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街机麻将硬件逆向工程：FPGA精确仿真与MAME保存策略的技术权衡

深入分析街机麻将专用硬件的逆向工程挑战，探讨FPGA cycle-accurate仿真与软件模拟器的技术权衡，提出完整的硬件状态保存策略与验证方法。

街机麻将作为日本特有的游戏类型，其硬件设计体现了 90 年代街机产业的独特技术路径。与通用 JAMMA 标准不同，麻将街机采用了专用 56 针接口、按键矩阵扫描和非标准音频处理方案。这些技术特性为硬件保存带来了独特的挑战：如何在芯片标签被刮除、文档稀缺的情况下，实现精确的硬件仿真与状态保存？

街机麻将硬件的技术特殊性

非标准接口与按键矩阵

标准 JAMMA 接口提供 4 方向 + 3 按钮的配置，而麻将游戏需要至少 19 个专用按钮（A-N 字母键 + 5 个呼叫键）。为解决这一矛盾，厂商采用了 56 针专用接口，并引入了按键矩阵设计。

如 Nicole Express 在分析《Mirage Youjuu Mahjongden》时指出："麻将游戏不使用 JAMMA 标准。有几种引脚排列变体，但到 80 年代末期基本稳定在 56 针连接器，类似于 JAMMA 但没有钥匙针。而且引脚布局完全不同！"

矩阵设计通常采用 6×4 或 3×7 布局，通过扫描线减少引脚需求。这种设计带来了两个技术挑战：

  1. 时序敏感性：矩阵扫描需要精确的时序控制，延迟或抖动会导致按键检测失败
  2. 多按键处理：传统设计假设不会同时按下多个按钮，因此缺少防鬼键二极管

音频处理的多样性

音频处理体现了各厂商的技术分歧。Nichibutsu 采用单端输出（一个引脚接扬声器正极，负极接地），而其他厂商使用差分输出（两个引脚分别接扬声器正负极）。这种不一致性要求适配器必须支持两种模式，通常通过跳线或开关实现。

芯片级逆向工程挑战

《Mirage Youjuu Mahjongden》的 PCB 分析揭示了典型的逆向障碍：

  • CPU 识别：64 引脚表面贴装芯片标签被刮除，通过位置和引脚配置推断为 Motorola 68000
  • 音频芯片：两个 OKI M6295 ADPCM 芯片提供 8 通道音频
  • 定制 ASIC：Data East DECO 156 芯片组变体，功能需要逆向推导

FPGA 精确仿真的技术实现

Cycle-Accurate 架构设计

FPGA 仿真的核心优势在于时钟级精确性。对于 Motorola 68000 CPU，需要实现：

  1. 指令流水线：精确模拟预取、解码、执行、写回四个阶段
  2. 总线时序：模拟地址 / 数据总线复用、等待状态插入
  3. 中断处理：7 级中断优先级和自动向量机制
// 简化的68000总线周期状态机
module m68k_bus_fsm (
    input clk,
    input reset,
    output reg [1:0] bus_state
);
    localparam S0 = 2'b00; // 地址输出
    localparam S1 = 2'b01; // 数据建立
    localparam S2 = 2'b10; // 数据采样
    localparam S3 = 2'b11; // 空闲
    
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) bus_state <= S0;
        else case (bus_state)
            S0: bus_state <= S1;
            S1: bus_state <= S2;
            S2: bus_state <= S3;
            S3: bus_state <= S0;
        endcase
    end
endmodule

按键矩阵的硬件仿真

矩阵扫描需要精确的时序控制。典型实现包括：

  1. 扫描计数器：6 位计数器循环激活扫描线
  2. 去抖动逻辑：10ms 机械去抖动延迟
  3. 优先级编码：处理同时按键的冲突
module key_matrix_scanner (
    input clk,
    input [5:0] row_select,
    output reg [3:0] col_read,
    input [23:0] key_state
);
    // 6×4矩阵扫描
    always @(posedge clk) begin
        case (row_select)
            6'b000001: col_read <= key_state[3:0];
            6'b000010: col_read <= key_state[7:4];
            6'b000100: col_read <= key_state[11:8];
            6'b001000: col_read <= key_state[15:12];
            6'b010000: col_read <= key_state[19:16];
            6'b100000: col_read <= key_state[23:20];
            default: col_read <= 4'b1111; // 默认高阻
        endcase
    end
endmodule

音频系统的精确仿真

OKI M6295 ADPCM 芯片需要：

  1. ADPCM 解码引擎：实现 4 位差分脉冲编码调制
  2. 采样率控制：支持 4kHz-8kHz 可调采样率
  3. 混合输出：4 通道音频混合与音量控制

软件模拟器（MAME）的技术权衡

架构优势与局限性

MAME 作为软件模拟器，其优势在于：

  1. 开发效率：C++ 实现，调试工具丰富
  2. 可扩展性：易于添加新游戏支持
  3. 状态保存：完整的快照功能

但存在时序精度问题：

  • 指令级仿真：非 cycle-accurate，时序偏差可能累积
  • 中断延迟：软件模拟难以精确重现硬件中断响应时间
  • 音频同步：采样率转换可能引入相位失真

