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Street Fighter II CPS硬件逆向工程：从ROM数据到图形系统解析

深入分析Capcom CPS-1街机硬件架构，探讨Street Fighter II ROM数据格式解析、图形系统层叠机制与逆向工程技术实现路径。

引言：街机黄金时代的硬件密码

1991 年，当《Street Fighter II: The World Warrior》席卷全球街机厅时，它不仅仅是一款格斗游戏，更是 Capcom CPS-1（Capcom Play System 1）硬件平台的巅峰之作。这款基于 M68000 处理器的街机系统，以其独特的图形架构和硬件设计，支撑了从《Final Fight》到《Street Fighter II》等一系列经典作品。三十多年后的今天，逆向工程研究者们正试图解开这个硬件系统的技术密码，从 ROM 数据中还原当年的设计智慧。

本文将从硬件架构、ROM 数据格式、图形系统解析三个维度，深入探讨 Street Fighter II CPS-1 逆向工程的技术实现路径。

一、CPS-1 硬件架构：三核协同的专用系统

1.1 处理器架构：M68000 + Z80 的黄金组合

CPS-1 系统采用了经典的三处理器架构：

  • 主处理器：Motorola 68000 @ 10MHz（部分后期版本 12MHz）
  • 声音处理器：Zilog Z80 @ 3.579545MHz
  • 图形处理器：定制 ASIC CPS A-01（由 Ricoh 制造）

这种架构在当时代表了街机硬件的最高水平。M68000 作为 16/32 位处理器，提供了足够的计算能力处理游戏逻辑和物理模拟；Z80 专门负责 FM 合成音效和 PCM 采样播放；而定制 ASIC 则承担了所有图形渲染任务，实现了硬件加速的 tile-based 渲染。

1.2 主板结构：A-B-C 三板系统

CPS-1 采用模块化设计，由三块电路板组成：

  • A 板（主板）：包含所有处理器、内存和核心逻辑电路
  • B 板（ROM 板）：存储游戏程序、图形数据和声音数据
  • C 板（安全板）：包含游戏特定的安全芯片，防止盗版

这种设计使得游戏更换相对容易，只需更换 B 板和 C 板即可。对于逆向工程而言，这意味着 ROM 数据集中在 B 板上，便于提取和分析。

1.3 内存布局与总线结构

系统内存主要包括：

  • 主程序 ROM：通常为 512KB-1MB，存储 68000 机器码
  • 图形 ROM：2-4MB，存储 tile 数据和精灵表
  • 声音 ROM：512KB-1MB，存储 Z80 程序和音频样本
  • 工作 RAM：64KB 主 RAM + 16KB 视频 RAM + 2KB 声音 RAM

总线结构上，68000 通过地址总线和数据总线访问所有资源，而 Z80 通过专门的接口与主系统通信。图形 ASIC 直接访问视频 RAM 和图形 ROM，实现硬件加速的图形操作。

二、ROM 数据格式解析：二进制中的游戏世界

2.1 ROM 文件组织

典型的 Street Fighter II ROM 文件集包含多个文件，每个对应特定的数据区域：

sf2_01.rom    // 主程序（68000代码）
sf2_02.rom    // 主程序续
sf2_03.rom    // 图形数据（tiles）
sf2_04.rom    // 图形数据续
sf2_05.rom    // 精灵数据
sf2_06.rom    // 声音程序（Z80代码）
sf2_07.rom    // PCM音频样本
sf2_08.rom    // PCM音频样本续
sf2_09.rom    // 调色板数据

2.2 程序代码结构

68000 程序代码采用大端序（big-endian）格式存储。逆向工程的第一步是反汇编这些代码，理解游戏逻辑：

; 典型的68000指令示例
move.w  #$2700,sr      ; 设置状态寄存器，禁用中断
lea     $ff0000,a0     ; 加载视频RAM基地址到地址寄存器
move.l  #$12345678,(a0) ; 向视频RAM写入数据

游戏逻辑通常包括：

  • 角色状态机：站立、移动、攻击、防御等状态转换
  • 碰撞检测：基于 bounding box 的简单碰撞系统
  • AI 逻辑：对手行为的决策树
  • 输入处理：摇杆和按钮输入的响应

