MSXのマシン語ゲームをガッチャンコできるカートリッジROM化してみた

毎度、rorosukeです。

前回、MSX1のSCREEN 3で動くインベーダー風ゲームの起動時間を短縮するために、「起動ディスク」を作成しました。

その記事がこちらです。

とても快適で、私自身もご満悦なのですが、実はこの方法以外にも、もっと高速に起動する方法があるのです。

何かというと……それは！

カートリッジROM化です

カートリッジROMなら、MSX本体にガッチャンコして電源を入れるだけで、ゲームが起動します。ディスクからプログラムを読み込む時間すら不要になります。

これはやりたい！

すぐAIに聞いてみました。

回答きました。

「できます。」

AIの説明によると、今のゲームはメモリ上のD000hから動く前提なので、これをカートリッジROMの配置に合わせて作り直し、先頭に16バイトのROMヘッダーを付けるとのことです。

ただし、プログラムの配置アドレスを変えるだけでなく、変数やバッファなど、書き換えが必要なものはRAMがマッピングされているところに置く必要がありますので、それらの対応もしています。

こうしてできたのが、次のカートリッジROMイメージファイルです。クリックすると、ローカルディスクにダウンロードされます。

メモ：BASICのソースコードなら、MSXPenの入力枠を使ってURLでシェアできます。今回のROM版は、その方法では共有せず、ROMイメージファイルを配布します。

MSXPenでの実行方法

私が最近お気に入りのMSXエミュレータが、MSXPenです。オンラインでMSXのプログラムを実行できます。

MSXPenには、カートリッジROMのイメージファイルを読み込む機能があります。

カートリッジROMイメージを読み込む
次のメニューで「Load ROM Image」を選び、ダウンロードしたROMイメージファイルを指定します。

ゲームが起動する
すぐにゲームが起動して、スタート画面が表示されます。

ゲームをプレイする
スペースキーを押すと、ゲームスタートです。

カートリッジROMをセットするだけで起動……。

うきゃーっ！最高じゃないか！

いい時代ですねー。

MSXのメモリとスロット

メモリの仕組みを少し整理しておきます。

MSXのCPU（Z80）が直接扱えるアドレス空間は64KBです。これを16KBずつ、四つに区切ったものを「ページ」と呼びます。

次の表は、RAMを32KB以上搭載したMSX1で、BASICが起動しているときの構成例です。機種や動作状態によって、実際の割り当ては変わります。

$$\begin{array}{|c|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{ページ}}} & \textbf{\textsf{\small{アドレス}}} & \textbf{\textsf{\small{一般的なMSX1での中身}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{0}}} & \textsf{\small{0000h–3FFFh}} & \textsf{\small{本体ROM（BIOS）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{1}}} & \textsf{\small{4000h–7FFFh}} & \textsf{\small{本体ROM（BASICインタープリタ）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{2}}} & \textsf{\small{8000h–BFFFh}} & \textsf{\small{RAM}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{3}}} & \textsf{\small{C000h–FFFFh}} & \textsf{\small{RAM（ワークエリアやスタックもここ）}} \\ \hline \end{array}$$

MSXの面白いところは、この四つのページに、異なるスロットのメモリを割り当てられるところです。

たとえば、BASICを使っているとき、ページ1にはBASIC ROMが居座っています。BASICを使わないマシン語ゲームなら、このページをカートリッジROMに切り替えて、ゲームのプログラムを実行できます。

基本スロットの選択は、I/OポートA8hに書き込む値で設定できます。ページごとに2ビットを使って、0〜3のスロット番号を指定します。

$$\begin{array}{|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{ビット}}} & \textbf{\textsf{\small{対象}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{1-0}}} & \textsf{\small{ページ 0}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{3-2}}} & \textsf{\small{ページ 1}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{5-4}}} & \textsf{\small{ページ 2}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{7-6}}} & \textsf{\small{ページ 3}} \\ \hline \end{array}$$

