Integrantes

Sumário

1. Introdução

2. Descrição do produto

3. Análise técnica do funcionamento

4. Proposta de reprodução com ESP32

5. Pesquisa bibliográfica e tecnológica

6. Comparativo com produtos similares

Referências bibliográficas

1. Introdução

   O presente trabalho tem como objetivo apresentar um estudo teórico-exploratório sobre o console de games portátil Game Boy, produzido pela Nintendo. Foi feito um estudo sobre algumas versões do Game Boy, porém procurou-se focar na versão específica de lançamento em 1989. Neste documento, além de detalhar o produto investigado, apresentamos uma proposta de implementação de um emulador de Game Boy utilizando o ecossitema ESP32.

2. Descrição do produto

   O Nintendo Game Boy é um console portátil desenvolvido pela Nintendo e lançado em 1989. Tem como público-alvo crianças, adolescentes, jogadores casuais e consumidores do mercado de entretenimento portátil. Seu objetivo principal é a execução de jogos eletrônicos em qualquer local, utilizando uma plataforma embarcada compacta alimentada por baterias.

   Dentre suas principais funções podemos listar: execução de jogos armazenados em cartuchos, reprodução de áudio, exibição gráfica em tela LCD e a leitura de comandos do usuário através de botões.

   O modelo que vamos focar é o DMG, o primeiro da linha, lançado em 1989. Ele possui as seguintes especificações:

3. Análise técnica do funcionamento

   Abaixo, na Tabela 1, apresentamos uma lista com os componentes do Game Boy.

   Neste trabalho, apresentamos primeiramente a memória e depois os demais componentes individuais, visto que o mapeamento da memória interage com o controle de todos os componentes, sendo ela responsável por carregar tiles, objetos, conter a “bios” do console pela Boot ROM, carregar todos os dados do cartucho, controlar quais botões foram apertados e a saída de áudio, entre outros.

Memória - LH5264 WRAM

   A memória principal do Game Boy, como comentado anteriormente, é responsável por carregar dados para todas as partes do sistema. O mapeamento de memória em alto nível, como detalhado por Rylev [3], segue a seguinte estrutura:

• 0x0000 - 0x00FF: Boot Rom. Seção de código com a tela de Gameboy e para bootar o cartucho. Depois de bootar, ele se apaga para dar espaço ao código do jogo. Mais informações: Gameboy Bootstrap ROM [4].
• 0x0000 - 0x3FFF: Game ROM Bank 0. Aqui injeta o código do cartucho.
• 0x4000 - 0x7FFF: Game ROM Bank N. Outro chunk da ROM (código do jogo) se ela for grande. É trocada com o Bank 0 durante a execução.
• 0x8000 - 0x97FF: Tile RAM. Seção da memória dedicada para tiles, que vão ser os gráficos que serão mostrados na tela. Esses gráficos em específico são usados para as fases e os planos de fundo.
• 0x9800 - 0x9FFF: Background Map. Essa é a seção que efetivamente mapeia os tiles pra tela)
• 0xA000 - 0xBFFF: Cartridge RAM. Alguns cartuchos têm memória extra; se tiver, o sistema mapeia pra cá
• 0xC000 - 0xDFFF: Working RAM. Memória alocada que o Game Boy permite o jogo a usar
• 0xE000 - 0xFDFF: Echo RAM. Parte da memória que é exatamente igual a Working RAM, ecoando os dados. Uso desincentivado.
• 0xFE00 - 0xFE9F: OAM (Object Atribute Memory). Parte dos gráficos atribuída pra personagens, inimigos ou objetos, que têm capacidades a mais do que tiles.
• 0xFEA0 - 0xFEFF: Não utilizada
• 0xFF00 - 0xFF7F: Registradores I/O. Seção muita densa, utilizada pela tela e pelo sistema sonoro.
• 0xFF80 - 0xFFFE: High RAM Area. Usada normalmente por instruções LD, que apontam para esta parte da memória, e de vez em quando usado como stack, como o topo da Working RAM.
• 0xFFFF: Interrupt Enabled Register. O último byte da memória é usado como um handler de interrupções.

Memória de Vídeo - LH5264 VRAM

   A memória de vídeo é o mesmo modelo de chip que a memória. Ela é responsável principalmente por controlar o desenho das linhas que vão compor o display LCD. Os dados então são enviados para a Picture Processing Unit (PPU) do processador, que os envia para o display.

   Para os tiles de plano de fundo e mesmo plano, ela carrega um bitmap de 256x256 pixels, os quais apenas serão demonstrados 160x144 no display. Para os objetos carregados a partir da memória, seu controle é definido pela VRAM para ser enviado à PPU.

