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2025/05/08 - 大约阅读10分钟

Apple II MouseCard IRQ 确实与 VBL 同步

这篇简短的技术文章旨在记录一些对大家来说可能并不明显的事情。最近，我向 Apple II 开发社区的同仁们提出了关于 Apple II MouseCard、它的中断以及它们与 Apple II 垂直消隐同步的问题。

关于该卡的文档指出，IRQ 与 VBL 同步：

我对此思考了很多，因为在 MAME 模拟器下，我的 Shufflepuck 游戏闪烁得很厉害，但在现实生活中，它的渲染却非常干净。当然，在 我 的现实生活中，我可以在 Apple //c 上进行测试，它并没有真正的 MouseCard，但具有兼容的鼠标固件，而且它是一台 PAL Apple，因此它以 50Hz 而非 60Hz 的频率运行。如果我想测试我的绘制速度是否足够快以适应 60Hz 的 Apple II，我必须浪费 3250 个周期才能开始绘制。

我如何浪费周期以确保我的游戏在 NTSC 机器上不会闪烁

因此，我无法进行我想要的精确测试，我不得不请好心人在他们的 NTSC Apple IIe 上进行多次测试，以确保我所做的事情是正确的。所有尝试过的人都告诉我它很好，没有闪烁，有些人还提供了视频（谢谢大家！）。但一些知识渊博的人告诉我，鼠标 IRQ 并没有，和/或无法与 VBL 同步，因为鼠标卡没有办法知道 VBL。充其量，它只能像“以相同的频率触发”那样“同步”。

最终，我在 MAME 的追踪器上提出了一个 issue，其中包含了我关于这个谜题的原理图：

我画了很好的图来解释自己

虽然 MAME 中的 bug 尚未修复，但 Robert Justice 和 R. Belmont（以及我自己的一些）对此进行的调查清楚地表明：

是的，Apple II MouseCard IRQ 与 VBL 信号精确同步，并与 VBL 信号同时触发。

首先，当程序员调用 MOUSE_INIT 时，鼠标固件会等待垂直消隐。在 Apple IIe 上，它通过观察 $C019 的 RDVBL 来实现；在 Apple ][+ 上，由于此软开关不可用，它通过设置一个充满零的 HGR 页面，并在相关位置设置几个不同的字节，然后执行vapor lock来实现。它可能不太精确，相差几个周期，但足以确定光束在屏幕上的位置。

以下是从 IIe 上等待 VBL 的 AppleMouse 固件代码的摘录：

; Here we are in my code, preparing to call MOUSE_INIT.
A=00 X=C4 Y=40; N....IZ.; 6E90: ldx #$19   ; Load MOUSE_INIT entry point ID
A=00 X=19 Y=40; .....I..; 6E92: jsr $6eaf   ; Jump to firmware calling subroutine
A=00 X=19 Y=40; .....I..; 6EAF: ldy $c400, x ; Get the firmware jump target low byte
A=00 X=19 Y=BC; N....I..; 6EB2: sty $6eba   ; Patch our code to jump
A=00 X=19 Y=BC; N....I..; 6EB5: ldx #$c4   ; Load X and Y according to the
A=00 X=C4 Y=BC; N....I..; 6EB7: ldy #$40   ; mousecard specifications
A=00 X=C4 Y=40; .....I..; 6EB9: jmp $c4bc   ; Jump to mouse firmware INIT
; Now we enter the mouse firmware, and watch it wait for VBL start.
[...]
A=06 X=C4 Y=40; .....IZC; C426: lda RDVBL   ; The mouse firmware waits for start
A=80 X=C4 Y=40; N....I.C; C429: bmi $c426   ; of vertical blanking
[...]
A=00 X=C4 Y=40; .....IZC; C42B: lda RDVBL   ; Now it waits for start of beam drawing
A=80 X=C4 Y=40; N....I.C; C433: bpl $c430   ; on the screen
[...]
A=80 X=C4 Y=40; N....I.C; C430: lda RDVBL   ; And wait for start of VBL again
A=00 X=C4 Y=40; .....IZC; C433: bmi $c430   
[...]                     ; At that point, VBL just started