後述する拡張スロットもあるため、通常は次のBIOSルーチンを利用します。

• ENASLT（0024h）：指定したページを指定したスロットに切り替える

• RSLREG（0138h）：現在のスロット選択を読む

スロットはどうやって区別されるのか

スロット番号は、ROMに書かれた製品情報などで決まるのではなく、本体内部の接続や、カートリッジを挿した接続口によって決まります。

たとえば、本体ROMをスロット0、カートリッジ用の接続口をスロット1・2、RAMをスロット3に割り当てた構成があります。実際の配置は機種によって異なります。

各ページへのメモリアクセスには、そのページで選択されたスロットだけが応答します。

そのため、同じ4000h〜7FFFhにBASIC ROMとカートリッジROMが存在していても、CPUから見えるのは、そのとき選んでいるほうだけです。

拡張スロット（サブスロット）

四つの基本スロットは、それぞれ、さらに四つの「サブスロット」に拡張できます。

拡張スロットには、ページごとにサブスロットを選ぶためのレジスタがあります。このレジスタには、その基本スロットをページ3に選択した状態で、FFFFhを通してアクセスします。

仕組みは少し複雑ですが、BIOSのENASLTなら、基本スロットとサブスロットをまとめて指定できます。

BIOSで使うスロット指定の形式は、次のとおりです。

$$\begin{array}{|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{ビット}}} & \textbf{\textsf{\small{内容}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{7}}} & \textsf{\small{1ならサブスロットあり（拡張スロット）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{3-2}}} & \textsf{\small{サブスロット番号（0〜3）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{1-0}}} & \textsf{\small{基本スロット番号（0〜3）}} \\ \hline \end{array}$$

ENASLTを呼ぶときは、Aレジスタにこの形式のスロット番号を入れます。切り替えるページは、HLレジスタの上位2ビットで指定します。

たとえばHレジスタを40hにすればページ1、80hにすればページ2が対象です。

基本スロットが拡張されているかどうかは、ワークエリアのEXPTBL（FCC1h〜FCC4h）のビット7で確認できます。

注意：今実行しているプログラムや、使用中のスタックがあるページを不用意に切り替えると、動作を続けられなくなることがあります。特にページ3にはBIOSのワークエリアやスタックがあるため、今回のゲームではRAMのまま使います。

カートリッジROMが起動する仕組み

カートリッジは、電源を入れたとき、本体のBIOSに「プログラム入りのROMがある」と見つけてもらうことで起動します。

目印は、4000hまたは8000hに置かれたROMヘッダーの、先頭2バイトにある文字「AB」です。

起動処理のうち、今回関係する部分を大まかにまとめると、次のようになります。

1. 本体がRAMの確認やワークエリアの初期化を行う

2. 各スロットの4000h・8000hにあるROMヘッダーを調べる

3. INITが0でなければ、指定された初期化ルーチンを呼び出す

4. BASICの起動処理では、TEXTが指定されたROM内のBASICプログラムを自動実行する

ROMヘッダーの構成は、次のとおりです。位置はヘッダー先頭からのバイト数で、＋10は十進数表記です。

$$\begin{array}{|c|c|l|l|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{位置}}} & \textbf{\textsf{\small{サイズ}}} & \textbf{\textsf{\small{名前}}} & \textbf{\textsf{\small{役割}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋0}}} & \textsf{\small{2}} & \textsf{\small{ID}} & \textsf{\small{「AB」（41h 42h）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋2}}} & \textsf{\small{2}} & \textsf{\small{INIT}} & \textsf{\small{起動時に呼ばれるアドレス}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋4}}} & \textsf{\small{2}} & \textsf{\small{STATEMENT}} & \textsf{\small{拡張命令用（今回は0）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋6}}} & \textsf{\small{2}} & \textsf{\small{DEVICE}} & \textsf{\small{デバイス用（今回は0）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋8}}} & \textsf{\small{2}} & \textsf{\small{TEXT}} & \textsf{\small{BASICプログラムの位置}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{＋10}}} & \textsf{\small{6}} & \textsf{\small{予約}} & \textsf{\small{0で埋める}} \\ \hline \end{array}$$

