Joypad y Paleta por Defecto

Resumen

Se implementó el Joypad (control de botones y direcciones) de la Game Boy con lógica Active Low, y se corrigió la inicialización de la paleta BGP a 0xE4 por defecto. Los logs de diagnóstico revelaron que el juego estaba haciendo polling del Joypad (P1) y que la paleta estaba en 0x00 (todo blanco), haciendo que los gráficos fueran invisibles aunque se renderizaran correctamente. Con estas correcciones, el emulador puede responder a las pulsaciones de botones y mostrar gráficos correctamente coloreados.

Concepto de Hardware

El Joypad de la Game Boy usa un sistema de Active Low donde:

• 0 = Botón pulsado
• 1 = Botón soltado

El registro P1 (0xFF00) es de lectura/escritura:

• ESCRITURA (bits 4-5): El juego selecciona qué leer:
  • Bit 4 = 0: Quiere leer Direcciones (Right, Left, Up, Down)
  • Bit 5 = 0: Quiere leer Botones (A, B, Select, Start)
• LECTURA (bits 0-3): El juego lee el estado según el selector:
  • Bit 0: Right / A
  • Bit 1: Left / B
  • Bit 2: Up / Select
  • Bit 3: Down / Start

Cuando un botón pasa de Soltado (1) a Pulsado (0), se activa la interrupción Joypad (Bit 4 en IF, 0xFF0F).

La paleta BGP (Background Palette, 0xFF47) controla los colores del fondo. En una Game Boy real, la Boot ROM deja este registro configurado a 0xE4 (11100100 en binario), que mapea:

• Índice 0 → Blanco (0)
• Índice 1 → Gris claro (1)
• Índice 2 → Gris oscuro (2)
• Índice 3 → Negro (3)

Si BGP queda en 0x00 (todo blanco), aunque el juego renderice correctamente los tiles, todos los píxeles aparecerán blancos y la pantalla se verá completamente blanca.

Fuente: Pan Docs - Joypad Input, Background Palette Register (BGP)

Implementación

Se creó una clase Joypad que implementa la lógica Active Low y maneja el registro P1. Se integró en la MMU para interceptar lecturas/escrituras de P1, y en Viboy para capturar eventos de teclado de pygame y actualizar el estado del Joypad.

Componentes creados/modificados

• src/io/joypad.py: Nueva clase Joypad con métodos press(), release(), read(), write(). Implementa lógica Active Low y solicita interrupciones cuando un botón se pulsa.
• src/io/__init__.py: Nuevo módulo de I/O.
• src/memory/mmu.py:
  • Inicialización de BGP a 0xE4 en __init__().
  • Interceptación de lectura/escritura de P1 (0xFF00) delegando al Joypad.
  • Método set_joypad() para conectar el Joypad a la MMU.
• src/viboy.py:
  • Instanciación del Joypad y conexión a la MMU.
  • Método _handle_pygame_events() que captura eventos de teclado y actualiza el Joypad.
  • Mapeo de teclas: K_UP/DOWN/LEFT/RIGHT (direcciones), K_z (A), K_x (B), K_RETURN (Start), K_RSHIFT (Select).
• tests/test_io_joypad.py: Suite completa de tests (14 tests) validando inicialización, lógica Active Low, selector de lectura, interrupciones y integración con MMU.

Decisiones de diseño

Lógica Active Low: Se implementó correctamente donde True = pulsado (bit 0 en hardware), False = soltado (bit 1 en hardware). Al leer P1, si un botón está pulsado, se hace clear del bit correspondiente.

Detección de transiciones: La interrupción solo se solicita cuando un botón pasa de soltado a pulsado. Si se llama press() varias veces sin release() intermedio, solo la primera pulsación activa la interrupción.

Selector de lectura: Se guarda el selector (bits 4-5) cuando el juego escribe en P1. Al leer, se devuelve el estado de los botones correspondientes según el selector.

Manejo de eventos: Se centralizó el manejo de eventos de pygame en _handle_pygame_events() dentro de Viboy, en lugar de hacerlo en el Renderer, para mantener la separación de responsabilidades.

Archivos Afectados

• src/io/joypad.py - Nueva clase Joypad
• src/io/__init__.py - Nuevo módulo I/O
• src/memory/mmu.py - Inicialización BGP=0xE4, interceptación P1, método set_joypad()
• src/viboy.py - Instanciación Joypad, método _handle_pygame_events()
• tests/test_io_joypad.py - Suite completa de tests (14 tests)

Tests y Verificación

Se ejecutaron tests unitarios con pytest validando:

Tests ejecutados

• Comando: python3 -m pytest tests/test_io_joypad.py -v
• Entorno: macOS, Python 3.9.6
• Resultado: 14 tests PASSED en 0.33s

Tests implementados

• test_default_palette_init: Verifica que BGP se inicializa a 0xE4.
• test_joypad_initial_state: Verifica que todos los botones están soltados al inicio.
• test_joypad_read_default: Verifica lectura con selector por defecto.
• test_joypad_read_directions: Verifica lectura de direcciones cuando están soltadas.
• test_joypad_read_directions_pressed: Verifica lectura cuando Right está pulsado (bit 0 = 0).
• test_joypad_read_buttons: Verifica lectura de botones cuando están soltados.
• test_joypad_read_buttons_pressed: Verifica lectura cuando A está pulsado (bit 0 = 0).
• test_joypad_press_interrupt: Verifica que pulsar un botón activa el bit 4 de IF.
• test_joypad_release_no_interrupt: Verifica que soltar un botón NO activa interrupción.
• test_joypad_press_twice_no_double_interrupt: Verifica que pulsar dos veces sin soltar solo activa interrupción la primera vez.
• test_joypad_press_release_press_interrupt: Verifica que pulsar-soltar-pulsar activa interrupción ambas veces.
• test_joypad_mmu_integration: Verifica integración con MMU (leer/escribir P1 funciona correctamente).
• test_joypad_all_directions: Verifica lectura de todas las direcciones cuando están pulsadas.
• test_joypad_all_buttons: Verifica lectura de todos los botones cuando están pulsados.

Código del test (ejemplo: detección de interrupción)

def test_joypad_press_interrupt(self) -> None:
    """Test: Pulsar un botón debe activar la interrupción Joypad (bit 4 en IF)"""
    mmu = MMU(None)
    joypad = Joypad(mmu)
    
    # Limpiar IF
    mmu.write_byte(IO_IF, 0x00)
    assert (mmu.read_byte(IO_IF) & 0x10) == 0
    
    # Pulsar Start
    joypad.press("start")
    
    # Verificar que el bit 4 de IF está activo
    if_val = mmu.read_byte(IO_IF)
    assert (if_val & 0x10) != 0

Qué valida: Este test demuestra que el hardware del Joypad solicita una interrupción cuando se pulsa un botón, activando el bit 4 del registro IF (Interrupt Flag). Esto permite que la CPU responda a eventos de entrada del usuario.

Fuentes Consultadas

• Pan Docs: Joypad Input
• Pan Docs: Background Palette Register (BGP)
• Pan Docs: CPU Interrupts (Joypad interrupt, bit 4)

Integridad Educativa

Próximos Pasos

• [ ] Probar el emulador con un juego real para verificar que el Joypad funciona correctamente
• [ ] Implementar Scroll (SCX/SCY) para que el juego pueda desplazar el fondo
• [ ] