כיצד פועלת ערכת אמולטור Raspberry Pi?
ערכת אמולטור של Raspberry Pi הופכת את מחשב הלוח-היחיד למערכת משחקים מרובה-קונסולות על ידי שילוב של רכיבי חומרה ספציפיים עם תוכנת אמולציה המחקה חומרת משחקים קלאסית. המערכת פועלת באמצעות שכבות שונות-חומרה פיזית מריץ מערכת הפעלה לינוקס, המארחת תוכנת אמולציה שמתרגמת קוד משחק ישן להוראות שה-Pi יכול לבצע.
הערכה כוללת בדרך כלל את לוח ה-Raspberry Pi עצמו, כרטיס microSD-טעון מראש בתוכנת אמולציה כמו RetroPie, ספק כוח, בקרים, ולעתים קרובות מארז עם רכיבי קירור. כאשר אתה מפעיל את המערכת, היא מאתחלת לתוך EmulationStation, ממשק גרפי המאפשר לך לגלוש ולהפעיל משחקים המאוחסנים כקובצי ROM.
ארכיטקטורת שלוש-שכבות
כדי להבין כיצד ערכות אלו פועלות, נדרשת התבוננות בשלוש שכבות מחוברות שכל אחת מהן מטפלת בפונקציות ספציפיות.
שכבת החומרה: הקרן
בתחתית יושב לוח Raspberry Pi הפיזי-בדרך כלל Pi 4 Model B או Pi 5 החדש יותר. Pi 4 כולל מעבד Broadcom BCM2711 ארבע- ליבות ARM Cortex-A72 הפועל במהירות 1.8 GHz, בשילוב עם 2GB עד 8GB של RAM של LPDDR4. ה-Pi 5 מעלה את הקצב עם ליבות Cortex-A76 במהירות 2.4 גיגה-הרץ ועיבוד גרפי משופר.
החומרה הזו חשובה כי האמולציה יקרה מבחינה חישובית. ה-Pi צריך לדמות ארכיטקטורות מעבד שונות לחלוטין בזמן-אמת. סופר נינטנדו, למשל, השתמשה במעבד Ricoh 5A22 של 16-bit - ה-Pi חייב לחשב מה השבב הזה היה עושה, ואז להציג את התוצאות דרך צינור הגרפיקה שלו.
ה-VideoCore GPU מטפל בעיבוד גרפי. ב-Pi 4, הוא פועל במהירות של 500 מגה-הרץ, בעוד שה-VideoCore VII GPU החדש של Pi 5 מגיע ל-800 מגה-הרץ. האצת GPU זו היא קריטית למשחק חלק. בלעדיו, מעבד ARM יתקשה לשמור על קצבי פריימים עקביים, במיוחד עם מערכות התלת-ממדיות -כמו Nintendo 64 או PlayStation.
האחסון מגיע באמצעות כרטיסי microSD, בדרך כלל 32GB עד 128GB. משחקי ROM (עותקים דיגיטליים של נתוני מחסניות) חיים כאן לצד מערכת ההפעלה. כרטיסים בדירוג UHS-I או UHS-II מהירים יותר משפרים את זמני הטעינה ומפחיתים את הגמגום במהלך המשחק.
שכבת תוכנה: מחסנית האמולציה
מעל החומרה פועלת גרסה שונה של Raspberry Pi OS (מבוססת על Debian Linux). מערכת הפעלה קלת משקל זו מספקת את הבסיס לתוכנת אמולציה תוך מזעור תקורה של משאבים.
רוב הערכות משתמשות ב-RetroPie, הפצת תוכנה המאגדת את כל הדרוש למשחקי רטרו. RetroPie עצמו אינו אמולטור-זה אוסף של כלים שפועלים יחד. בליבתו יושב RetroArch, "חזית" המספקת ממשק אחיד למספר ליבות אמולציה.
הליבות הללו הן האמולטורים בפועל. כל ליבה מחקה מערכת משחקים ספציפית. לדוגמה, ליבת SNES9x מחקה את חומרת ה-Super Nintendo, בעוד PCSX ReARMed מטפל במשחקי פלייסטיישן. RetroArch טוען את הליבה המתאימה על סמך המשחק שאתה בוחר, ואז מעביר כניסות של הבקר ומנהל את פלט האודיו/וידאו.
