게임보이 카트리지 작동 방식에 대해 알기 싫을 만큼 자세하게

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게임보이 카트리지를 직접 제작하기 위해 수년간의 연구와 설계 과정을 거침
이 글은 커스텀 게임보이 카트리지를 만드는 데 필요한 주요 기술적 정보를 초심자 관점에서 체계적으로 정리함
게임보이는 간단하면서도 확장성이 뛰어난 하드웨어 구조 덕분에 레트로 게임 개발 및 하드웨어 해킹 커뮤니티에 매력적인 플랫폼임
카트리지는 게임 데이터와 추가 하드웨어(예: RTC, 센서 등)를 내장할 수 있어 게임보이에 새로운 기능을 부여함
메모리 뱅크 컨트롤러(MBC) 회로를 통해 용량 확장 및 선택적 메모리 접근이 가능해지며, 다양한 방식으로 게임 실행이 이루어짐

소개 및 목표

저자는 개인적으로 게임보이 카트리지를 완전히 새로 제작하는 목표를 세움
게임보이 카트리지 내부 구조와 작동 원리에 대한 지식을 오픈 소스로 정리해 공개함
글의 목적은 난이도 있는 기술 정보를 초보자 시각에서 누구나 따라올 수 있도록 재구성하는 데 있음
하드웨어의 내부 동작 원리가 아닌, 외부에서 관찰되는 행동(behavior) 중심으로 설명함
DMG(초기형 게임보이)의 SoC를 기준으로 설명하며, 게임보이 계열 기기의 기본적인 카트리지 인터페이스는 유사함

게임보이 플랫폼의 특별함

게임보이는 단순함과 설계의 직관성 덕분에 하드웨어와 소프트웨어 구조를 머릿속에서 파악하기 쉬움
이식성과 저전력 특성, 복잡한 보호장치나 지역 락이 없는 구조로 누구나 개발 가능함
기술 문서, 하드웨어 도면, 커뮤니티 기반 자료가 풍부하게 축적되어 있음
공식/비공식 게임 라이브러리가 방대하며, 오픈소스 개발 툴체인 및 시각적 스크립팅 툴 등이 활발하게 관리되고 있음
하드웨어 구동기뿐 아니라 정확한 에뮬레이터 및 FPGA 구현 등 확장성 높은 생태계가 조성됨

게임보이 카트리지 기본 구조

과거 콘솔 기기는 소프트웨어와 하드웨어의 경계가 불명확함
게임보이에는 운영체제나 내장된 비휘발성 저장장치가 없음. 모든 실행 코드와 추가 하드웨어가 카트리지에 내장됨
이로 인해 카트리지가 완전히 작동해야만 게임보이가 부팅 및 작동함
카트리지 하단의 32핀 '엣지 커넥터' 는 본체와 신호를 주고받는 중심 인터페이스임
카트리지와 본체 사이에는 전원, 제어(읽기/쓰기/칩선택), 주소버스(16비트), 데이터버스(8비트) 로 신호가 분류됨

버스(Bus) 및 동작 원리

버스란 여러 부품이 하나의 신호선을 공유해 데이터를 동시에 전달할 수 있는 구조임
게임보이의 CPU는 원하는 주소를 주소버스에, 데이터를 데이터버스에 전달
버스 구조가 병렬(parallel) 이다 보니, 각 비트에 해당하는 핀이 실제로 존재함
속도 면에서 유리하지만, 버스가 공유되는 만큼 충돌/컨텐션(동시쓰기) 위험이 있음
여러 개의 IC가 동시에 데이터를 출력할 경우, 쇼트(과열 및 고장 위험) 가 발생하므로, 항상 하나의 IC만 활성화되어야 함

게임보이의 주요 메모리 분류

게임보이는 최대 4종류 메모리 IC(내장 RAM, 비디오 RAM, 카트리지 ROM, 카트리지 RAM)를 장착 가능
실제로 비디오 RAM은 독립된 버스를 사용하므로 일반적인 설명에선 제외
내장/카트리지 RAM/ROM 셋은 같은 주소버스와 데이터버스를 공유함
반드시 한 번에 하나의 칩만 데이터버스에 쓰기/읽기 작업을 수행함
실무적 용어로 내장RAM(WRAM), 카트리지RAM(SRAM), 비디오RAM(VRAM), 고속RAM(HRAM) 으로도 지칭됨