Display e PPU

   A Picture Processing Unit (PPU) é um controlador LCD construído dentro do processador do Game Boy [3]. Ela trabalha em conjunto com o display LCD para fazer a interface entre o display e os dados carregados na VRAM, com o controle determinado pela memória principal.

   O Display LCD é composto de uma tela de cristal líquido de 160x144 pixels com rolamento horizontal e vertical, podendo exibir até 4 tons de cinza no modelo DMG, que tem 40 x 32 bits de RAM embarcada para display de objetos na tela. Dados de tiles são carregados em um bitmap de 256x256 pixels, com a seção na memória principal de Background Map responsável por mapear os que estão atualmente aparecendo na tela [5].

Sistema de Áudio - APU, Amplificador e Entrada para Fone de Ouvido

   O sistema de áudio do Game Boy é controlado por 4 canais de som, responsáveis por realizar o output de sons com as seguintes características [5]:

• Som 1: Gera uma forma de onda retangular, com funções de varrer e envelopar;
• Som 2: Gera uma forma de onda retangular, com função de envelopar;
• Som 3: Gera qualquer forma de onda da RAM de formas de onda;
• Som 4: Gera ruído branco com função de envelopar.

   Dentro da estrutura de áudio, ainda há um amplificador sonoro com controle de som variável, e entrada para fones de ouvido.

Entrada para leitura de cartucho

   Cartuchos de Game Boy contém 32 conexões eletrônicas para conectar aos pinos do socket de leitura do cartucho. As informações do jogo - texto, tiles, objetos, dados e parâmetros - são transferidas para a memória principal (WRAM).

Port para conexão externa

   Uma das principais funcionalidades do Game Boy é conectar-se com outros consoles Game Boy através do Cabo Link. A partir desse cabo, jogadores poderiam transferir dados entre os consoles, permitindo jogar ao mesmo tempo, trocar itens, entre outros.

   Ao detectar a presença de um cabo link, o Game Boy passa a funcionar em um esquema Master/Slave, que não será detalhado aqui pelo escopo do projeto. Para mais informações, acesse o manual de desenvolvimento do Game Boy [5].

Dispositivos de Entrada - Matriz do Joypad

   Os botões do console, A, B, Start, Select e quatro botões direcionais funcionam numa base pull-down; quando apertados, o sistema registra e envia para a CPU o botão apertado.

Processador - Sharp SM83 CPU

   Como vimos, o processador do Game Boy contém diversas funções. Além de conter a memória, a PPU, APU, leitura de cartucho, leitura de dados de conexão externa e interpretação da matriz de botões, ela também contém o funcionamento de um Clock, entre outros.

   Essa arquitetura, descrita como System On a Chip (SOC), é um sistema integrado que inclui quase toda a funcionalidade do console [6].

4. Proposta de reprodução com ESP32

   A proposta consiste na reprodução das principais funcionalidades do Nintendo Game Boy utilizando a placa ESP32 e o framework ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework).

   O ESP32 possui um processador dual-core de até 240 MHz, memória SRAM interna e permite a implementação de sistemas embarcados relativamente complexos. Embora apresente esses recursos superiores ao processador Sharp utilizado pelo Game Boy original, a emulação exige a reprodução simultânea da CPU, do sistema gráfico, do gerenciamento de memória e dos dispositivos de entrada.

   A principal limitação observada durante o estudo está relacionada à memória disponível no ESP32.

   Durante a pesquisa, foi verificado algo interessante: a memória interna do chip ESP32 possui aproximadamente 512 KB. Dentro deste total, apenas aproximadamente 300 KB de memória permanecem disponíveis para uso, devido à inicialização do sistema e a reserva de memória para serviços internos. Entretanto, a maioria dos emuladores de Game Boy encontrados na pesquisa e em projetos de código aberto ocupam uma memória que varia entre 300 e 400 KB, o que representa um desafio significativo à proposta de implementação.

   Como solução para este desafio, surgiu a ideia de investigar as possibilidades de comprimir o Game Boy para rodar dentro de apenas 300 KB de memória, desenvolvendo uma versão otimizada e realizando alguns trade-offs, removendo alguns módulos do sistema.

   Antes de tudo, é passível de reconhecer que os emuladores são escritos em linguagens diferentes que carregam implementações de bibliotecas diferentes, assim como suporte a várias versões, como no caso do Cinoop. É necessária uma otimização de manter apenas os arquivos estritamente necessários para a execução na ESP32.

