそれほど大きくないので8/16色モードのプログラムについてここで解説します。
ピクセルシェーダとは簡単に言うと、バーテックスシェーダで決定される描画領域の全ピクセルに対して、引数としてラスタライズ化されたピクセル毎の位置情報が渡されるので戻り値として対応するピクセルの色情報を返す関数になります。
ファイル、graphShader.fxのうち、8/16色モードのピクセルシェーダに関連する部分を取り出すと以下のコードになります。

Texture2D srcTex    : register(t0);     // ソーステクスチャ1(グラフィック)
Texture2D srcTxtTex : register(t1);     // ソーステクスチャ2(描画済みテキスト)
SamplerState samNearest : register(s0); // サンプリング関数で最近傍値(nearest neighbour)を取得するパラメータ
cbuffer CBGrpParam : register(b0) {     // 外部固定値
    float  xscale;                      // テキストの横倍角指定 (1.0(80文字) or 0.5(40文字))
    float  yline;                       // 縦ライン数 (480.0/1024.0(400ライン) or 240.0/1024.0(200ライン))
    float  showtxt;                     // テキスト表示の有無 (1.0(あり) or 0.0(なし))
    float  dummy;
};
struct PS_INPUT {                       // ピクセルシェーダの引数
    float4 Pos : SV_POSITION;           // 未使用
    float2 Tex : TEXCOORD0;             // 描画位置(x,y)
};

float4 PS16(PS_INPUT input) : SV_Target {
    float4 txtcol = srcTxtTex.Sample(samNearest, input.Tex * float2(xscale, 1.0)); // (1)
    float2 pos    = float2(input.Tex.y * yline, 0.5 / 129.0);
    float4 linfo  = floor(srcTex.Sample(samNearest, pos) * 255.0 + 0.25);          // (2)
    float4 vinfo;
    float  offset = floor(input.Tex.x * 640.0) / 8.0;                              // (3)
    float  vadr;
    float4 grpcol;
    float  col;
    linfo[2] = offset;
    vadr = dot(linfo.xyz, float3(1.0 / 1024.0, 256.0 / 1024.0, 1.0 / 1024.0));     // (4)
    vadr = fmod(vadr, 32.0);                                                       // (5)
    offset = exp2(floor(frac(offset) * 8.0)) * 255.0 / 256.0;                      // (6)
    pos = float2(frac(vadr), floor(vadr) / 129.0 + 1.5 / 129.0);                   // (7)
    vinfo = frac((srcTex.Sample(samNearest, pos) + 0.5 / 255.0) * offset);         // (8)
    col = linfo[3] * 16.0 / 1024.0 + 512.5 / 1024.0;
    col += dot(step(0.5, vinfo), float4(2.0 / 1024.0, 4.0 / 1024.0, 1.0 / 1024.0, 8.0 / 1024.0)); // (9)
    grpcol = srcTex.Sample(samNearest, float2(col, 0.5 / 129.0));                  // (10)
    return lerp(grpcol, txtcol, step(0.5, txtcol.a * showtxt));                    // (11)
}
      

前半のCPUから入力されるパラメータやソーステクスチャ類の定義と、ピクセルシェーダに渡されるパラメータの構造体定義になります。
ピクセルシェーダの本体はPS16で、先頭の行で変数txtcolにこれから描画するピクセルのテキスト画面の色を取得しています(1)。
取得の方法としては、テキスト表示イメージのテクスチャsrcTxtTexからSampleメソッドにより、描画座標に対応するテキスト画面の色を取得します。x座標にxscaleを乗算するのは40文字モードのときは参照するピクセルの横のオフセットサイズを1/2にするためです(こうすることでテキスト画面の同じピクセルを2回ずつ参照することになり横に間延びした文字になります。半角→等倍角)。
次にYラインデータを取得します。Yラインデータはグラフィック用テクスチャの最上段の列の左半分が該当領域なので、テクスチャの読み出し座標として、x座標に描画位置のy座標、y座標には最上段の0.5/129.0を作成し(pos)、その座標からYラインデータを取得します(linfo)。値は1.0に正規化された値から0.0～255.0の値へ変換しています(2)。
ここで、129.0はグラフィック用テクスチャの縦のピクセル数で、0.5は最上段のピクセルの中央を指定しています。(1.0や2.0はピクセルの境界に当たるためどちらの値が読めるか不定です)
(3)ではoffsetにx軸の左端からのバイトオフセットを格納します。8.0で割っているのは、8ピクセルは同じオフセットを参照するようにしているためです。
(4)でYラインデータからVRAMアドレスを取得します(vadr)。取得の方法として内積(dot)関数を使用していますが、計算の概要としては以下の図のような形になります。

