Memahami Desain Sistem Video Super Nintendo

Desain sistem video Super Nintendo

Bagian dalam TV pada awal 1990-an

• Super Nintendo mengeluarkan video ke perangkat TV standar
• TV menerima siaran TV analog (NTSC) melalui antena, menerima sinyal melalui tuner, lalu menampilkan gambar di CRT (tabung sinar katoda)
• TV memiliki input tambahan (AUX), dan perangkat TV dasar memiliki konektor composite (kuning) untuk mengirimkan sinyal video serta jack khusus (putih dan merah) untuk mengirimkan sinyal audio stereo

Cara kerja CRT

• CRT beroperasi pada 15kHz dan menggambar sekitar 15.000 garis per detik
• Di dalam CRT terdapat tiga electron gun, yang selalu menembakkan elektron lurus ke depan, sementara dua set magnet (vertikal dan horizontal) menggerakkan elektron ke atas-bawah dan kiri-kanan
• CRT tidak memiliki piksel, dan elektron yang ditembakkan dari electron gun selalu mencapai strip warna yang benar

Cara mengendalikan CRT

• CRT menerima sinyal merah, hijau, dan biru dengan menghubungkannya ke masing-masing electron gun
• Sinyal sinkronisasi (HSYNC dan VSYNC) dikirim melalui satu kabel putih, yang disebut composite sync (CSYNC)
• CRT menerima sinyal dan berusaha menyinkronkan electron gun

Cara CRT menggambar gambar

• CRT menggambar garis dari kiri ke kanan
• Saat menerima peristiwa HSYNC, CRT kembali ke sisi kiri layar (X=0), dan saat menerima peristiwa VSYNC, CRT kembali ke bagian paling atas layar (Y=0)
• CRT menggambar garis sambil bergerak ke kanan dan sedikit miring ke bawah

Kunci untuk memahami CRT

• Inti memahami CRT adalah menyadari bahwa electron gun bergerak ke kanan sambil sedikit miring ke bawah di layar
• Jika VSYNC terjadi bersamaan dengan HSYNC terakhir, garis akan selalu digambar di posisi yang sama pada layar
• Jika VSYNC terjadi di antara dua HSYNC, garis akan tergambar saling bersilangan

Isi di dalam garis

• Saat menggambar garis, CRT bersifat digital, tetapi isi di dalam garis bersifat analog
• Tiga electron gun terhubung langsung ke kabel RGB, dan sistem dapat mengubah sinyal warna secara bebas

Cara sistem lama menanganinya

• Perancang SNES harus menyediakan sinyal yang dapat diproses CRT
• Harus mematuhi spesifikasi sinyal NTSC
• Rasio layar 4:3, 262,5 garis per field, 341,25 titik per garis, dan frekuensi field 59,94Hz

Menjadi insinyur Nintendo

• Setelah memahami cara kerja CRT, sistem video harus dirancang
• Menggunakan 262 garis untuk membuat mode progressive dan menargetkan laju frame 59,94Hz
• Menggunakan 350 titik untuk menyesuaikan rasio layar 4:3, sehingga diperlukan dot clock 5,496,498Hz

Pemecahan masalah

• Dot clock 5,496,498Hz tidak bisa digunakan
• Harus memakai master oscillator agar subsistem dapat memakainya melalui pembagi frekuensi
• Masalah overscan juga harus diatasi

Pengenalan overscan

• Jika electron gun terus menembakkan elektron saat reset horizontal atau vertikal, akan muncul artefak yang terlihat
• TV melakukan overscan pada area layar sehingga tampilan menjadi sedikit lebih besar
• Diperlukan waktu untuk menghentikan electron gun setelah VSYNC dan HSYNC

Pemilihan resolusi vertikal SNES

• Sistem pesaing menggunakan 224 garis yang terlihat
• Nintendo membagi 262 garis menjadi 224 garis terlihat dan 38 garis kosong

Pemilihan resolusi horizontal SNES

• Menggunakan 262 garis dan master clock 21.47727MHz untuk mendapatkan dot clock 5.3693175MHz
• Menggunakan 341 titik untuk memperoleh laju frame 60.098Hz

Pemilihan overscan horizontal SNES

• Dari 341 titik, 256 titik digunakan sebagai area terlihat dan 85 titik digunakan sebagai HBLANK
• Rasio layar menjadi 8:7 sehingga terjadi sedikit distorsi