הקשר בין הרכיבים נראה כך: EmulationStation (התפריט שאתה רואה) ← RetroArch (מסגרת האמולציה) ← ליבות בודדות (אמולטורים ספציפיים למערכת) ← המשחקים שלך (קובצי ROM).
כאשר אתה בוחר משחק, EmulationStation אומר ל-RetroArch איזו ליבה לטעון ואיזה קובץ ROM להפעיל. RetroArch מאתחל את הליבה הזו, טוען את נתוני המשחק ומתחיל בתהליך האמולציה. כניסות הבקר שלך מתורגמות דרך מערכת הקלט של RetroArch לפורמט שהליבה מצפה לו.
שכבת ממשק: הפיכתו לשמיש
EmulationStation מספקת את מערכת התפריטים החזותית. הוא סורק את ספריות ה-ROM שלך, מציג רשימות משחקים מאורגנות לפי קונסולה, ומציג אמנות קופסה או צילומי מסך (אם הורדת מטא נתונים דרך תכונת הגרידה שלה). הניווט משתמש בלוח משחק או מקלדת-אין צורך בעכבר.
התצורה מתרחשת באמצעות תפריטים מקוננים. אתה יכול לשנות את הגדרות הווידאו, למפות מחדש פקדים לפי-מערכת או לכל-משחק, להפעיל צ'יטים או להגדיר תכונות רשת. מערכת המקשים החמים מאפשרת לך לגשת לאפשרויות האלה באמצע-המשחק על ידי לחיצה על שילוב לחצנים, בדרך כלל בחר+התחל כדי לפתוח את תפריט RetroArch.
עיצוב שכבות זה אומר שאתה יכול להחליף רכיבים בודדים מבלי לבנות הכל מחדש. רוצה אמולטור SNES אחר? התקן ליבה אחרת. מעדיפים חזית אחרת? החלף EmulationStation תוך שמירה על RetroArch. צריך יותר כוח? שדרג את דגם ה-Pi שלך והעבר את כרטיס ה-microSD שלך.
איך אמולציה מתרחשת בפועל
כאשר אתה מפעיל משחק, מספר תהליכים מתרחשים באלפיות שניות. ליבת האמולטור טוענת את קובץ ה-ROM לזיכרון, מנתחת את המבנה שלו כדי להבין את הקוד והנכסים של המשחק, ואז מתחילה לבצע הוראות.
תרגום-בזמן אמת הוא האתגר המרכזי. המעבד של הקונסולה המקורית דיבר סט הוראות שונה ממעבד ה-ARM של Pi. האמולטור חייב לפרש כל הוראה מהחומרה המקורית, להבין מה הוא אמור לעשות, ואז לבצע פעולות שוות ב-Pi.
פרשנות זו יוצרת תקורה. הוראת SNES עשויה לדרוש 10 או 20 הוראות ARM כדי לדמות בצורה מדויקת. תכפילו את זה במיליוני ההוראות המעובדות בשנייה במהלך המשחק, ותבינו מדוע אמולציה דורשת כוח עיבוד משמעותי.
כמה אופטימיזציות עוזרות. הידור מחדש דינמי (dynarec) מתרגם בלוקים של קוד מקורי לקוד ARM-במהלך-, שומר את התוצאות לשימוש חוזר. זה הרבה יותר מהיר מאשר לפרש כל הוראה בנפרד. ובכן,-ליבות עם אופטימיזציה כמו PCSX ReARMed משתמשות רבות ב-dynarec, וזו הסיבה שאמולציית PlayStation פועלת בצורה חלקה על ה-Pi למרות המורכבות היחסית של הקונסולה הזו.
אמולציית גרפיקה עוברת נתיב מקביל. לקונסולות המקוריות היו שבבי גרפיקה ייעודיים עם יכולות ספציפיות-טיפול ב-sprite, שכבות רקע, אפקטים מיוחדים. האמולטור חייב ליצור אותם מחדש בתוכנה, ואז להציג את התוצאות דרך ה-GPU של ה-Pi באמצעות OpenGL ES. זה המקום שבו האצת GPU הופכת קריטית; עיבוד תוכנה לבדו לא יכול לשמור על 60 FPS עבור מערכות תובעניות יותר.