   O primeiro corte pensado é no processamento de áudio, que exige uso de recursos que aumentam o consumo de memória e processamento. Como o áudio não é essencial para a execução dos jogos para este projeto, sua remoção pode representar uma economia significativa de recursos.

   Se o processamento de áudio e conexão ao speaker forem cortados, os dados de áudio que o jogo vier a produzir serão apenas colocados no espaço alocado na memória, na parte de controle I/O, sem os dados serem processados ou transferidos, cortando parte do processamento.

   Outro possível corte seria a eliminação do suporte à leitura dinâmica de cartuchos. A ideia é eliminar a conexão a dispositivos externos para a leitura dos cartuchos, carregando as ROMs armazenadas na memória flash do do ESP32 e/ou carregando-as diretamente durante a inicialização do sistema.

   Além disso, outra estratégia pode ser considerada: como o Game Boy original opera em aproximadamente 60 FPS (quadros por segundo), podemos fazer com que os dados enviados e manipulados pela memória de vídeo sejam modificados de tal forma que o máximo que o Game Boy rode seja algo em torno de 30 FPS. Ou seja, a velocidade do desenho da tela seria cortada pela metade, para que se possa ter mais folga no processamento e poupar espaço na memória. Essa redução na taxa de atualização gráfica não significa necessariamente uma alteração na velocidade de execução do jogo, apenas diminuiria a taxa de atualização do display, permitinho a liberação de recursos para a execução do emulador.

   Com estes cortes, acreditamos ser possível rodar o restante do sistema completamente dentro da ESP32.

   Desta forma, os principais desafios técnicos esperados são o gerenciamento eficiente da memória limitada do ESP32 e a otimização do sistema. Outros desafios podem ser também a sincronização entre os módulos e a manutenção de desempenho para execução em tempo real.

   Apesar dessas limitações, os recursos computacionais do ESP32 indicam que a implementação desta versão de Game Boy é tecnicamente viável, constituindo um interessante estudo de sistemas embarcados.

5. Pesquisa bibliográfica e tecnológica

   Para investigação da viabilidade do projeto, foram utilizadas referências nas documentações de especificações do Game Boy, bem como vídeos e artigos científicos, que podem ser consultados nas referências bibliográficas.

   O console do Game Boy foi escolhido para o projeto por algumas características interessantes, conforme discutido por FINLAYSON (2017) [12]. Em seu artigo, onde o mesmo utiliza o console para o ensino de computação e sistemas embarcados, o autor destaca que, diferentemente de sistemas computacionais modernos, o desenvolvimento de programas para o Game Boy requer uma interação com o hardware mais direta. Como o console não possui sistema operacional, os programas interagem com o hardware diretamente e têm controle total sobre a memória do sistema.

   Compreender esse nível baixo de abstração e o comportamento físico do console original foi o primeiro passo para subsidiar a escolha e a posterior modificação do software de emulação que será adotado. Para analisar a viabilidade de portar uma solução de emulação existente para a ESP32, o trabalho de Soler (2020) [13] auxiliará na compreensão prévia da arquitetura interna de um emulador, detalhando como o laço principal de execução gerencia o ciclo de instruções e o sincronismo em tempo real. Essa base teórica será crucial para a análise do código-fonte do emulador base que será escolhido para este projeto, permitindo identificar em quais pontos as rotinas de software originais precisarão ser alteradas para interagir com os periféricos físicos.

   Complementarmente, a pesquisa desenvolvida por Axelzon et al. (2021) [14], que destrincha a emulação dividindo o sistema em componentes lógicos isolados, permitirá compreender o funcionamento fino do mapa de memória e dos registradores mapeados em I/O. Essa compreensão guiará as decisões técnicas do projeto, especialmente no que diz respeito ao redirecionamento dos sinais de entrada e saída. A meta é modificar o emulador existente para que ele deixe de operar apenas em ambiente virtual e passe a se comunicar diretamente com os dispositivos e componentes físicos originais do Game Boy que serão conectados à ESP32.

   O cruzamento dessas pesquisas acadêmicas com os manuais técnicos do console permitiram prever alguns dos desafios de hardware impostos pela plataforma alvo. Embora a ESP32 possua uma frequência de clock elevada, portar um emulador exigirá gerenciar restrições severas de memória RAM em relação ao barramento de dados original e ao gerenciamento de paginação de memória (Memory Bank Controllers - MBC). Além disso, a adaptação do código para realizar a leitura dos botões físicos e enviar a varredura gráfica para os componentes do console exigirá uma otimização. Assim, as referências bibliográficas consultadas servirão como guias de engenharia reversa de software, fundamentando metodologicamente a proposta de adaptar com sucesso uma solução de emulação consolidada para o ambiente prático de sistemas embarcados.

