Jak funguje sada emulátoru Raspberry Pi?
Sada emulátoru Raspberry Pi přemění jedno{0}}deskový počítač na herní systém pro více{1}}konzol tím, že kombinuje specifické hardwarové komponenty s emulačním softwarem, který napodobuje klasický herní hardware. Systém funguje prostřednictvím různých vrstev-fyzický hardware provozuje operační systém Linux, který hostí emulační software, který překládá starý herní kód do pokynů, které může Pi provést.
Sada obvykle obsahuje samotnou desku Raspberry Pi, kartu microSD-nahranou s emulačním softwarem, jako je RetroPie, napájecí zdroj, ovladače a často pouzdro s chladicími součástmi. Po zapnutí se systém spustí do EmulationStation, grafického rozhraní, které vám umožní procházet a spouštět hry uložené jako soubory ROM.
Třívrstvá{0}architektura
Pochopení toho, jak tyto sady fungují, vyžaduje podívat se na tři vzájemně propojené vrstvy, z nichž každá zpracovává specifické funkce.
Hardwarová vrstva: Základ
Ve spodní části je umístěna fyzická deska Raspberry Pi-nejčastěji Pi 4 Model B nebo novější Pi 5. Pi 4 je vybaven čtyřjádrovým -jádrovým procesorem ARM Cortex-A72 Broadcom BCM2711 s frekvencí 1,8 GHz, spárovaným s 2 GB až 8 GB LPDDR4 RAM. Pi 5 zvyšuje ante s jádry Cortex-A76 na 2,4 GHz a vylepšeným grafickým zpracováním.
Na tomto hardwaru záleží, protože emulace je výpočetně nákladná. Pi potřebuje simulovat zcela odlišné architektury procesorů v reálném-čase. Super Nintendo například používalo 16-bitový procesor Ricoh 5A22 – Pi musí spočítat, co by tento čip udělal, a poté vykreslit výsledky prostřednictvím vlastního grafického potrubí.
O vykreslování grafiky se stará VideoCore GPU. Na Pi 4 běží na 500 MHz, zatímco nový VideoCore VII GPU Pi 5 dosahuje 800 MHz. Tato akcelerace GPU je rozhodující pro plynulé hraní. Bez něj by procesor ARM měl potíže s udržením konzistentní snímkové frekvence, zejména u systémů schopných 3D-, jako je Nintendo 64 nebo PlayStation.
Úložiště je dodáváno prostřednictvím microSD karet, obvykle 32 GB až 128 GB. Herní ROM (digitální kopie dat kazet) zde žijí vedle operačního systému. Rychlejší karty s hodnocením UHS-I nebo UHS{5}}II zkracují dobu načítání a snižují zadrhávání během hraní.
Softwarová vrstva: Zásobník emulace
Nad hardwarem běží upravená verze Raspberry Pi OS (založená na Debian Linuxu). Tento lehký operační systém poskytuje základ pro emulační software a zároveň minimalizuje režii zdrojů.
Většina sad používá RetroPie, softwarovou distribuci, která obsahuje vše potřebné pro retro hraní. RetroPie sám o sobě není emulátor,-je to soubor nástrojů, které spolupracují. Jeho jádrem je RetroArch, „frontend“, který poskytuje jednotné rozhraní pro více emulačních jader.
Tato jádra jsou skutečnými emulátory. Každé jádro napodobuje specifický herní systém. Například jádro SNES9x emuluje hardware Super Nintendo, zatímco PCSX ReARMed zvládá hry pro PlayStation. RetroArch načte příslušné jádro podle toho, jakou hru si vyberete, poté předá vstupy ovladače a spravuje audio/video výstup.
Vztah mezi komponentami vypadá takto: EmulationStation (nabídka, kterou vidíte) → RetroArch (rámec emulace) → Jednotlivá jádra (emulátory-specifické pro systém) → Vaše hry (soubory ROM).
Když vyberete hru, EmulationStation řekne RetroArch, které jádro má načíst a který ROM soubor spustit. RetroArch inicializuje toto jádro, načte herní data a zahájí proces emulace. Vstupy vašeho ovladače se převedou prostřednictvím vstupního systému RetroArch do formátu, který jádro očekává.