Chip Select(칩 선택)과 회로 구성

각 메모리 칩에는 칩 선택 신호(CS/CE, Chip Select/Chip Enable) 핀이 존재
칩 선택 신호 상태에 따라 특정 칩만 데이터버스에 접근 가능
게임보이는 칩 선택을 위해 주소버스의 상위 3비트(A15, A14, A13) 와 CPU의 _CS 핀을 재활용함
이러한 연결은 동시에 두 칩 이상이 활성화되지 않게 보장함
예를 들어, A15가 0일 때만 ROM 칩이 활성화되며, RAM은 별도의 논리로 활성화됨

메모리 맵(Memory Map)과 프로그래머 관점

하드웨어적 주소/핀 상태는 추상화되어, 프로그래머는 논리적 메모리 맵만을 인식함
16비트 주소 공간 내에서 0x0000–0x7FFF주소 구간은 카트리지 ROM, 0xA000–0xBFFF는 카트리지 RAM, 0xC000–0xDFFF는 내장 RAM으로 매핑됨
특정 주소 접근 시 자동으로 원하는 메모리 범위가 활성화되고 나머지는 비활성화됨
메모리 맵 자료는 게임보이 문서에서 중요한 참조 자료로 활용됨

메모리 뱅크 컨트롤러(MBC; Memory Bank Controller)

MBC는 게임보이 카트리지에서 32KB 이상의 ROM 용량 및 추가 RAM/주변기기 연결을 가능하게 하는 핵심 회로
다양한 종류의 MBC가 시판되었으나, 여기서는 비교적 단순하고 범용적인 MBC5 기준으로 설명함
MBC5는 스위칭(banking) 기법을 통해 최대 8MB ROM, 128KB 카트리지 RAM을 지원
RAM의 접근 제어, 외부 센서/RTC 등 별도 하드웨어 제어도 가능
카트리지의 ROM 주소핀 중 상위 비트(A22~A14)는 MBC5에서 동적으로 제어하며, 하위 비트만 본체의 주소버스에 직접 연결함

ROM 뱅킹(Banking) 원리

게임보이 CPU는 최대 64KB 주소 공간, 실제로는 ROM 접근에 32KB(16KB+16KB)만 사용
MBC5는 ROM 칩의 상위 주소(뱅크 선택) 를 직접 제어해, 16KB 단위로 원하는 구간을 CPU 주소 공간에 매핑함
하드웨어적으로는, CPU의 주소버스 하위 14비트(A0~A13)가 직접 ROM 칩에 연결되고, 나머지는 MBC5에서 입력받음
실제 게임 실행 중 소프트웨어가 특정 메모리 주소에 값을 쓸 때, MBC가 이를 감지해 내부적으로 선택 뱅크 값을 갱신함

MBC 프로토콜 및 메커니즘

MBC5는 특정 주소/제어 신호 조합을 감지해서 ROM 뱅크 선택, RAM 뱅크 선택, 기타 기능 활성화/비활성화 등의 작업 수행
예를 들어, A15=0, A13=1, A14=0(0x2000~0x3FFF) 구간에 쓰기 동작 시, 데이터버스에 실린 값을 ROM 뱅크 번호로 기록
프로그래머는 실제로 뱅크 전환 작업이 저수준 회로 제어가 아닌, 특정 주소에 데이터를 기록하는 것처럼만 코딩
카트리지 RAM 사용, 센서, RTC 등도 비슷한 패턴으로 제어됨
이러한 버스 리유즈(재활용) 기법은 부품 수를 줄이고 가격을 낮추는 효과를 줌

결론 및 커뮤니티 활용

게임보이 카트리지 구조의 특이점은 저가·고신뢰성·확장성에 있음
직접 카트리지 제작 시, 위 구조와 프로토콜에 대한 정확한 이해가 필수적임
커뮤니티와 풍부한 문서를 적극 참조하면, 하드웨어-소프트웨어 통합 개발 과정의 진입 장벽을 크게 낮출 수 있음

참고 자료 및 추가 학습 경로

Rodrigo Copetti의 Game Boy/Game Boy Color Architecture 글
gbdev.io, Pan Docs의 기술 문서
다양한 오픈소스 카트리지 설계도 및 툴체인(예: GBDK, RGBDS 등)
직접 제작 프로젝트 예시: abc.decontextualize.com

(해당 글의 후반부에서는 MBC 디자인 변형, EEPROM/플래시 메모리, 입출력 IC, 주변기기 통합 등 추가적으로 복잡한 요소가 다뤄지나, 상기의 항목은 게임보이 카트리지 동작 원리에 대한 핵심 내용에 해당함)

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