MAME 调试工具链

逆向工程中，MAME 调试器是关键工具：

# 内存搜索与断点设置
find 0,10000,"HIGH SCORE",0
bp 1234,a0 == 0 && a1 == 0
trace game.log,0,{tracelog "PC=%08X ",pc}

# 状态保存与恢复
save state.sav
load state.sav

状态保存机制

MAME 的状态保存包含：

  1. CPU 上下文：所有寄存器、标志位、程序计数器
  2. 内存状态：ROM 校验和验证，RAM 完整转储
  3. 设备状态：定时器、中断控制器、DMA 控制器
  4. 音频状态：当前采样位置、缓冲区内容

硬件状态保存策略

完整状态捕获框架

有效的硬件保存需要多层次状态捕获：

层级 内容 验证方法
静态 ROM 程序代码、图形数据 CRC32/MD5 校验
动态 RAM 游戏状态、变量 差异比较
寄存器 CPU / 外围寄存器 快照对比
时序状态 定时器、计数器 周期计数
音频状态 缓冲区、相位 波形分析

FPGA 保存实现

FPGA 状态保存需要特殊设计：

  1. 扫描链插入：通过 JTAG 接口读取内部寄存器
  2. 内存转储：通过 DMA 控制器批量读取内存
  3. 时序标记：插入时间戳记录状态变化序列
// 状态保存控制器
module state_save_controller (
    input clk,
    input save_trigger,
    output reg [31:0] state_data,
    output reg state_valid
);
    reg [2:0] save_phase;
    reg [15:0] addr_counter;
    
    always @(posedge clk) begin
        if (save_trigger) begin
            case (save_phase)
                0: begin // 保存CPU寄存器
                    state_data <= cpu_reg_file[addr_counter];
                    addr_counter <= addr_counter + 1;
                    if (addr_counter == 16) save_phase <= 1;
                end
                1: begin // 保存内存
                    state_data <= main_ram[addr_counter];
                    addr_counter <= addr_counter + 1;
                    if (addr_counter == 65535) save_phase <= 2;
                end
                // ... 其他状态保存
            endcase
            state_valid <= 1;
        end else begin
            state_valid <= 0;
            save_phase <= 0;
            addr_counter <= 0;
        end
    end
endmodule

验证与完整性检查

状态保存的验证需要：

  1. 黄金参考：原始硬件运行记录作为基准
  2. 差异分析：比较仿真与硬件的关键行为
  3. 边界测试：测试极端条件下的状态一致性

验证指标包括：

  • 指令一致性：执行相同指令序列的寄存器状态
  • 时序准确性：关键操作的时钟周期计数
  • 输出一致性：视频输出像素级比较
  • 音频保真度：采样点幅度与相位误差

技术权衡与选择指南

FPGA vs 软件模拟器决策矩阵

考量因素 FPGA 优势 软件模拟器优势
时序精度 Cycle-accurate 指令级近似
开发成本 高（硬件设计） 低（软件编程）
运行性能 实时硬件速度 依赖主机性能
状态保存 需要专门设计 内置完善支持
可调试性 硬件调试复杂 软件调试方便
兼容性 特定硬件 跨平台支持

实际项目建议

基于项目需求的技术选择：

  1. 学术研究 / 博物馆保存：优先 FPGA 方案

    • 需要最高精度的时间准确性
    • 长期保存的硬件独立性
    • 预算相对充足

  2. 游戏社区 / 爱好者：推荐 MAME 方案

    • 开发资源丰富，社区支持强
    • 易于分发和使用
    • 兼容现有游戏库

  3. 商业再发行：混合方案

    • FPGA 核心确保准确性
    • 软件层提供用户界面和功能扩展
    • 平衡成本与体验

具体实施参数

对于街机麻将硬件保存，建议以下技术参数：

FPGA 实现参数：

  • 主时钟：12.288MHz（兼容多种 68000 变体）
  • 内存接口：16 位数据总线，24 位地址总线
  • 视频输出：240p@60Hz，RGB 24 位色
  • 音频采样：44.1kHz，16 位立体声
  • 状态保存：每帧自动快照，最大 256 个历史状态

软件模拟器优化：

  • 时序补偿：动态调整指令周期计数
  • 缓存优化：预解码常用指令序列
  • 状态压缩：增量式快照存储
  • 验证模式：与 FPGA 参考实现交叉验证

未来展望与挑战

技术发展趋势

  1. AI 辅助逆向工程：机器学习算法识别芯片功能和信号模式
  2. 云仿真平台：基于 Web 的硬件仿真，降低使用门槛
  3. 标准化保存格式：统一的硬件状态描述语言（HSDL）
  4. 3D 扫描与建模：物理 PCB 的数字化保存

持续挑战

  1. 文档稀缺：特别是专用 ASIC 的内部文档
  2. 硬件老化：原始设备损坏导致参考基准丢失
  3. 法律障碍：知识产权保护与保存需求的平衡
  4. 技术传承：老一辈工程师知识的数字化保存

结语

街机麻将硬件的保存不仅是技术挑战，更是文化遗产的保护。FPGA 与软件模拟器各有优势，实际项目中应根据具体需求选择合适的技术路径。无论选择哪种方案，完整的状态保存策略、严格的验证流程和开放的文档共享都是确保长期保存成功的关键。

通过精确的硬件仿真，我们不仅保存了游戏本身，更保存了特定历史时期的技术创新与设计思想。这种技术保存为未来的研究、教育和创新提供了宝贵的基础资源。

资料来源：

  1. Nicole Express - "Playing Arcade Mahjong at Home? Or is it just a Mirage?" (2026)
  2. MAME 官方调试器文档 - 内存指令与状态保存功能
  3. IGS 街机逆向工程系列 - ASIC27 协议分析与反盗版技术
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