Vrstva rozhraní: Učinit ji použitelnou
EmulationStation poskytuje vizuální systém nabídek. Prohledá vaše adresáře ROM, zobrazí seznamy her uspořádané podle konzole a zobrazí obal nebo snímky obrazovky (pokud jste si stáhli metadata prostřednictvím funkce scraping). Navigace využívá gamepad nebo klávesnici-nevyžaduje myš.
Konfigurace probíhá prostřednictvím vnořených nabídek. Můžete upravit nastavení videa, přemapovat ovládací prvky podle-systému nebo{2}}hry, povolit cheaty nebo nakonfigurovat síťové funkce. Systém klávesových zkratek umožňuje přístup k těmto možnostem uprostřed-hry stisknutím kombinace tlačítek, obvykle Select+Start pro otevření nabídky RetroArch.
Tento vrstvený design znamená, že můžete vyměňovat jednotlivé komponenty, aniž byste museli vše přestavovat. Chcete jiný emulátor SNES? Nainstalujte jiné jádro. Preferujete jiný frontend? Vyměňte EmulationStation při zachování RetroArch. Potřebujete více energie? Upgradujte svůj model Pi a přeneste kartu microSD.
Jak se emulace skutečně děje
Když spustíte hru, během milisekund proběhne několik procesů. Jádro emulátoru načte soubor ROM do paměti, analyzuje jeho strukturu, aby pochopilo kód a aktiva hry, a poté začne provádět instrukce.
Překlad v reálném čase-je klíčovou výzvou. CPU původní konzole mluvilo jinou instrukční sadou než ARM procesor Pi. Emulátor musí interpretovat každou instrukci z původního hardwaru, zjistit, co má dělat, a poté provést ekvivalentní operace na Pi.
Tato interpretace vytváří režii. Instrukce SNES může pro přesnou simulaci vyžadovat 10 nebo 20 instrukcí ARM. Vynásobte to miliony instrukcí zpracovaných za sekundu během hraní a uvidíte, proč emulace vyžaduje značný výpočetní výkon.
Pomáhají některé optimalizace. Dynamická rekompilace (dynarec) překládá bloky původního kódu do kódu ARM za běhu a ukládá výsledky do mezipaměti pro opětovné použití. To je mnohem rychlejší než interpretace každé instrukce jednotlivě. Dobře-optimalizovaná jádra, jako je PCSX ReARMed, ve velké míře využívají dynarec, a proto emulace PlayStation běží na Pi bez problémů i přes relativní složitost této konzole.
Grafická emulace sleduje paralelní cestu. Původní konzole měly vyhrazené grafické čipy se specifickými schopnostmi-zpracování sprite, vrstvy pozadí, speciální efekty. Emulátor je musí znovu vytvořit v softwaru a poté vykreslit výsledky prostřednictvím GPU Pi pomocí OpenGL ES. Zde se akcelerace GPU stává kritickou; samotné softwarové vykreslování nedokáže u náročnějších systémů udržet 60 FPS.
Audio představuje podobné výzvy. Emulátor simuluje chování zvukového čipu a generuje křivky, které odpovídají výstupu původního hardwaru. Tento audio stream pak prochází audio subsystémem Pi, ať už je to zvuk HDMI, konektor pro sluchátka nebo Bluetooth do bezdrátových reproduktorů.
Hranice výkonu
Ne všechny systémy emulují stejně dobře. Pi 4 si skvěle poradí s 8-bitovými a 16bitovými konzolemi – NES, SNES, Genesis, Game Boy všechny běží na plnou rychlost s přesností. Hry pro PlayStation 1 většinou fungují dobře, i když některé tituly vykazují zpomalení během složitých scén.
Emulace Nintendo 64 naráží na výkonnostní bariéry. Architekturu tohoto systému bylo notoricky obtížné přesně napodobit i na výkonných počítačích. Pi 4 dokáže spustit některé hry N64 hratelnou rychlostí se sníženým nastavením přesnosti, ale náročné tituly jako Rogue Squadron zůstávají trhané. Zde pomáhají vylepšené specifikace Pi 5 se zprávami o lepší kompatibilitě N64, i když to stále není dokonalé.
