Мапперы игр приставок Famicom, NES / Денди

Тип                 Игр   Процент
Mapper 0 (NROM)     446   12.5%
Mapper 1 (MMC1)     723   20.3%
Mapper 2 (UNROM)    397   11.2%
Mapper 3 (CNROM)    273    7.7%
Mapper 4 (MMC3)     784   22.1%
Другие              932   26.2%
Всего               3555 100.0%

Нулевой Mapper 0 (NROM) это «без маппера» — простое отображение неизменяемых кусков ПЗУ картриджа в 8Кб банков тайлов и верхние 32Кб процессора.
Здесь важно еще заметить, что визуальное расположение двух видеостраниц можно было переключать между горизонтальным и вертикальным режимами скроллинга. Так вот на самом деле это делалось через картридж. В обычной распайке две имеющихся страницы компоновались горизонтально, а чтобы они стали вертикальными надо было перекоммутировать 2 адресных линии памяти видеоадаптера. Делалось это через картридж и без всяких мапперов в игру можно было «запаять намертво» один из этих режимов. Естественно в таких играх как «Черный плащ», где тип скроллинга менялся в некоторых местах на другой нужна была управляемая перекоммутация этих линий и за это в итоге тоже отвечали мапперы.
Итак, какие проблемы решали самые распространённые виды мапперов (мало значимые детали будут опущены):

Mapper 1 — MMC1
(применялся в таких играх как Legend of Zelda, Metroid, Rad Racer, Mega Man 2 и многих других)
Первое — с ним можно управлять режимом вертикального или горизонтального скроллинга.
Но самое главное, что он довольно прямолинейно и гибко решает первую возникшую при росте аппетитов игр проблему — нехватку памяти для прямой адресации как процессором так и видеочипом.
Если вкратце, то позволяет подменять отображение ПЗУ картриджа как в каждым из двух банков тайлов (по отдельности, но целиком, т.е. страницами по 4Кб), так и первую страницу в 16Кб в ПЗУ процессора (последние 16Кб ПЗУ процессора всегда отображаются в одну и ту же микросхему ПЗУ на картридже).
Это позволяло содержать в верхних 16Кб ПЗУ некое «ядро игры» и при этом налету подменять каждый из банков тайлов для графики и 16Кб кода и/или данных для каждого уровня.

Mapper 2 — UNROM
(применялся в таких играх как Castlevania, Mega Man, Ghosts & Goblins, Amagon и многих других)
Так же как и MMC1 способен переключать первые 16Кб ПЗУ процессора в то время как последние 16Кб не переключаются и составляют «ядро игры».
Но вот с банками тайлов этот маппер поступает хитрее — вместо переключения отображения в разные микросхемы ПЗУ он отображает на оба банка памяти микросхему ОЗУ.
Таким образом изображения тайлов могут гибко налету заменяться другими не всем банком целиком, а как угодно.
В самом деле, если вы присмотритесь к карте спрайтов из игры Lode Runner, то заметите, что она на 2/3 занята анимациями всего 2–ух типов «человечков» — собственно игрока и преследующих его «бомберменов».
Действительно 256 тайлов 8x8 очень мало для отрисовки разнообразных персонажей, даже учитывая, что спрайты имеют флажки вертикального и горизонтального зеркалирования (что сильно экономит играм байты).
В реальных играх либо видов монстров одновременно присутствующих на одном уровне или очень немного или банк тайлов спрайтов подменяется на лету. Но т.к. в MMC1 банк можно было заменить только целиком, такое приводило бы к перерасходу ПЗУ на одинаковые изображения главного героя, поэтому посадить банки тайлов на ОЗУ и обновлять их по строгой необходимости, когда один вид монстра покидает экран, а другой появляется, выглядит крайне разумной идеей.
Тем более, что в самой консоли не было столько ОЗУ — 2Кб у процессора плюс 2Кб у видеочипа (+мелочь на спрайты и палитру) вдвое меньше этого объёма.

Mapper 3 — CNROM
(применялся в таких играх как Solomon's Key, Gradius, Cybernoid, Adventure Island и многих других)
Самый «ограниченный» из всех перечисленных — мог только переключать сразу оба банка тайлов на одну из четырёх возможных страниц ПЗУ по 8Кб.

