PlayStation 아키텍처

• PlayStation 아키텍처는 3D 하드웨어 개발 복잡도를 줄이기 위해 단순하고 실용적인 구성을 택했지만, 그래픽 정렬·텍스처 보정·정밀도에서 개발자 부담과 시각적 한계를 남김
• Sony CXD8530BQ는 LSI Logic의 CoreWare 기반 MIPS R3000A 호환 코어와 CP0, GTE, MDEC를 통합한 SoC이며, 33.87MHz로 동작하고 2MB RAM·1KB Scratchpad·DMA를 중심으로 데이터 이동을 구성함
• 그래픽은 GTE가 3D 투영·조명·클리핑을 맡고 GPU가 명령 기반으로 선·사각형·삼각형을 렌더링하는 구조이며, Z-buffer 없이 ordering table을 사용해 CPU가 폴리곤 순서를 정해야 하는 방식임
• GPU는 affine texture mapping, nearest neighbour, 정수 좌표, 서브픽셀 해상도 부재 때문에 흔들림·겹침·texture warping이 생기며, tessellation·단색 대체·pre-rendered 배경 같은 우회가 활용됨
• CD-ROM 기반 설계는 620MB 저장공간, 44.1kHz ADPCM 오디오 스트리밍, BIOS 기반 실행 환경, Wobble Groove 복제 방지와 지역 잠금을 결합해 게임 개발과 배포 방식을 바꿈

기본 설계와 CPU

• PlayStation은 3D 하드웨어가 개발하기 복잡해질 수 있다는 전제에서 단순하고 실용적인 설계를 지향했으며, 그 대가로 일부 한계를 감수하는 구조임
• 메인 칩인 Sony CXD8530BQ는 오늘날 표현으로 SoC에 해당하며, MIPS R3000A 계열과 바이너리 호환되는 LSI Logic의 CoreWare 기반 CPU 코어를 사용함
• CPU 코어는 33.87MHz, MIPS I ISA, 32비트 워드, 32개 범용 레지스터, 32비트 데이터 버스, 32비트 주소 버스, 5단계 파이프라인, 4KB 명령 캐시를 갖춤
• 데이터 캐시는 없고, 원래 데이터 캐시에 해당하는 1KB 메모리는 고정 주소에 매핑된 Scratchpad로 제공되어 빠른 SRAM처럼 사용됨
• 시스템은 범용 작업용 2MB EDO RAM을 제공하며, EDO RAM은 일반 DRAM보다 약간 효율적이고 낮은 지연시간을 얻는 칩으로 설명됨

버스와 보조 프로세서

• 데이터 버스는 32비트 Main Bus와 16/8비트 Sub Bus로 나뉘며, Main Bus는 MDEC와 GPU를 연결하고 Sub Bus는 나머지 구성요소와 I/O를 연결함
• CD-ROM controller, MDEC, GPU, SPU, parallel port는 DMA controller에 접근할 수 있으며, DMA는 CPU를 거치지 않고 메인 버스를 장악해 높은 처리량으로 데이터를 전송함
• DMA가 동작하는 동안 CPU는 메인 버스에 접근할 수 없으며, Scratchpad에 처리할 작업이 없으면 대기 상태가 되는 구조임
• CP0인 System Control Coprocessor는 캐시 구현, Scratchpad 직접 접근, 명령 캐시 격리, 인터럽트, 예외, breakpoint를 관리함
• CP2인 Geometry Transformation Engine은 고정소수점 기반 벡터·행렬 계산을 가속하며, 3D 투영, 조명, 클리핑 등 그래픽 파이프라인 초기 단계를 담당함
• MDEC는 JPEG와 유사하게 인코딩된 macroblock을 GPU가 이해할 수 있는 형식으로 압축 해제하며, 8×8픽셀 24bpp 비트맵을 초당 9,000 macroblock 처리해 320×240px FMV를 30fps로 스트리밍할 수 있음
• CP1에 해당하는 FPU는 제공되지 않으며, 소수 계산은 소프트웨어 부동소수점이나 고정소수점으로 처리할 수 있지만 속도나 정밀도에서 제약이 생김

파이프라인과 지연 슬롯

• MIPS I 파이프라인은 control hazard와 data hazard에 취약하며, branch·jump 다음 명령이 무조건 실행되는 branch delay slot 동작을 가짐
• load 명령은 가져온 데이터가 준비될 때까지 파이프라인을 멈추지 않으므로, 바로 다음 명령이 이전 load 결과에 의존하면 올바른 피연산자를 얻기 위해 filler가 필요함
• 일부 delay slot은 의미 있는 명령으로 채워질 수 있어 항상 낭비 사이클이 되는 것은 아님
• MIPS는 고품질 컴파일러와 어셈블러가 명령 재배치나 filler 삽입을 처리한다는 RISC 철학을 기반으로, CPU 파이프라인을 개발자와 툴체인에 노출하는 설계를 택함
• 이런 설계는 뒤이은 CPU 세대에서 새로운 마이크로아키텍처가 등장할수록 하위 호환성을 어렵게 만드는 단점도 가짐