Emulace Dreamcast je slibná na Pi 5 pomocí emulátoru Redream. PlayStation 2, GameCube a Wii zůstávají z velké části mimo dosah-tyto systémy jsou jednoduše příliš složité pro možnosti Pi. Jejich více{5}}procesorové architektury a sofistikovaná grafika vyžadují značný výkon, který ani Pi 5 nedokáže konzistentně poskytovat.
Podle testování Tom's Hardware mohou snímkové frekvence znatelně klesat u náročných PlayStation titulů na Pi 4, přičemž bojové hry vykazují koktání během stisku tlačítek. Nedávné benchmarky na Pi 4 demonstrují hladký výkon se správně optimalizovanými tituly, zejména pro 2D a méně náročné 3D hry.
Pi 5 přináší měřitelná vylepšení. Nezávislé testování ukazuje, že Pi 5 zvládá emulaci Game Boy Advance, N64, Dreamcast a PSP se zlepšenou konzistencí ve srovnání s dřívějšími modely. Technické optimalizace, jako je emulace NUMA, mohou u Pi 5 zvýšit výkon více jader až o 18 %, ačkoli taková vylepšení vyžadují úpravy jádra nad rámec typických uživatelských konfigurací.
Controller Translation System
Podpora ovladačů si zaslouží zvláštní pozornost, protože je často nepochopena. Při prvním spuštění RetroPie vás požádá o konfiguraci ovladače stisknutím jednotlivých směrových tlačítek-D-padu, tlačítek na obličeji, ramenních tlačítek, start/výběr a tlačítka „aktivace klávesových zkratek“.
Tato počáteční konfigurace namapuje váš fyzický ovladač na systém nabídek EmulationStation a vytvoří základní profil pro RetroArch. RetroArch pak automaticky generuje konfigurace řadiče pro každé jádro emulátoru na základě tohoto profilu.
Ale tady to začíná být zajímavé: různé konzole měly různá rozložení tlačítek. Ovladač SNES měl čtyři tlačítka na obličeji a dvě tlačítka na rameni. Ovladač PlayStation přidal další dvě ramenní tlačítka a analogové páčky. Ovladač Genesis měl zpočátku pouze tři tlačítka na obličeji.
Vrstva abstrakce ovladače RetroArch mapuje tlačítka vašeho moderního ovladače na cokoliv, co původní systém očekával. Pokud používáte PlayStation DualShock 4 se 16 tlačítky k hraní hry NES, která používala pouze 4 tlačítka, RetroArch jednoduše ignoruje dodatečné vstupy, pokud jste je konkrétně nenamapovali na funkce emulátoru, jako je ukládání stavů nebo rychlé převíjení vpřed.
Přemapování-her je možné. Pokud vám některý titul při výchozím mapování připadá nepohodlný, můžete během hraní vstoupit do nabídky RetroArch a překonfigurovat ovládací prvky pouze pro tuto hru. Změny se automaticky uloží.
Ovladače USB fungují po počáteční konfiguraci zapojte{0}}a{1}}přehrajte. Ovladače Bluetooth vyžadují spárování prostřednictvím nabídky nastavení Bluetooth RetroPie, která prochází vyhledáváním a připojením. Po spárování se ovladače Bluetooth při spouštění automaticky znovu připojí.
Správa úložiště a souborů
Struktura microSD karty je jednoduchá, ale je důležité jí porozumět. Oddíl /boot obsahuje linuxové jádro a konfigurační soubory bootování. Hlavní oddíl obsahuje operační systém, software RetroPie a vaše ROM.
Soubory ROM jsou uloženy v /home/pi/RetroPie/roms/ s podadresáři pro každý systém-nes/, snes/, psx/ atd. EmulationStation prohledá tyto adresáře při spuštění a zobrazí vše, co najde.
Získání ROM na Pi se děje několika způsoby. Metoda USB je nejjednodušší: vytvořte složku s názvem retropie na flash disku naformátovaném FAT32, zapojte ji do Pi, počkejte minutu, než se vytvoří struktura složek, pak ji odeberte a zkopírujte ROM do příslušných složek konzoly v počítači. Zapojte jej zpět do Pi, počkejte na přenos a restartujte.
Síťový přenos funguje přes Samba (sdílení souborů Windows). Z jiného počítače ve vaší síti můžete přistupovat k \\\\retropie a přímo vidět složky ROM. Přetáhněte soubory podle potřeby a poté restartujte EmulationStation, aby se obnovily seznamy her.