אודיו מציג אתגרים דומים. האמולטור מדמה את התנהגות שבב הקול, ויוצר צורות גל התואמות את הפלט של החומרה המקורית. לאחר מכן זרם השמע הזה מוזרם דרך תת-מערכת השמע של ה-Pi, בין אם זה אודיו HDMI, שקע האוזניות או Bluetooth לרמקולים אלחוטיים.
גבולות ביצועים
לא כל המערכות מתחקות באותה מידה. ה-Pi 4 מטפל מצוין בקונסולות 8-bit ו-16-bit - NES, SNES, Genesis, Game Boy פועלים כולם במהירות מלאה ובדיוק. משחקי פלייסטיישן 1 לרוב עובדים היטב, אם כי חלק מהכותרים מראים האטה במהלך סצנות מורכבות.
אמולציית Nintendo 64 פוגעת בקירות הביצועים. לשמצה היה קשה לחקות את הארכיטקטורה של המערכת הזו במדויק אפילו במחשבים חזקים. ה-Pi 4 יכול להריץ כמה משחקי N64 במהירויות הניתנות להפעלה עם הגדרות דיוק מופחתות, אבל כותרים תובעניים כמו Rogue Squadron נשארים קטועים. המפרט המשופר של Pi 5 עוזר כאן, עם דיווחים על תאימות N64 טובה יותר, אם כי הוא עדיין לא מושלם.
אמולציה של Dreamcast מראה הבטחה ב-Pi 5 באמצעות אמולטור Redream. פלייסטיישן 2, GameCube ו-Wii נותרו ברובם מחוץ להישג יד-המערכות האלה פשוט מורכבות מדי עבור היכולות של ה-Pi. ארכיטקטורות המעבדים הרבות- והגרפיקה המתוחכמת שלהם דורשות כוח סוס משמעותי שאפילו ה-Pi 5 לא יכול לספק באופן עקבי.
על פי בדיקות של Tom's Hardware, קצבי הפריימים יכולים לרדת בצורה ניכרת עם כותרי פלייסטיישן תובעניים ב-Pi 4, כאשר משחקי לחימה מראים גמגום במהלך לחיצות על הכפתורים. המדדים האחרונים ב-Pi 4 מדגימים ביצועים חלקים עם כותרים שעברו אופטימיזציה נכונה, במיוחד עבור משחקי 2D ופחות תובעניים.
Pi 5 מביא שיפורים מדידים. בדיקות עצמאיות מראים שה-Pi 5 מטפל ב-Game Boy Advance, N64, Dreamcast ו-PSP עם עקביות משופרת בהשוואה לדגמים קודמים. אופטימיזציות הנדסיות כמו אמולציית NUMA יכולות להגביר את ביצועי ליבות מרובות-בעד 18% ב-Pi 5, אם כי שינויים כאלה דורשים שינויי ליבה מעבר לתצורות משתמש טיפוסיות.
מערכת תרגום הבקר
תמיכת בקר ראויה לתשומת לב מיוחדת מכיוון שלעתים קרובות היא לא מובנת. כאשר אתה מאתחל את RetroPie לראשונה, הוא מבקש ממך להגדיר בקר על ידי לחיצה על כל כפתור-D-כיווני משטח, לחצני פנים, לחצני כתף, התחל/בחירה וכפתור "הפעלת מקש קיצור".
תצורה ראשונית זו ממפה את הבקר הפיזי שלך למערכת התפריטים של EmulationStation ויוצרת פרופיל בסיס עבור RetroArch. לאחר מכן, RetroArch מייצר אוטומטית תצורות בקר עבור כל ליבת אמולטור על סמך פרופיל זה.
אבל כאן זה נהיה מעניין: לקונסולות שונות היו פריסות לחצנים שונות. לבקר SNES היו ארבעה כפתורי פנים ושני כפתורי כתף. בקר פלייסטיישן הוסיף עוד שני כפתורי כתף ומקלות אנלוגיים. לבקר של Genesis היו רק שלושה כפתורי פנים בהתחלה.
