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 produtoO 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:
Abaixo, na Tabela 1, apresentamos uma lista com os componentes do Game Boy.
| Elemento | Tamanho (Virtual) |
|---|---|
| Memória - LH5264 WRAM | 8KB (8192B) |
| Memória de Vídeo LH5264 VRAM | 8KB (8192B) |
| Display e PPU - Picture Processing Unit 160×144, 60 Hz | PPU - Processador |
| Áudio - APU - Audio Processing Unit - 4 canais | APU - Processador |
| Amplificador de Áudio | - |
| Placa filha para entrada de fone de ouvido | - |
| Cartucho de Jogo - ROM | 32KB - 128KB (ou mais) |
| Processador Sharp SM83 CPU (similar a um Z80) | 64KB (Espaço estendido quando lê cartucho) |
| Port para conexão externa | - |
| Matriz do Joypad Botões Direcionais, A, B, Start, Select | - |
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 WRAMA 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 VRAMA 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.
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].
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.
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).
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].
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.
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].
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 tecnológicaPara 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 GearO 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:
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:
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:
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.
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:
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.