Některé systémy vyžadují soubory BIOS-binární kód z původního hardwaru potřebný pro přesnou emulaci. Emulace PlayStation například potřebuje PS1 BIOS. Tyto soubory se ukládají do /home/pi/RetroPie/BIOS/. Bez nich se mnoho her nenačte.
Stavy uložení se liší od{0}}uložení hry. V-ukládání her funguje přesně tak, jak fungovalo na původním hardwaru, uloženém v uložených datech ROM. Stavy uložení jsou funkce emulátoru, které v každém okamžiku zaznamenávají stav celého systému. Můžete je uložit a načíst okamžitě, dokonce i ve hrách, které nikdy neměly funkci ukládání. RetroArch je ukládá do /home/pi/RetroPie/retroarch/states/.
Řízení napájení a teploty
Dodávka energie ovlivňuje výkon více, než si mnozí uvědomují. Pi 4 vyžaduje napájecí zdroj 5V/3A (15W); Pi 5 potřebuje pro stabilní provoz 5V/5A (25W), zvláště při náročné emulaci. Nedostatečný výkon způsobuje omezování{10}}systému automaticky snižuje takt, aby se zabránilo nestabilitě, což má za následek zpomalení během hraní.
Pi nemá vypínací tlačítko v tradičním slova smyslu. Zapnutím napájení se zapne. Správné vypnutí vyžaduje použití nabídky EmulationStation k výběru „Shutdown System“, který provede čisté vypnutí před přerušením napájení. Pouhým odpojením běžícího Pi riskujete poškození karty microSD.
Teplo se stává faktorem při delším hraní. Pi 4 generuje značné teplo při zátěži, přičemž testování ukazuje, že tepelné škrcení může nastat bez adekvátního chlazení. Skříně s vestavěnými-ventilátory nebo chladiči tomu brání. Pi 5 běží ještě více díky svému zvýšenému výkonu, takže aktivní chlazení je prakticky povinné pro konzistentní emulaci.
Přetaktování posouvá Pi za hranice jeho skladových rychlostí pro lepší výkon. To zvyšuje jak spotřebu energie, tak tepelný výkon. Nedávné optimalizace časování SDRAM na Pi 5 dosáhly 10-20% zlepšení rychlosti na taktech, přičemž pečlivé přetaktování dosáhlo až 32% zisků na 3,2 GHz. Takové úpravy vyžadují dostatečné chlazení a nesou rizika nestability.
Alternativní emulační platformy
Zatímco RetroPie dominuje, existují alternativy s různými filozofiemi. Recalbox upřednostňuje snadné použití s větší automatizací, ale menším přizpůsobením. Lakka nabízí odlehčenou konzoli-na základě LibreELEC. Batocera poskytuje rozsáhlou podporu platforem a vestavěné-možnosti streamování her.
Nedávná srovnání platforem na Pi 5 ukazují, že Batocera nabízí solidní podporu více-konzol s konfigurací ovladače pro 8- hráčů, zatímco Lakka vyniká přímou emulací s rozhraním inspirovaným PlayStation. Každá platforma dělá různé kompromisy mezi jednoduchostí a flexibilitou.
Základní architektura zůstává na platformách podobná-základna Linuxu, framework RetroArch, více jader emulátoru. Rozdíly spočívají v designu rozhraní, zahrnutých funkcích a konfiguračních přístupech. Uživatelé, kteří hledají větší kontrolu, inklinují k RetroPie, zatímco ti, kteří chtějí jednoduchost plug-a{4}}play, mohou preferovat Recalbox.
Když věci nefungují
Problémy s výkonem obvykle pocházejí z několika běžných zdrojů. Nedostatečně napájené zdroje způsobují náhodné pády nebo zpomalení. Pomalé karty microSD způsobují zadrhávání během načítání úrovně. Přehřátí spouští škrcení, které se projevuje náhlým poklesem snímku.
Pokud se konkrétní hra nenačte, obvykle jsou na vině nesprávné formáty ROM. Různá jádra emulátoru podporují různé formáty souborů. Hry pro PlayStation mohou být ve formátech .bin/.cue, .chd nebo .pbp-ne všechna jádra čtou všechny formáty. Kontrola dokumentace jádra odhalí, jaké formáty očekává.