그래픽 파이프라인

• 그래픽 파이프라인의 상당 부분은 GTE가 처리하며, 결과 데이터는 Sony의 독자 GPU로 전달되어 렌더링됨
• 시스템은 1MB VRAM에 frame buffer, texture, 기타 렌더링 자원을 저장하며, CPU는 DMA로 이 영역을 채울 수 있음
• 초기 모델의 VRAM은 dual-ported 구조로 두 개의 16비트 버스를 사용해 CPU, DMA, GPU, video encoder가 동시에 접근할 수 있음
• 이후 모델은 단일 32비트 데이터 버스를 사용하는 SGRAM으로 바뀌었으며, 타이밍 차이 때문에 Jet Moto 3 같은 후속 게임이 VRAM 기반 시스템에서 그래픽 깨짐을 보일 수 있음
• CPU는 GPU의 64바이트 FIFO buffer에 최대 3개의 명령을 채워 지오메트리 데이터를 보내며, 명령은 렌더링, 설정 변경, VRAM 조작을 요청함
• GPU는 선, 사각형, 삼각형을 개별적으로 그릴 수 있으며, 삼각형은 풍부한 3D 모델을 구성하는 기본 요소로 사용됨
• GPU 좌표계는 각 좌표가 픽셀 중심의 sampling point에 대응하는 정수 좌표 모델이며, fractional coordinate를 사용하지 않음

가시성, 래스터화, 텍스처

• PlayStation GPU는 hardware visibility 해결 기능을 제공하지 않으며, ordering table을 통해 depth 값별로 GPU command 주소를 관리함
• CPU는 폴리곤을 먼저 정렬하고 table의 적절한 항목에 참조를 넣은 뒤, DMA로 table을 GPU에 보내 올바른 순서로 렌더링하게 함
• GPU는 단일 frame buffer만 필요하며, rasteriser가 vertex를 선·삼각형·사각형과 픽셀로 변환함
• 삼각형은 texture와 shading을 지원하는 가장 복잡하고 범용적인 primitive이며, 선은 빠르지만 texture 표면에 적합하지 않고, 사각형은 최대 256×256픽셀 sprite에 제한되고 shading이나 affine 변환 효과를 제공하지 않음
• 조명 효과는 flat shading과 Gouraud shading 두 가지가 있으며, flat shading은 Gouraud shading보다 초당 약 2.5배 많은 폴리곤을 채울 수 있음
• texture는 rasterised pixel마다 texture map의 texel을 찾는 inverse texture mapping으로 적용됨
• PlayStation GPU의 Affine Texture Mapping은 X/Y 2D 좌표만 사용하고 depth를 버리므로 perspective correction을 하지 않음
• texture filtering은 구현되지 않았고, scale 보정에는 nearest neighbour를 사용해 빠르고 저렴하지만 texture 모델이 blocky하게 보이는 원인이 됨
• GPU는 삼각형에 semi-transparency와 dithering 효과를 지원하며, PlayStation은 이 효과들에서 뛰어난 편으로 묘사됨

VRAM 운용과 시각적 한계

• 1MB VRAM 전체를 frame buffer에 크게 쓰는 구상은 TV 표준 형식으로 재조정이 필요하고 texture·colour table 공간을 줄이며, GPU 자체도 최대 640×480픽셀 16비트 색상 frame buffer만 렌더링할 수 있음
• 640×480 16비트 buffer는 424KB VRAM을 재료용으로 남기지만, 당시 가정용 TV에서는 높은 해상도 이점이 특히 두드러지지 않는다는 문제가 있음
• adjustable frame-buffer는 체감이 작은 해상도에 VRAM을 낭비하지 않고 frame buffer 크기를 줄여 texture와 colour lookup table 공간을 늘리는 방식임
• Halkun의 Gears Episode 2 데모는 640×480 frame buffer를 두 개의 320×480 buffer로 나누고 page flipping을 사용해 한 장면을 표시하는 동안 다른 장면을 렌더링하는 구성을 보임
• 이 layout은 600KB VRAM만 소비하고, 나머지 424KB를 colour lookup table과 texture에 사용할 수 있으며, 2KB texture cache와 함께 효율적인 구성이 됨
• VRAM은 여러 colour depth를 동시에 매핑할 수 있어 16bpp frame buffer 옆에 FMV frame에 흔히 쓰이는 24bpp bitmap을 배치할 수 있음
• rasteriser는 픽셀 단위만 처리하고 triangle이 pixel fraction을 얼마나 차지했는지 추적하지 않기 때문에, 모델 외곽선 점프와 triangle 교차부 flicker·overlap이 생길 수 있음
• ordering table은 어느 geometry가 앞에 있는지 결정하는 부담을 개발자나 프로그램에 맡기며, 성능을 위해 근사 계산이 많으면 flickering이나 가려진 표면 문제가 생길 수 있음
• affine transformation은 depth 감각이 없어 카메라가 모델에 가깝고 시선에 수직일 때 texture warping을 만들 수 있으며, 일부 게임은 tessellation이나 solid colour 대체로 왜곡을 줄임
• pre-rendered 배경은 실시간 GPU 표현보다 사실적인 장면이 필요할 때 MDEC로 스트리밍한 영상을 두 개의 삼각형에 얹는 방식으로 활용됨