2.3 图形数据格式

CPS-1 使用基于 tile 的图形系统，所有图形元素都由 8x8、16x16 或 32x32 像素的 tile 组成。图形数据在 ROM 中以平面格式存储：

Tile 数据结构：

  • 每个 tile 占用 32 字节（8x8 像素，4 位 / 像素）
  • 4 个位平面交错存储
  • 需要配合调色板才能显示正确颜色

调色板组织：

  • 每个调色板包含 16 个颜色条目
  • 每个颜色为 12 位 RGB（4 位红，4 位绿，4 位蓝）
  • 游戏通常使用多个调色板，支持 256 色同时显示

2.4 声音数据格式

声音系统包含两部分：

  • FM 合成：通过 Yamaha YM2151 芯片生成
  • PCM 采样：通过 OKI MSM6295 芯片播放压缩音频

PCM 样本通常采用 ADPCM 压缩，需要专门的解码算法才能还原为 WAV 格式。

三、图形系统深度解析：六层架构的艺术

3.1 六层渲染架构

CPS-1 的图形系统是其最精妙的设计，支持六个独立层的同时渲染：

  1. SCROLL1：8x8 像素 tile，最高优先级，常用于 GUI
  2. SCROLL2：16x16 像素 tile，主游戏层
  3. SCROLL3：32x32 像素 tile，背景层
  4. OBJ 层：精灵层，由多个 tile 组合成动画角色
  5. STAR1：星场效果层 1
  6. STAR2：星场效果层 2

正如 Fabien Sanglard 在CPS-1 图形系统研究中指出的，这种多层架构允许开发者创造复杂的视觉效果，如视差滚动、前景 / 背景分离等。

3.2 层优先级与混合

每个层都有可配置的优先级，开发者可以动态调整层的叠加顺序。更复杂的是 "优先级掩码" 功能：某些 tile 可以标记特定颜色，使其出现在 OBJ 层上方，即使 OBJ 层优先级更高。

这种机制在《Final Fight》中得到了巧妙应用：楼梯的某些部分出现在角色前方，而其他部分在角色后方，创造了真实的深度感。

3.3 精灵系统

OBJ 层支持最多 256 个 tile，这些 tile 可以组合成精灵。每个精灵由以下属性定义：

  • 位置：屏幕坐标（X, Y）
  • tile 索引：指向图形 ROM 中的 tile 数据
  • 尺寸：1x1 到 4x4 个 tile 的组合
  • 调色板：使用的颜色集
  • 翻转：水平 / 垂直翻转标志

精灵系统的高效实现使得 Street Fighter II 能够流畅显示多个动画角色，每个角色包含数十个不同的动作帧。

3.4 视差滚动实现

Street Fighter II 大量使用视差滚动创造深度感。通过让不同层以不同速度移动，实现了伪 3D 效果：

// 伪代码：视差滚动计算
scroll1_x = camera_x * 1.0;      // 前景层，完全跟随相机
scroll2_x = camera_x * 0.7;      // 主层，部分跟随
scroll3_x = camera_x * 0.3;      // 背景层，缓慢移动

E.Honda 关卡是视差滚动的典范：前景的浴缸边缘（SCROLL1）、地板和天花板（SCROLL2）、背景壁画（SCROLL3）以不同速度移动，创造了真实的浴室空间感。

四、逆向工程技术路径

4.1 ROM 数据提取工具链

现代逆向工程通常使用以下工具链：

  1. ROM 提取：使用专门的编程器从原始 ROM 芯片读取数据
  2. 反汇编：使用das、IDA Pro或Ghidra分析 68000 代码
  3. 图形提取：自定义工具解析 tile 和调色板数据
  4. 声音提取：ADPCM 解码器还原音频样本

4.2 cpss：Capcom Sheets Explorer

Fabien Sanglard 开发的cpss 工具代表了逆向工程的高级阶段。这个工具能够从 ROM 数据中重建原始的设计图纸（"sheets"），这些图纸是艺术家在网格纸上手绘的原始设计。

工具的工作原理：

  1. 解析图形 ROM 中的 tile 数据
  2. 根据 tile 使用模式重建精灵表
  3. 应用正确的调色板还原颜色
  4. 输出为 SVG 或 PNG 格式