שכבת ההפשטה של הבקר של RetroArch ממפה את כפתורי הבקר המודרני שלך לכל מה שציפתה המערכת המקורית. אם אתה משתמש ב-PlayStation DualShock 4 עם 16 לחצנים כדי לשחק במשחק NES שהשתמש רק ב-4 כפתורים, RetroArch פשוט מתעלם מהכניסות הנוספות אלא אם מיפית אותם במיוחד לפונקציות אמולטור כמו מצבי שמירה או הרצה- קדימה.
מיפוי מחדש לכל-משחק אפשרי. אם כותר ספציפי מרגיש מביך עם מיפוי ברירת המחדל, אתה יכול להיכנס לתפריט RetroArch במהלך המשחק ולהגדיר מחדש את הפקדים רק עבור המשחק הזה. השינויים נשמרים אוטומטית.
בקרי USB פועלים לחבר-ו-להפעיל לאחר הגדרה ראשונית. בקרי בלוטות' דורשים התאמה דרך תפריט הגדרות ה-Bluetooth של RetroPie, שעובר דרך גילוי וחיבור. לאחר ההתאמה, בקרי ה-Bluetooth מתחברים מחדש אוטומטית באתחול.
אחסון וניהול קבצים
מבנה כרטיס ה-microSD הוא פשוט אך חשוב להבנה. מחיצת /boot מכילה את ליבת לינוקס וקבצי תצורת האתחול. המחיצה הראשית מכילה את מערכת ההפעלה, תוכנת RetroPie וה-ROM שלך.
קובצי ROM חיים ב- /home/pi/RetroPie/roms/, עם ספריות משנה עבור כל מערכת-nes/, snes/, psx/ וכו'. EmulationStation סורקת את הספריות הללו בעת ההפעלה ומציגה את כל מה שהיא מוצאת.
הכנסת ROM ל-Pi מתרחשת במספר דרכים. שיטת ה-USB היא הפשוטה ביותר: צור תיקייה בשם retropie בכונן הבזק בפורמט FAT32, חבר אותו ל-Pi, המתן דקה בזמן שהוא יוצר את מבנה התיקיות, ואז הסר אותה והעתק ROM לתיקיות המסוף המתאימות במחשב שלך. חבר אותו בחזרה ל-Pi, המתן להעברה, ואתחל מחדש.
העברת הרשת פועלת באמצעות Samba (שיתוף קבצים של Windows). ממחשב אחר ברשת שלך, אתה יכול לגשת ל\\\\retropie ולראות את תיקיות ה-ROM ישירות. גרור ושחרר קבצים לפי הצורך, ולאחר מכן הפעל מחדש את EmulationStation כדי לרענן את רשימות המשחקים.
מערכות מסוימות דורשות קובצי BIOS-קוד בינארי מהחומרה המקורית הדרושה לאמולציה מדויקת. אמולציית פלייסטיישן, למשל, זקוקה ל-PS1 BIOS. קבצים אלה נכנסים ל- /home/pi/RetroPie/BIOS/. בלעדיהם, משחקים רבים לא ייטענו.
מצבי שמירה שונים ממצבי שמירה-במשחק. שמורות-במשחק פועלות בדיוק כפי שעשו בחומרה המקורית, המאוחסנת בתוך נתוני השמירה של ה-ROM. מצבי שמירה הם תכונות אמולטור שמצלמות את מצב המערכת כולו בכל רגע. אתה יכול לשמור ולטעון אותם באופן מיידי, אפילו במשחקים שמעולם לא הייתה להם פונקציונליות שמירה. RetroArch מאחסן אותם ב- /home/pi/RetroPie/retroarch/states/.
ניהול חשמל ותרמי
אספקת חשמל משפיעה על הביצועים יותר ממה שרבים מבינים. ה-Pi 4 דורש ספק כוח של 5V/3A (15W); ה-Pi 5 צריך 5V/5A (25W) לפעולה יציבה, במיוחד עם אמולציה תובענית. מתח נמוך גורם למצערת-המערכת מפחיתה אוטומטית את מהירות השעון כדי למנוע חוסר יציבות, וכתוצאה מכך להאטה במהלך המשחק.