Mode resolusi tinggi: interlacing

• Resolusi vertikal dapat digandakan menjadi 448 garis
• Menggandakan resolusi horizontal jauh lebih sulit

PAL vs NTSC

• Di Eropa, PAL digunakan sebagai pengganti NTSC, dan di Prancis digunakan SECAM
• PAL menggunakan laju frame 50Hz dan 312,5 garis per field
• Versi PAL dari SNES menggunakan master clock 17.7344750MHz
• Resolusi terlihat menggunakan 224 garis dan 256 titik, dengan laju frame 50.00697891Hz

Output

• SNES mengubah sinyal CRT menjadi composite dan S-Video
• Melalui konektor AV, tersedia sinyal murni "RGB/CSync", sinyal "Composite", dan sinyal S-Video

Ringkasan GN⁺

• Artikel ini menjelaskan proses perancangan sistem video Super Nintendo, termasuk prinsip kerja CRT dan cara pemrosesan sinyal
• Dengan memahami cara kerja CRT dan pemrosesan sinyal, artikel ini menerangkan keputusan desain pada sistem video SNES
• Artikel ini bermanfaat bagi orang yang tertarik pada desain perangkat keras konsol video game, serta membantu memahami sejarah dan prinsip kerja teknologi CRT
• Proyek lain dengan fungsi serupa antara lain Sega Genesis dan Neo-Geo AES

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• 224 adalah angka yang habis dibagi 16, jadi sangat cocok dengan tilemap pada pipeline rendering grafis

  • CGA/EGA/VGA semuanya memiliki mode 320x200
  • NES adalah 256x224, dan SNES juga sama
  • Pac-Man di arcade adalah 288x224
  • Klon Pac-Man di PC selalu terlihat aneh
  • Saya baru memahaminya setelah mempelajari detail mesinnya
  • Piksel pada resolusi PC bukan berbentuk persegi
  • Saat melihat port atau klon Pac-Man, saya mencoba memahami ukuran dunia, ukuran tile, dan ukuran sprite

• 59.94Hz adalah angka yang aneh

  • Amerika Utara dan beberapa wilayah lain menggunakan jaringan listrik 60Hz

• Rasio artwork 8:7 bisa terlihat pada game SFC/SNES yang di-port ke platform lain

  • Versi PSX/Saturn/PC mempertahankan artwork asli dan menambahkan padding ke 4:3
  • Jika melihat tangkapan layar versi Saturn, semuanya tampak sedikit terlalu ramping

• Game Eropa melakukan VSYNC pada 50.00697891Hz sehingga game berjalan 17% lebih lambat dari yang dimaksudkan

  • Saya kecewa saat pertama kali memainkan Sonic the Hedgehog di Mega Drive
  • Saya mengetahui perbedaan kecepatan NTSC dan PAL lewat YouTube
  • Musiknya juga terdengar buruk di PAL
  • DooM di SNES memiliki layar yang lebih besar pada versi NTSC
  • Saya cukup jago Punch-Out di NES, tetapi kalau saya bertanding di Amerika, saya mungkin akan kalah di ronde pertama

• Ada salah ketik di TFA; rasio 8:6 sama dengan 4:3

  • Saya menggunakan output RF untuk beralih antara SNES dan antena TV

• Resolusi output 256x224 (8:7) diperluas menjadi gambar 4:3

  • Kecepatan dot SNES lebih lambat daripada kecepatan piksel persegi pada standar ATSC
  • Piksel diperluas secara horizontal menjadi 8/7, sehingga resolusi 8:7 melebar menjadi 64:49
  • 224*(4/3) = 298 dot terlihat
  • 224*(7/6) = 261.33... adalah jumlah dot terlihat yang lebih mendekati

• Saya penasaran apakah ada emulator yang dapat mensimulasikan tampilan CRT secara akurat

  • Dengan shader GPU, hal itu seharusnya memungkinkan dari sisi performa

• Saya berharap ini memberi wawasan tentang bagaimana desain game ikonik bisa terbentuk

  • Saya menyukai SNES, tetapi tidak bisa meyakinkan orang tua saya
  • Terima kasih sudah menulis ini. Sangat menarik