通过 cpss，研究者发现了一些有趣的事实：

  • Ryu 的图形数据占用 0x4500 区域
  • Ken 大部分复用 Ryu 的资源，只添加少量差异
  • E.Honda 和 Zangief 占用最多的图形资源（各 19 个 sheet）

4.3 游戏逻辑逆向

逆向工程不仅仅是提取资源，更重要的是理解游戏逻辑。以 Street Fighter II 为例，关键逻辑包括：

输入处理循环：

while (game_running) {
    read_inputs();          // 读取摇杆和按钮
    update_physics();       // 更新物理状态
    check_collisions();     // 碰撞检测
    update_animations();    // 动画更新
    render_frame();         // 渲染帧
    wait_vblank();          // 等待垂直消隐
}

AI 决策系统： AI 通常基于有限状态机，每个状态对应特定的行为模式。通过分析代码，可以发现 AI 如何根据距离、血量、对手状态做出决策。

4.4 现代重实现挑战

完全重写 Street Fighter II 面临多重挑战：

  1. 版权限制：不能分发包含原始 ROM 数据的代码
  2. 硬件模拟：需要精确模拟 CPS-1 的时序行为
  3. 资源重建：所有图形和声音需要重新创作或从 ROM 提取
  4. 逻辑还原：确保游戏手感与原版一致

成功的逆向工程项目通常采用 "clean room" 方法：一组工程师分析原始 ROM，生成技术文档；另一组工程师基于文档独立实现，避免版权问题。

五、技术细节与参数

5.1 关键内存地址

对于 Street Fighter II 逆向工程，以下内存地址至关重要：

  • 视频 RAM 基地址：$FF0000
  • 调色板 RAM：$FF8000-$FF87FF
  • 精灵表 RAM：$FF9000-$FF97FF
  • 输入端口：$FF8000（玩家 1），$FF8002（玩家 2）
  • 垂直消隐标志：$FF8004

5.2 图形性能参数

  • 屏幕分辨率：384x224 像素
  • 刷新率：60Hz（NTSC）
  • 颜色深度：12 位 RGB（4096 色）
  • 同时显示颜色：256 色
  • 最大精灵数：256 个 tile / 帧
  • tile 缓存：1024 个 tile（视频 RAM）

5.3 逆向工程检查清单

进行 CPS-1 游戏逆向工程时，建议遵循以下步骤：

  1. 获取完整的 ROM 文件集
  2. 使用反汇编器分析 68000 代码入口点
  3. 识别关键数据表（角色数据、动画序列、攻击框）
  4. 提取图形数据并重建调色板
  5. 分析声音数据格式和解码算法
  6. 理解视频 RAM 布局和渲染流程
  7. 模拟输入处理和游戏逻辑
  8. 验证与原始 ROM 的行为一致性

六、结语：逆向工程的价值与未来

Street Fighter II CPS-1 的逆向工程不仅仅是一项技术挑战，更是对游戏开发历史的考古学研究。通过分析这些三十多年前的代码，我们能够：

  1. 理解硬件限制下的创意解决方案：在有限资源下实现复杂效果的设计智慧
  2. 保存数字文化遗产：防止经典游戏因硬件老化而永久消失
  3. 教育价值：为现代开发者提供历史视角和技术启发
  4. 推动仿真技术发展：精确的硬件模拟需要深入理解原始系统

随着工具链的完善和社区知识的积累，越来越多的经典街机游戏正在被逆向工程和保存。Street Fighter II 作为格斗游戏的里程碑，其技术实现将继续启发未来的游戏开发者和计算机历史研究者。

正如逆向工程师在sf2platinum 博客中所说："我们不是在盗版游戏，而是在保存一段历史，理解那些让我们的童年充满欢乐的技术奇迹。"

资料来源：

  1. Fabien Sanglard, "Capcom CPS-1 Graphic system study" (2022)
  2. sf2platinum, "Reverse engineering Street Fighter 2 – The World Warrior" (2015)
  3. Fabien Sanglard, "CPSS: The Capcom Sheets Explorer" (2024)
  4. pcbjunkie.net, "Capcom CPS (CPS-1) Repair Guide"

延伸阅读：

  • MAME 源代码：src/mame/video/cps1.cpp
  • 68000 汇编语言教程
  • 数字声音处理与 ADPCM 压缩算法
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