注意したいこと

4000hのヘッダーからINITが呼ばれる場合、その時点でページ2まで同じカートリッジに切り替わっているとは限りません。

そのため、32KB ROMの後半、8000h〜BFFFhも使うプログラムでは、ページ2をカートリッジ側に切り替える処理が必要です。通常はBIOSのENASLTを使います。

今回のフルマシン語版はページ1だけで収まるため、この処理は不要でした。

カートリッジROMの種類

初期のカートリッジROMには、8KB、16KB、32KBなどのものがありました。さらに大きなプログラムやデータを扱うものには、バンク切り替えの仕組みを持つ「メガROM」などがあります。

ROMがどのアドレスに見えるかは、容量だけではなく、カートリッジの回路によって決まります。

今回の説明に関係する配置例は、次のとおりです。

$$\begin{array}{|c|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{容量}}} & \textbf{\textsf{\small{置き場所}}} & \textbf{\textsf{\small{備考}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{8KB}}} & \textsf{\small{4000h〜5FFFh または 8000h〜9FFFh}} & \textsf{\small{小さなソフト向け}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{16KB}}} & \textsf{\small{4000h〜7FFFh または 8000h〜BFFFh}} & \textsf{\small{マシン語ゲームの定番}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{32KB}}} & \textsf{\small{4000h〜BFFFh}} & \textsf{\small{前半がページ1、後半がページ2}} \\ \hline \end{array}$$

フルマシン語版をROMにする

今回作成したマシン語本体は3,723バイトです。これに16バイトのヘッダーを付けると、合計3,739バイトになります。

これまではRAMのD000hからプログラムを置いていましたが、ROM版では4010hから置きます。書き換えが必要な変数やバッファは、RAM側で扱います。

プログラム本体はページ1に収まるため、起動後にページ2をカートリッジへ切り替える必要はありません。

$$\begin{array}{|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{アドレス}}} & \textbf{\textsf{\small{中身}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{4000h–4001h}}} & \textsf{\small{「AB」}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{4002h–4003h}}} & \textsf{\small{INIT（4010h）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{4004h–400Fh}}} & \textsf{\small{STATEMENT・DEVICE・TEXT・予約（すべて0）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{4010h–}}} & \textsf{\small{ゲーム本体（3723バイト）}} \\ \hline \end{array}$$