Některé hry vyžadují specifická jádra emulátoru. Hry Neo Geo potřebují ke svému fungování jak herní ROM, tak soubor Neo Geo BIOS. Arcade ROM musí odpovídat verzi MAME, kterou emulátor očekává-použití sady ROM navržené pro MAME 0.78 s MAME 2003 Plus nebude fungovat.
Problémy s ovladačem často vedou ke konfiguraci klávesových zkratek. Pokud tlačítka ve hrách nereagují, je to často proto, že tlačítko aktivace klávesové zkratky je stisknuto současně, čímž se RetroArch přepne do režimu, kdy čeká na příkazy emulátoru namísto předávání vstupů do hry.
Často kladené otázky
Mohu pro emulaci použít jakýkoli model Raspberry Pi?
Zatímco jakýkoli Pi technicky funguje, Pi 4 s alespoň 2 GB RAM je praktickým minimem pro dobrý výkon u většiny systémů. Dřívější modely se potýkají s čímkoli mimo 8bitové konzole. Pi Zero je příliš málo výkonný pro pohodlnou emulaci systémů mimo éru NES/Game Boy.
Potřebuji originální herní kazety, abych mohl legálně používat sady emulátorů?
Zákony o autorských právech kolem ROM se liší podle jurisdikce. Nejbezpečnějším přístupem je používání pouze her, jejichž fyzické kopie osobně vlastníte, i když vymahatelnost a právní srozumitelnost se v jednotlivých regionech výrazně liší. RetroPie neobsahuje žádný obsah chráněný autorským právem-musíte poskytnout své vlastní herní soubory.
Mohu přidat hry po úvodním nastavení?
Ano, přidávání ROM je přímočaré pomocí přenosu USB nebo síťového sdílení souborů. Umístěte soubory ROM do příslušné složky konzoly v /home/pi/RetroPie/roms/, poté restartujte EmulationStation, aby se obnovil seznam her.
Kolik úložného prostoru potřebuji?
32GB microSD karta pojme stovky 8-bitových a 16bitových her. Hry pro PlayStation a N64 zabírají více místa – asi 500 MB na hru PS1, 10–50 MB pro tituly N64. 64GB karta poskytuje pohodlný prostor pro různorodou knihovnu napříč více systémy.
Pohled na Kompletní systém
Elegance sad emulátoru Raspberry Pi spočívá v tom, jak se relativně jednoduché komponenty spojují do schopného retro herního řešení. Procesor ARM Pi nebyl navržen pro emulaci, ale díky chytrému softwarovému inženýrství a optimalizaci hardwaru obnovuje herní zážitky ze systémů, které používaly zcela odlišné architektury.
Modulární povaha znamená, že se systém postupně zlepšuje. Pravidelně se objevují lepší jádra emulátoru, která přidávají přesnost nebo výkon. Aktualizace firmwaru rozšiřují možnosti Pi. Jednotlivé komponenty můžete upgradovat-rychlejší kartu microSD, výkonnější model Pi, různé ovladače-, aniž byste museli začínat znovu.
Pro někoho, kdo chce těmto sadám spíše porozumět, než je jen používat, je klíčovým poznatkem, že emulace zahrnuje několik vrstev abstrakce, z nichž každá překládá mezi různými reprezentacemi téže věci. Hra si myslí, že běží na svém původním hardwaru, ale ve skutečnosti běží na softwaru, který simuluje tento hardware, který sám běží na úplně jiném fyzickém hardwaru. Dostatečný výpočetní výkon Raspberry Pi v kombinaci s open{2}}emulačním softwarem zdokonalovaným v průběhu desetiletí činí tento překlad dostatečně rychlý pro hraní v reálném čase-.
Tato kombinace cenově dostupného hardwaru a vyspělého softwaru vysvětluje, proč se „jen si pořiďte Pi“ stalo běžnou radou pro milovníky retro her. Přestože nejsou dokonalé-některé systémy zůstávají mimo jeho možnosti-, Pi dosahuje pozoruhodnou rovnováhu mezi cenou, výkonem a dostupností pro zachování a hraní klasických her.