6. Comparativo com produtos similares

Sega Game Gear

   O Sega Game Gear foi um console portátil de 8-bits lançado pela Sega em 1990 para competir diretamente com o Game Boy da Nintendo. Apresentava um design horizontal, teclado direcional e botões integrados nas laterais de uma tela LCD retroiluminada e colorida com resolução de 160x144 pixels. O Game Gear tinha um processador Zilog Z80, de 3,58 MHz, com arquitetura baseada no Master System, facilitando o porte de jogos. Apesar de sua superioridade técnica com tela colorida e iluminada, o Game Gear enfrentou forte concorrência devido ao seu alto consumo de energia (exigindo 6 pilhas AA para poucas horas de autonomia) e preço elevado em comparação ao Game Boy. A Figura a seguir mostra como é o console:

Atari Lynx

   O Atari Lynx foi um console portátil de 16-bits lançado pela Atari Computer em 1989, tornando-se o primeiro portátil do mundo a apresentar uma tela LCD colorida com retroiluminação. Apresentava um design robusto e ambidestro, emoldurando uma tela de 160x102 pixels. Era alimentado por um processador CMOS personalizado de 8-bits baseado no MOS 6502 de 4 MHz, em conjunto com um coprocessador de codinome "Suzy" de 16-bits responsável por gráficos e aceleração de sprites. Incluía uma interface de botões de ação duplicados para versatilidade de comandos, além de suporte para rede local (ComLynx) para conectar múltiplos aparelhos. Embora o Lynx ostentasse recursos avançados como distorção de sprites e zoom por hardware muito superiores ao processador do Game Boy, seu tamanho avantajado, alto custo de fabricação e baixa autonomia de bateria limitaram seu sucesso comercial. A Figura a seguir mostra como é o console:

Bandai Wonderswan

   O Bandai WonderSwan foi um console portátil de 16-bits lançado pela Bandai em 1999 no mercado japonês, projetado por Gunpei Yokoi, o próprio criador do Game Boy original após sua saída da Nintendo. Apresentava um design compacto e assimétrico inovador, com múltiplos conjuntos de botões direcionais dispostos de forma a permitir que o console fosse jogado tanto na orientação horizontal quanto na vertical, dependendo do estilo do jogo, exibindo uma tela FSTN refletiva monocromática de 224x144 pixels. O WonderSwan era alimentado por um processador de 16-bits NEC V30MZ operando a 3,072 MHz, compatível com a arquitetura Intel 80186. O console incluía uma interface de botões modular para controle e uma porta de expansão lateral para cartuchos e acessórios. Lançado para rivalizar tardiamente com o Game Boy, o WonderSwan se destacou pela extrema eficiência energética, funcionando por até 40 horas com apenas uma única pilha AA, embora sua distribuição tenha ficado restrita predominantemente ao Japão. A Figura a seguir mostra como é o console portátil:

NEC TurboExpress

   O TurboExpress foi um console portátil de 16-bits lançado pela NEC em 1990 com o objetivo de oferecer a tecnologia de um console de mesa na palma da mão. O dispositivo apresentava um design vertical robusto, com um direcional e botões dispostos abaixo de uma avançada tela de LCD colorida de matriz ativa com resolução de 400x270 pixels, uma especificação técnica impressionante para a época. O TurboExpress era alimentado por um processador Hudson Soft HuC6280 de 8-bits operando a 7,16 MHz, auxiliado por um chip gráfico duplo de 16-bits, o que permitia rodar exatamente os mesmos cartuchos (HuCards) do console de mesa TurboGrafx-16. O portátil incluía uma interface de botões tradicionais e interruptores de fogo rápido para comandos, além de uma porta de expansão para sintonizador de TV e cabo de ligação para dois jogadores. Apesar de ser um colosso técnico infinitamente superior ao Game Boy monocromático, o TurboExpress falhou em ganhar tração no mercado devido ao seu preço extremamente proibitivo, problemas crônicos de confiabilidade em seus capacitores de áudio e vídeo, e um consumo de energia que esgotava 6 pilhas AA em menos de três horas. A Figura a seguir mostra como é o console portátil.

SNK Neo Geo Pocket

   O Neo Geo Pocket foi um console portátil de 16-bits lançado pela SNK em 1998 para competir com a hegemonia da Nintendo no mercado de sistemas de bolso. O dispositivo apresentava um design horizontal compacto e ergonômico, destacando-se pela inclusão de um joystick analógico do tipo microswitch altamente preciso no lugar do tradicional direcional em cruz, além de uma tela LCD reflexiva monocromática com resolução de 256x256 pixels. O Neo Geo Pocket era alimentado por um processador principal Toshiba TLCS-900H de 16-bits operando a 6,14 MHz, acompanhado por um coprocessador de áudio Zilog Z80 de 8-bits. O console incluía uma interface de botões de comandos otimizada para jogos de luta, bem como uma porta de expansão para conexão com o console de mesa Sega Dreamcast e cabos de link. Concebido para atacar diretamente o Game Boy, o portátil oferecia uma excelente autonomia de até 14 horas com apenas duas pilhas AAA, mas sua vida útil no mercado de telas monocromáticas foi encurtada drasticamente, forçando a SNK a lançar uma versão colorida apenas um ano depois para tentar conter o estrondoso fenômeno do Game Boy Color. A Figura a seguir mostra como é o console:

Comparação das especificações técnicas

   Abaixo, na Tabela 2, pode-se conferir as especificações dos diferentes consoles alternativos e concorrentes ao Nintendo Game Boy em comparação com as especificações do mesmo.

Referências bibliográficas

[1] HASANOV, Omer. How I made my own Game Boy with an ESP-32. YouTube, 24 abr. 2025. Disponível em: https://youtu.be/KWsbca9rGX0?si=TGv2_tlT_JtDaQAt. Acesso em: 11 jun. 2026.

[2] GBDEV. DMG Schematics. Disponível em: https://gbdev.gg8.se/wiki/articles/DMG_Schematics. Acesso em: 11 jun. 2026.

[3] Rylev. DMG-01: How to Emulate a Game Boy. Disponível em: https://rylev.github.io/DMG-01/public/book/. Acesso em: 11 jun. 2026.

[4] GBDEV. Gameboy Bootstrap ROM. Disponível em: https://gbdev.gg8.se/wiki/articles/Gameboy_Bootstrap_ROM. Acesso em: 11 jun. 2026.

[5] NINTENDO. Gameboy Development Manual. Versão 1.1. [S. l.]: Nintendo, 3 dez. 1999. Disponível em: https://archive.org/details/GameBoyProgManVer1.1/page/n7/mode/2up. Acesso em: 11 jun. 2026.

[6] GEKKIO. GB: Complete Technical Reference. Rev. 185. [S. l.]: gekkio, 10 jun. 2026. Disponível em: https://gekkio.fi/files/gb-docs/gbctr.pdf. Acesso em: 11 jun. 2026.

[7] ESPRESSIF SYSTEMS. ESP32-WROOM-32 Datasheet. Disponível em: https://documentation.espressif.com/esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf. Acesso em: 11 jun. 2026.

[8] CTURT. Cinoop. GitHub, 2015. Disponível em: https://github.com/CTurt/Cinoop/. Acesso em: 11 jun. 2026.

[9] LANGURMONKEY. playkid. Codeberg, 2026. Disponível em: https://codeberg.org/langurmonkey/playkid/src/. Acesso em: 11 jun. 2026.

[10] SONOSOOS. PicoGB. GitHub, 2026. Disponível em: https://github.com/SonoSooS/PicoGB. Acesso em: 11 jun. 2026.

[11] Electronoobs. ESP32 Gaming Console - Homemade Emulator Less Than 20$. YouTube, 15 jan. 2023. Disponível em: https://youtu.be/oT2H8a1SB2k?si=I2nWjhzYmwg5gxZS. Acesso em: 11 jun. 2026.

[12] FINLAYSON, Ian. Using the Game Boy Advance to teach computer systems and architecture. In: MEINKE, John (ed.). Journal of Computing Sciences in Colleges, [S. l.], v. 32, n. 3, p. 78-84, 1 jan. 2017. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/abs/10.5555/3015220.3015244. Acesso em: 11 jun. 2026.

[13] SOLER, David. DraconicGB: Creating a Game Boy Emulator. Orientadores: Bartomeu Grau, Gisela Vaquero Juanola, Joan Arnedo Moreno. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso (Grau d'Enginyeria Informàtica) – Àrea de Videojocs, [S. l.], 2020. Disponível em: https://openaccess.uoc.edu/server/api/core/bitstreams/0c7f22b3-c2a9-4d61-a19e-22400df35020/content. Acesso em: 11 jun. 2026.

[14] AXELZON, Algot et al. Game Boy Emulation. 2021. Bacharelado (Kandidatuppsatser) – Göteborgs universitet, Gotemburgo, 2021. Disponível em: http://hdl.handle.net/2077/69341. Acesso em: 11 jun. 2026.