ל-Pi אין כפתור הפעלה במובן המסורתי. חיבור לחשמל מדליק אותו. כיבוי נכון מצריך שימוש בתפריט של EmulationStation כדי לבחור "מערכת כיבוי", המבצעת כיבוי נקי לפני חיתוך החשמל. פשוט ניתוק Pi פועל עלול להרוס את כרטיס ה-microSD שלך.
חום הופך לגורם במהלך הפעלות משחק ממושכות. ה-Pi 4 מייצר חום משמעותי תחת עומס, כאשר בדיקות הראו שמצערת תרמית יכולה להתרחש ללא קירור מספק. מארזים עם מאווררים או גופי קירור מובנים- מונעים זאת. ה-Pi 5 פועל חם עוד יותר בשל הביצועים המוגברים שלו, מה שהופך את הקירור האקטיבי לחובה כמעט לאמולציה עקבית.
אוברקלוקינג דוחף את ה-Pi מעבר למהירויות המניה שלו לביצועים טובים יותר. זה מגדיל הן את צריכת החשמל והן את תפוקת החום. אופטימיזציות אחרונות לתזמוני SDRAM ב-Pi 5 השיגו שיפורי מהירות של 10-20% בשעונים במלאי, עם אוברקלוקינג זהיר שהגיע לעד 32% עליות ב-3.2 GHz. שינויים כאלה דורשים קירור נאות ונושאים סיכונים של חוסר יציבות.
פלטפורמות אמולציה אלטרנטיביות
בעוד ש-RetroPie שולט, קיימות חלופות עם פילוסופיות שונות. Recalbox נותנת עדיפות לקלות השימוש עם יותר אוטומציה אך פחות התאמה אישית. Lakka מציעה חוויה קלת משקל -כמו קונסולה באמצעות LibreELEC כבסיס שלה. Batocera מספקת תמיכה נרחבת בפלטפורמה ויכולות-מובנות של הזרמת משחקים.
השוואות פלטפורמות אחרונות ב-Pi 5 מציגות את Batocera שמציעה תמיכה מוצקה בקונסולות-עם תצורת בקר של 8-שחקנים, בעוד ש-Lakka מצטיינת באמולציה פשוטה עם ממשק בהשראת פלייסטיישן. כל פלטפורמה עושה פשרות שונות בין פשטות וגמישות.
הארכיטקטורה הבסיסית נשארת דומה בכל הפלטפורמות-בסיס לינוקס, מסגרת RetroArch, ליבות אמולטור מרובות. ההבדלים נעוצים בעיצוב הממשק, התכונות הנכללות וגישות התצורה. משתמשים המחפשים יותר שליטה נוטים לכיוון RetroPie, בעוד שאלו המעוניינים בפשטות-ו-הפעלה עשויים להעדיף את Recalbox.
כשדברים לא עובדים
בעיות ביצועים נובעות בדרך כלל מכמה מקורות נפוצים. אספקה מופחתת גורמת לקריסות אקראיות או האטה. כרטיסי microSD איטיים יוצרים גמגום במהלך עומסי רמות. התחממות יתר מפעילה מצערת שמתבטאת בנפילות פתאומיות של המסגרת.
אם משחק מסוים לא נטען, פורמטים שגויים של ROM הם בדרך כלל האשם. ליבות אמולטור שונות תומכות בפורמטים שונים של קבצים. ייתכן שמשחקי PlayStation יהיו בפורמטים .bin/.cue, .chd או .pbp-לא כל הליבות קוראות את כל הפורמטים. בדיקת התיעוד של הליבה מגלה לאילו פורמטים היא מצפה.
חלק מהמשחקים דורשים ליבות אמולטור ספציפיות. משחקי Neo Geo זקוקים גם ל-ROM של המשחק וגם לקובץ Neo Geo BIOS כדי לתפקד. רכיבי ארקייד חייבים להתאים לגרסת MAME שהאמולטור מצפה-בשימוש בערכת ROM שתוכננה עבור MAME 0.78 עם MAME 2003 Plus לא יעבוד.