这部分解释了“AppleMouse 卡如何在没有该信号可用的情况下知道 VBL”：它像我们程序员一样，通过软件来实现。

现在是另一个问题：MouseCard 如何以与 VBL 相同的速率触发其 IRQ？ NTSC Apple II 的帧速率为 59.92Hz，PAL Apple II 的帧速率为 50.32Hz。

嗯，一旦 MouseCard 固件捕获到 VBL 的开始，它就会使用其附带的 6821 PIA 来设置其附带的 68705 CPU。在以下摘录中，我只保留了对 PIA 寄存器的读/写操作：

A=00 X=C4 Y=40; .....IZC; C470: lda $c082, y ; Read PIA 0x2
A=0C X=C4 Y=40; .....I.C; C478: sta $c082, y ; Write 0x0C to PIA 0x2
A=00 X=C4 Y=40; .....IZC; C416: lda $c082, y ; Read PIA 0x2
A=0C X=C4 Y=40; .....I.C; C41B: lda $c081, y ; Read PIA 0x1
A=00 X=C4 Y=40; .....IZC; C420: sta $c081, y ; Write 0x0C to PIA 0x1
A=FF X=C4 Y=40; N....I.C; C425: sta $c080, y ; Write 0xFF to PIA 0x0
A=FF X=C4 Y=40; N....I.C; C428: lda $c081, y ; Read PIA 0x1
A=04 X=C4 Y=40; .....I.C; C42D: sta $c081, y ; Write 0x04 to PIA 0x1
A=50 X=C4 Y=40; .....I.C; C431: sta $c080, y ; Write 0x50 to PIA 0x0
A=50 X=C4 Y=40; .....I.C; C434: lda $c082, y ; Read PIA 0x2
A=2C X=C4 Y=40; .....I.C; C439: sta $c082, y ; Write 0x2C to PIA 0x2
A=2C X=C4 Y=40; .....I.C; C43C: lda $c082, y ; Read PIA 0x2
A=2C X=C4 Y=40; .....I.C; C43F: bpl $c43c   ; Until high bit is set
[...]
A=2C X=C4 Y=40; .....I.C; C43C: lda $c082, y 
A=AC X=C4 Y=40; N....I.C; C43F: bpl $c43c   ; It is now
A=AC X=C4 Y=40; N....I.C; C441: and #$df   
A=8C X=C4 Y=40; N....I.C; C443: sta $c082, y ; Write 0x8C to PIA 0x2
A=80 X=C4 Y=40; N....I..; C470: lda $c082, y ; Read PIA 0x2
A=84 X=C4 Y=40; N....I..; C478: sta $c082, y ; Write 0x84 to PIA 0x2
A=00 X=C4 Y=40; .....IZ.; C470: lda $c082, y ; Read PIA
A=00 X=C4 Y=40; .....IZ.; C478: sta $c082, y ; Write 0x00 to PIA 0x2

基本上，发生的事情是，Apple II 主 CPU 运行鼠标固件代码，该代码命中 6821 PIA 寄存器，这使得 PIA 与卡上运行的 68705 进行通信。对我来说，它的细节太接近底层了，但重要的是 68705 在设置期间所做的事情。

68705 CPU 附带一个 2kB 的小程序，该小程序已在 MouseCard 上进行了编程。换句话说，MouseCard 上有两个固件：一个是主 CPU 运行的 (341-0270-c)，另一个是 68705 运行的 (341-0269)。

68705 固件在设置期间执行以下操作：

A=00,X=00 083: lda  PORTA
A=90,X=00 085: bset 3, PORTC
A=90,X=00 087: brset 1, PORTC, $087
A=90,X=00 087: brset 1, PORTC, $087
A=90,X=00 08A: bclr 3, PORTC
A=90,X=00 08C: rts
A=90,X=00 3F9: sta  $59
[...]
A=24,X=24 5B2: lda  $59
A=90,X=24 5B4: anda #$01
A=00,X=24 5B6: tax
A=00,X=00 5B7: lda  $06C5,x
A=A2,X=00 5BA: sta  $52
A=A2,X=00 5BC: lda  $06C3,x
A=41,X=00 5BF: sta  $53
A=41,X=00 5C1: lda  $06C9,x
A=C7,X=00 5C4: sta  $50
A=C7,X=00 5C6: lda  $06C7,x
A=DF,X=00 5C9: sta  $51