오디오와 CD 기반 게임

• SPU는 44.1kHz Audio CD 품질의 16비트 ADPCM sample 24채널을 지원함
• SPU는 pitch modulation, frequency modulation, ADSR envelope, looping, digital reverb 기능을 제공함
• 오디오 버퍼인 Sound RAM은 512KB DRAM이며, 게임은 sample 저장용으로 508KB만 사용할 수 있고 reverb를 켜면 사용 가능 용량이 더 줄어듦
• CD controller는 오디오 버퍼나 CPU 개입 없이 sample을 audio mixer로 직접 보낼 수 있으며, XA encoding으로 압축된 sample은 SPU가 실시간으로 디코딩할 수 있음
• CD-ROM 매체는 PS1 게임에 620MB 저장공간, 풍부한 오디오 품질, 2x drive의 비교적 빠른 읽기 속도를 제공함
• 1997년까지 출시된 PS1 revision은 결함 있는 CD drive laser로 FMV와 Audio CD skip이 잦은 것으로 알려졌으며, 이후 모델은 laser unit과 housing을 개선해 문제를 완화함

I/O, BIOS, 개발 환경

• 초기 PlayStation에는 add-on용 Serial과 Parallel I/O 포트가 있었지만, 낮은 채택률과 copy protection 우회 우려로 이후 revision에서 제거됨
• CD subsystem은 motor·laser·RF 신호를 제어하는 DSP, Motorola 68HC05 microcontroller와 512B RAM·16KB ROM으로 구성된 Sub-CPU, main CPU와 CD subsystem 사이를 중계하는 CD Controller, 32KB SRAM buffer로 구성됨
• Sub-CPU의 ROM 프로그램은 copy-protection 절차를 구현하며, main CPU 의사와 관계없이 이를 강제함
• 전면에는 controller 2개와 Memory Card 2개를 위한 소켓 4개가 있으며, 네 slot은 전기적으로 동일하고 주소가 하드코딩되어 있음
• 시스템은 512KB ROM에 BIOS를 저장하며, BIOS는 startup, user shell, I/O routine을 제공함
• BIOS ROM 접근은 8비트 데이터 버스 때문에 매우 느리므로, API는 boot 중 main RAM으로 복사되는 Kernel 형태로 제공되며 64KB main RAM이 PlayStation OS용으로 예약됨
• boot 과정은 BIOS ROM 실행, PlayStation OS 로드, splash 표시, CD 진위 확인, SYSTEM.CNF 확인과 실행 또는 shell 표시 순서로 진행됨
• shell은 Memory Card save 복사·삭제와 Audio CD 재생을 제공하는 단순한 그래픽 인터페이스임
• Sony SDK는 C compiler와 library를 포함했고, library는 hardware access를 위해 BIOS routine에 연결됨
• studio용 DTL-H2000은 PS1 내부와 I/O, debugging 회로를 담은 dual-slot ISA card이며, Windows 3.1 또는 95가 설치된 PC에서 동작하는 소프트웨어를 요구함
• hobbyist용 Net Yaroze는 toolkit, manual, 검은색 PS1 console을 제공했으며, CD drive 접근이 없어 homebrew software가 main RAM 안에 모두 들어가야 하는 제약을 가짐

복제 방지와 지역 잠금

• Sony의 copy protection은 CD의 Table of Contents가 특정 주파수로 새겨진 Wobble Groove를 가지는지 Sub-CPU가 확인하는 방식임
• Wobble Groove는 mastering 과정에서 도입되며 일반 CD burner로 복제할 수 없고, TOC는 CD의 Lead-In 영역에 있으며 fault tolerance를 위해 여러 번 반복됨
• game TOC에는 SCEA, SCEE, SCEI 문자열 중 하나가 들어가며, 이 방식은 region-locking에도 사용됨
• 검사는 시작 시 한 번만 수행되므로 인증 직후 disc를 수동으로 바꾸는 swap trick으로 우회할 수 있지만, drive 손상 위험이 있음
• 일부 game은 gameplay 중 drive를 다시 초기화해 검사를 반복함으로써 swap trick을 막으려 했음
• Modchip은 Wobble Groove 신호를 흉내 내도록 프로그래밍된 작은 보드이며, console에 납땜해 사용됐고 법적으로 논쟁적이지만 매우 인기를 얻음
• 이후 game들은 modchip, CD burner, emulator 확산에 대응해 checksum 중심의 자체 보호 수단을 추가함
• Sony의 Libcrypt는 특정 sector checksum을 disc sub-channel에 저장하는 hardware 측 접근과, game 곳곳에 checksum을 가져와 다른 값과 섞어 검증하는 software 측 routine을 결합함