בעיות בבקר נעוצות לעתים קרובות לתצורת המקשים החמים. אם כפתורים נראים לא מגיבים במשחקים, זה לעתים קרובות בגלל שכפתור ההפעלה של המקשים החמים נלחץ בו-זמנית, ומכניס את RetroArch למצב שבו הוא ממתין לפקודות אמולטור במקום להעביר קלט למשחק.
שאלות נפוצות
האם אני יכול להשתמש בכל דגם Raspberry Pi עבור אמולציה?
בעוד שכל Pi עובד טכנית, Pi 4 עם לפחות 2GB RAM הוא המינימום המעשי לביצועים טובים ברוב המערכות. דגמים מוקדמים יותר נאבקים עם כל דבר מעבר לקונסולות 8 סיביות. ה-Pi Zero חסר עוצמה מדי עבור הדמייה נוחה של מערכות מעבר לעידן NES/Game Boy.
האם אני צריך מחסניות משחק מקוריות כדי להשתמש בערכות אמולטור באופן חוקי?
חוקי זכויות היוצרים סביב ROM משתנים לפי תחום השיפוט. הגישה הבטוחה ביותר היא רק שימוש במשחקים שבבעלותך באופן אישי עותקים פיזיים שלהם, אם כי האכיפה והבהירות המשפטית שונות באופן משמעותי לפי אזור. RetroPie אינו כולל תוכן המוגן בזכויות יוצרים-עליך לספק קובצי משחק משלך.
האם אוכל להוסיף משחקים לאחר ההגדרה הראשונית?
כן, הוספת ROM היא פשוטה באמצעות העברת USB או שיתוף קבצים ברשת. מקם קבצי ROM בתיקיית המסוף המתאימה בתוך /home/pi/RetroPie/roms/, ולאחר מכן הפעל מחדש את EmulationStation כדי לרענן את רשימת המשחקים.
כמה אחסון אני צריך?
כרטיס microSD בנפח 32GB מכיל מאות משחקים של 8-bit ו-16 סיביות. משחקי פלייסטיישן ו-N64 לוקחים יותר מקום - כ-500MB למשחק PS1, 10-50MB עבור כותרי N64. כרטיס 64GB מספק מקום נוח לספרייה מגוונת על פני מספר מערכות.
מסתכל על המערכת השלמה
האלגנטיות של ערכות האמולטור של Raspberry Pi טמונה באופן שבו רכיבים פשוטים יחסית משתלבים לפתרון גיימינג רטרו מסוגל. מעבד ה-ARM של ה-Pi לא תוכנן לאמולציה, אך באמצעות הנדסת תוכנה חכמה ואופטימיזציה של חומרה, הוא משחזר חוויות משחק ממערכות שהשתמשו בארכיטקטורות שונות לחלוטין.
האופי המודולרי אומר שהמערכת משתפרת בהדרגה. ליבות אמולטור טובות יותר מופיעות באופן קבוע, ומוסיפות דיוק או ביצועים. עדכוני קושחה משפרים את היכולות של ה-Pi. אתה יכול לשדרג רכיבים בודדים-כרטיס microSD מהיר יותר, דגם Pi חזק יותר, בקרים שונים-מבלי להתחיל מחדש.
עבור מישהו שרוצה להבין ולא רק להשתמש בערכות האלה, התובנה המרכזית היא שהאמולציה כוללת שכבות הפשטה מרובות, שכל אחת מהן מתרגמת בין ייצוגים שונים של אותו דבר. המשחק חושב שהוא פועל על החומרה המקורית שלו, אבל הוא למעשה פועל על תוכנה שמדמה את החומרה הזו, שבעצמה פועלת על חומרה פיזית שונה לחלוטין. כוח העיבוד המספיק של Raspberry Pi, בשילוב עם תוכנת אמולציית קוד פתוח-ששוכללה במשך עשרות שנים, הופכים את התרגום הזה למהיר מספיק למשחקים בזמן אמת-.
השילוב הזה של חומרה במחיר סביר ותוכנה בוגרת מסביר מדוע "פשוט קבל Pi" הפך לעצה נפוצה עבור חובבי משחקי רטרו. למרות שאינן מושלמות-חלק מהמערכות נותרות מעבר ליכולות שלה-ה-Pi יוצר איזון מדהים בין עלות, ביצועים ונגישות לשמירה והנאה ממשחקים קלאסיים.