今回は、未使用部分をダミーデータで埋めて、32KB（32,768バイト）のROMイメージファイルにしました。

プログラムそのものに32KBが必要というわけではありません。ファイルの構成については、後ほどまとめます。

BASIC＋マシン語版をROMにする

フルマシン語のゲームがカートリッジROM化できましたが、BASIC＋マシン語のカートリッジも作れます。

そこで、以前作ったBASIC＋マシン語版についても、カートリッジROM化できるか試してみました。

結果的には作成できましたので、こちらのROMイメージも公開します。

なお、以前の記事で説明したとおり、こちらはBASICの処理に時間がかかるため、フルマシン語版より動作がややゆっくりで、ゲームの難易度としては易しめです。

フルマシン語版との違いについて

フルマシン語版ではBASICを使わないため、ページ1のBASIC ROMをカートリッジROMに切り替えて、ゲームを動かせました。

しかし、BASIC＋マシン語版では、ページ1にあるBASICインタープリタを使う必要があります。

そこで今回は、ページ1にはBASIC ROMを残し、ページ2の8000h〜BFFFhに、BASICプログラムとマシン語エンジンを配置しました。

BASICプログラムは、通常のソーステキストではなく、BASICが実行できる中間コード形式で格納します。

BASICとマシン語を合わせたデータ量は約4.5KBです。配置の途中に空き領域もありますが、それを含めてもページ2の16KB以内に収まりました。

$$\begin{array}{|c|c|} \\[-1.15em]\hline \textbf{\textsf{\small{アドレス}}} & \textbf{\textsf{\small{中身}}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{8000h–800Fh}}} & \textsf{\small{ヘッダー（「AB」とTEXTポインタ）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{8010h〜}}} & \textsf{\small{BASICプログラム（約1.8KB、70行）}} \\ \hline \textbf{\textsf{\small{A000h〜}}} & \textsf{\small{マシン語エンジン（2726バイト）}} \\ \hline \end{array}$$

TEXTポインタは、BASICプログラムの先頭を示す00hの位置を指すように設定します。

変数とスタックはページ3のRAM

今回の構成では、ページ2をROMが使うため、BASICの変数やスタックはページ3のRAM（C000h以降）を使います。

マシン語エンジンの作業用メモリも、ページ3に用意しました。

• E000h–E5FFh：エンジンのバッファ

• E600h–E69Eh：エンジンの変数

BASIC側では、この領域を守るために、先頭で次の命令を実行します。

CLEAR 300,&HDFFF

文字列用の領域を300バイトとし、BASICが使うメモリの上限をDFFFhに設定する命令です。これにより、E000h以降をマシン語エンジン用に確保します。

マシン語の呼び出し先は、次のように登録します。

DEFUSR0=&HA000:DEFUSR1=&HA003

これで、A000hとA003hにあるマシン語ルーチンを、それぞれUSR0・USR1で呼び出せます。

マシン語をRAMに展開するローダーがいらないのは、呼び出すコードが最初からROM上にあるからです。

ROMイメージが32KBになっている理由

今回作成したROMイメージは、フルマシン語版もBASIC＋マシン語版も、どちらも32KBにしています。

ただし、二つの版では、使っている場所が異なります。

フルマシン語版

• 前半の4000h側にヘッダーを置き、4010hからゲーム本体を配置しています。

• ゲーム本体はページ1に収まるため、後半の16KBは使っていません。

BASIC＋マシン語版

• 後半の8000h側に、BASIC用のヘッダー、BASICプログラム、マシン語エンジンを配置しています。

• 前半の4000h側には補助的なヘッダーを置き、そのINITは0にしています。前半のヘッダーから、ゲームの起動処理を呼び出さない構成です。

エミュレータとの兼ね合い

どちらの版も、プログラムの配置に必要な範囲は16KB以内です。32KBすべてを使っているわけではありません。

MSX1が発売されていたころはROMも高価でしたから、製品として作るなら、容量を抑えたいところです。

ただし、実機のカートリッジでは基板の配線で決まるROMの配置を、エミュレータではROMイメージのサイズやヘッダーなどから判断する場合があります。

今回は、32KBのROMイメージとして、MSXPenで正常に起動できた構成を公開しています。

32KB化や補助ヘッダーがすべてのエミュレータで必須という意味ではありません。容量を切り詰めることよりも、今回動いた形を優先しています。

まとめ：没頭してもいいですか？

MSXのゲームカートリッジを作っていたわけでもない私にとっては、カートリッジROMを作るのは、ある種の夢の実現です。MSXPenであっても、カートリッジをセットしてゲームが動いたときには、大興奮！

調子に乗って、MSXのメモリの仕組みなども解説してみましたが、実際には、AIに向かって「カートリッジROM化してちょ」と伝えれば、必要なお膳立てをしてくれますので、案外大丈夫。

それにしても、こうしてAIを使って、MSXのマシン語プログラムを作り、さらにはカートリッジROMまで作成できました。
かつて、私もマシン語プログラムは作った経験がありますが、ゲームまるまる1本作るなんてとても無理でした。

なので、この今の状況はまさしく……。

俺の未来キター！

もう泣きそう。

以上！

追記：続きの記事を書きました

またまたフルマシン語ゲームを作ったりしています。

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