図の補足ですが、CPUからテクスチャバッファに32ビットの整数で格納したデータはシェーダ側からは0.0～1.0の範囲で正規化された値として読み出されます。また、linfoのzの要素に(3)の値が入っていますがこれは(4)の直前の行、linfo[2] = offsetで代入しています。
計算結果は1024.0が分母に来るような小数の値として求めています。この値はテクスチャバッファの横ピクセル数で、この後グラフィックデータを特定するにあたり整数部分がy座標、小数部分がx座標になるようにしているためです。またグラフィックデータの範囲は32.0未満なので続けてラップアラウンド処理として剰余(fmod)をとっています(5)。余談ですが、バージョン0.2.5.0のバグフィックスで追加したコードがこの(5)になります。
続いて(6)(7)でグラフィックデータを取得しパレット番号を算出するための下準備をします。
まず(6)の式はグラフィックデータの一単位である横8ピクセル内の何ピクセル目なのかを特定するための計算します。まずx座標を表すoffsetの値からfrac関数を用いて小数点以下を抽出します。frac(offset)はデータソースがinput.Tex.xである関係から取り得る値は1.0/8.0刻みで0.5/8.0～7.5/8.0になります。
その値を8.0倍して小数点以下を切り捨てる関数floorを用いて整数にします。この結果1.0刻みで0.0～7.0の範囲の値になります。
次に先ほどの計算結果で2の累乗を算出し、その結果に255.0/256.0を掛けます。最終的にoffsetの値は255.0/256.0～255.0/2.0の範囲の値になります。
続いて(7)の式はテクスチャバッファ内で参照するグラフィックデータの位置を特定します。(4)で触れたようにx座標にはvadrの小数部、y座標はvadrの整数部をテクスチャバッファの縦のピクセル数129.0で割り、グラフィックデータの先頭位置のオフセット(1.5/129.0)を加算します。
(8)でsrcTex.Sampleにより実際にグラフィックデータを取り出します。ここで取得した値に演算誤差の補正値0.5/255.0を加算しoffsetを乗算します。
これはどういう計算をしているかというと、offsetは(6)の計算で例えば8ピクセル内の一番左の場合、255.0/256.0、左から2番目の場合は255.0/128.0、一番右は255.0/2.0というように分母が1/2ずつになる値をとります。このような値を掛けると各ビットの数値は所定のビットより左にセットされている値は整数、所定のビットがセットされている場合は0.5、所定のビットより右にセットされている値は0.5未満(0.25,0.125,...)になります。具体的に8ピクセルのうち一番右だけがセットされている場合はsrcTex.Sampleで取得される値は1.0/255.0になるので、offsetを掛ける前の値としては1.5/255.0になります。ここでoffsetが一番右を示している場合値は255.0/2.0であるため1.5/2.0(0.75)になります。
(8)の目的としては所定のビット位置がセットされているかどうか(つまり、少数点以下の値が0.5以上か、未満か)なので整数部は余計のためfrac関数で整数部分を除去しています。
続く(9)の式でカラーパレットの位置を特定します。まずパレットテーブルのベースになる位置としてテクスチャバッファの最上段の中央からラスタスクロール用のパラメータ分右に移動した位置を指定します。ここがパレット0の位置となり、そこから右15ピクセルまでが16色パレットの情報となります。
パレット番号の算出ですが、まずstep(0.5, vinfo)でvinfoのRGBA各要素について0.5以上(ビットがセット)なら1.0、未満(ビットがクリア)なら0.0に変換します。その上でRGBAに係数としてそれぞれ2.0、4.0、1.0、8.0を乗算して総和(つまり内積)をとります。実際の計算ではテクスチャバッファの位置になるのであらかじめ1024.0で割っています。この値をパレットテーブルのベース位置に加算することで参照するパレット情報の位置(col)が決まります。
読み出し位置が決まったので(10)で表示色をsrcTex.Sampleで取得します。
ここまで指定されたピクセルにグラフィック画面としてどのような色を設定するかの計算をしてきましたが、実際に表示する色としてはテキストのほうが手前に表示されるのでテキストで既に色が設定されている場合はそちらが優先されます。(11)ではleapという関数でこれを実現しています。関数leap(x, y, a)は計算結果として x * (1.0 - a) + y * aを返します。(11)の式ではxにグラフィックのカラー、yにテキストのカラー、aにはテキスト画面の表示ありでテキストの透過情報が0.5以上なら1.0、未満なら0.0になる値が入っています(実際の透過情報は1.0か0.0のみが設定されてくるためstepを使わずに、単純にtxtcol.a * showtxtだけで問題ないはずです)。
以上の計算を画面の全ピクセルに対して行うことで、既にレンダリング済みのテキスト画面とグラフィック画面を合成した表示イメージを持つテクスチャが作成されます。

EGC

リード

・コンペアリードを行うか行わないか(ポート04A4hのbit13)
・リードした内容をシフタに格納するかどうか(ポート04A4hのbit12, 11, 10)
・リード時にパターンデータを更新するかどうか(ポート04A4hのbit9, 8)

ライト

・ライト処理をCPUデータ、ROP(ラスタオペレーション)、フォアグラウンドカラー、バックグラウンドカラーのいずれで行うか(ポート04A2hのbit14, 13、ポート04A4hのbit12, 11)
・ライト処理をROPで行う場合、シフタのソースをVRAMにするかCPUにするか(ポート04A4hのbit10)

・ポート7ChにC0hを設定し、GRCGを使用可能にする
・ポート6Ahに順に07h、05h、06hを設定し、拡張モードをEGCモードにする

・ポート6Ahに順に07h、04h、06hを設定し、拡張モードをGRCG互換モードにする
・ポート7Chに00hを設定し、GRCGを使用禁止にする

・ポート04A0hにFFF0hを設定、すべてのプレーンへのアクセスを許可
・ポート04A2hに00FFhを設定、フォアグラウンドカラーとバックグラウンドカラーは無効
・ポート04A6hに28F0hを設定、ROPモード、ソースデータはリードしたVRAMデータ、ROPパターンはソースデータのみ
・ポート04A8hにFFFFhを設定、全ビット使用許可(マスクビットなし)
・ポート04AChに0002hを設定、転送方向インクリメンタル、ソースシフト2ビット、ディスティネーションシフト0ビット
・ポート04AEhに637を設定、転送サイズを638ビット