Mapper 4 — MMC3
(самый навороченный из массовых, вошёл в широкое употребление в начале 90–х. Применялся в таких играх как Super Mario Bros. 2 и 3, Mega Man 3, 4, 5, и 6, Crystalis и многих других)
Мог управлять вертикальным/горизонтальным скроллингом.
Мог переключать маппинг ПЗУ банков тайлов с гранулярностью в 1Кб, что было компромиссом между проблемами MMC1 и дороговизной UNROM.
Мог переключать маппинг ПЗУ процессора с гранулярностью в 8Кб — получалось 2 переключаемых страницы в начале и 2 непереключаемых в конце ПЗУ.
Мог маппить постоянное ОЗУ (SRAM=Static RAM, обычно на батарейках) для сохранения игр в адреса 6000h–7FFFh и имел бит защиты этой области от записи.
Имел встроенный счётчик отрисованных в текущем видеокадре строк и мог генерировать прерывание по достижению заданного значения.
Последнее жизненно важно для сложных вариантов многократных HBlank–отсечений. Дело в том, что опять таки, без апгрейдов консоль могла делать только одно HBlank–отсечение (смену фона по горизонтальной границе на экране — тема для отдельного поста) техникой так называемого «zero–sprite–hit». Нулевой спрайт имел особую фичу — когда видеочип отрисовывал первый видимый пиксель нулевого спрайта поверх видимого пикселя фона, то он взводил одноименный флаг в одном из своих портов ввода–вывода — «zero–sprite–hit». Вот за этот флаг мог зацепится процессор, чтобы поймать момент отрисовки определенной строки пикселей и далее уже действовать по обстоятельствам. Однако сделать это он мог только один раз за кадр — во время отрисовки кадра CPU не может иметь доступ к памяти видеочипа — включая память спрайтов, даже во время HBlank, поэтому передвинуть нулевой спрайт для другого HBlank–отсечения уже не было никакой возможности.
Вот здесь и приходил на помощь маппер MMC3 — встроенный счётчик вертикальных линий позволял организовать при должной сноровке сколько угодно HBlank–отсечений за кадр — и этим игры с удовольствием пользовались. В такой игре как Gun Dec (он же Vice) на первом платформерном уровне присутствовала полоска «колыхающейся» воды — в ней каждая горизонтальная линия «плыла» отдельно от других, порождая эффект колыхающейся воды. Без маппера подобного MMC3 такое было бы невозможно сделать, особенно с учетом того, что там еще не раз делается HBlank–отсечение.
Забавно еще то как именно был реализован этот счётчик отрисованных сканлайнов — видеочип не проектировался для такого и пришлось найти изощрённый обходной путь. Во время построения кадра PPU многократно обращается к видеопамяти и было замечено, что он переключается между обращениями к банкам тайлов и видеостраницам ровно 42 раза за один сканлайн. Это и навело инженеров на необходимую технику — чип MMC3 отслеживал изменение адресной шины A13 видеочипа, которая как раз взводилась только при доступе к находящимся в верхних адресах памяти видеостраницам, и по счётчику понимал когда происходит переход к следующей строке. Замысловато, но нужный результат достигался.
Маппер MMC3 получился удачным и дал жизнь многим производным чипам — в каких то урезался ненужный функционал, но в большинстве добавлялись новые фички.
Так же нужно понимать, что по части основного функционала — отображения адресного пространства CPU и PPU на чипы картриджа, мапперу по сути неважно микросхема ПЗУ или ОЗУ в картридже установлена. Поэтому не меняя сам маппер можно было получить картридж, где опять таки на месте банков тайлов находится ОЗУ VRAM с картриджа. Возможны были самые разнообразные комбинации, разного состава и размеров запоминающих устройств.

Прочих видов мапперов было сотни, но все остальные не применялись больше, чем в 2% игр каждый, а нередко и всего в одной–двух.
Однако нельзя тут не упомянуть такого монстра, которого Nintendo выпустила уже под закат консоли, как маппер 5 или MMC5. Хотя он использовался не более чем в полутора десятках игр, но его начинка была уж совсем неприличной:

Mapper 5 — MMC5
(использовался в таких играх как Gun Sight (Laser Invasion), Uchuu Keibitai SDF, Bandit Kings (Suikoden), Castlevania 3, Nobunaga Sengoku (Nobunaga's Ambition 2), Nobunaga Bushou, Shin 4 Nin Uchi Mahjong, Ishin no Arashi, L'Empereur, Ganbare Goemon Gaiden, Romance of the Three Kingdoms 2 (Sangokushi 2), Gemfire (Royal Blood), Uncharted Waters (Daikoukai Jidai), Aoki Ookami, Just Breed, Metal Slader Glory)
Помимо гибких режимов отображения страниц этот маппер так же мог:
— счетчик отрисованных сканлайнов с генерацией прерываний по HBlank
— адресовать до 64Кб ОЗУ, которое мог замапить не только в адреса $6000–$7FFF, но и в $8000–$DFFF
— аппаратно умножать байт на байт с получением 16–битного результата
— два дополнительных звуковых осциллятора (работали параллельно с уже имеющимися в консоли) и 8–битный PCM–канал
— режим «заливки видеостраниц», полезный в «переходных экранах»
— 1024 байта ОЗУ которые можно использовать для одного из четырёх вариантов:
а) дополнительная видеостраница
б) расширитель атрибутов и тайловых индексов — позволяет видеочипу адресовать сразу 16384 тайлов фона одновременно и позволяет каждому тайлу фона иметь индивидуальный селектор палитры
в) вертикальный сплит–скрин
г) дополнительное ОЗУ для процессора

В общем этот маппер некисло так расширял аппаратную начинку консоли, вплоть до графических и звуковых возможностей, по сути являясь уже полноценным expansion pack–ом.

Так что та же эмуляция Денди/NES/Famicom просто невозможна по большому счёту без эмуляции маппера в картридже ибо сами картриджи в большинстве своём содержали заметно больше, чем просто переключатели банков памяти.
Да и сама возможность переключать банки памяти не закладывалась в консоль, как и многое другое.