我们稍后再讨论这些值。接下来要知道的是，68705 具有硬件（8 位）计时器功能，该功能在计时器达到 0 时会触发 IRQ。

让我们看看当计时器耗尽并中断 68705 时会发生什么：

67D bclr 7, TCR
67F dec  $4F   ; decrement a number
681 bne  $6BF   ; just rti if > 0
683 lda  TDR   ; Otherwise load Timer Data,
685 suba $50   ; Subtract the value at $50,
687 sta  TDR   ; Update Timer Data with that,
689 lda  $4F   ; and reinit the number at $4F
68B sbca $51   ; by subtracting the value at $51 from 0
68D inca      ; and adding one
68E sta  $4F
[...]
6B5 bclr 6, PORTB ; Finally, clear bit 6 of port B, which
[...]        ; triggers a main CPU interrupt - the VBL IRQ!
6BF rti

那么，这意味着什么？在每个 68705 CPU 周期中，计时器数据都会递减。当它达到 0 时，68705 会查看 $4F，如果它不为 0，则直接返回；但如果它为 0，它会将计时器数据重新初始化为小于 $FF，使该递减比其他递减短，并将完整递减的次数重置为 256 减去 $51 中的值。

现在来看 $50 和 $51 中的这些值，这些值来自固件中的 $06C9,x 和 $06C7,x：

      0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
000006c0 80 fc 8e 41 4e a2 4e df d9 c7 6e 00 00 00 00 00

当 X=0 时，$51 包含 $DF，$50 包含 $C7，当 X=1 时，$D9 / $6E。换句话说，计数器被编程为： ((256−0xDF)×256)+(256−0xC7)= 8505 NTSC 上的周期，((256−0xD9)×256)+(256−0x6E) = 10130 PAL 上的周期。

最后，当计时器数据在 68705 的 IRQ 期间被重新设置时，在 lda TDR / suba $50 / sta TDR 期间，我们必须记住，TDR 在 lda 期间和 suba 期间会继续递减。这些周期已计入幻数中。不知何故，有 10 个周期被考虑在内，即使 lda 和 suba 是 4 个周期，而 sta 是 5 个周期。我们认为，这与 LDA 返回的计时器数据递减了 3 个周期而不是 4 个周期有关。这是最后一个并非每个周期都精确计算在内的部分，但在这一点上，我们仍然可以从这些值中理解并确信 68705 被编程为每 8515 个周期 (NTSC) 或 10140 个周期 (PAL) 中断 6502。

鉴于 68705 的时钟频率为 2MHz，是 1MHz 6502 的两倍，这意味着每 17030 或 20280 个周期出现一次 6502 IRQ，这些值众所周知是两个垂直消隐之间的精确周期数。

总而言之：Apple II 技术说明“改变 VBL 中断率”中关于中断与 VBL 同步的说法是正确的。它是精确到周期的同步。它也会尽可能靠近 VBL 的开始时触发。

非常感谢那些在 MAME issue 上深入研究这个问题的人，对我来说这是一次非常有趣的深入探索。

最后，对于想要使用鼠标 IRQ 在 VBL 上同步的程序员来说：如果您希望它在 NTSC 和 PAL Apple II 计算机上都能工作，您将必须使用 TIME_DATA MouseCard 固件调用将其设置为正确的速率。为此，您需要知道您运行的是哪种计算机。您可以通过三种方式做到这一点：

我自己的代码使用 get_tv()，如果它得到 TV_OTHER，则询问用户。

但请记住，IRQ 通过 IRQ 向量、ProDOS，然后是各种 IRQ 处理程序，一直到您的代码的漫长旅程意味着您的代码将在 VBL 发生后几百个周期才得到通知。因此，此方法有一个优点：在带有鼠标卡的 ][+ 上进行简单、干净的 VBL 同步，并且有两个不便之处：它需要 MouseCard，并消耗了您本来可以用来在屏幕上绘制的几百个周期。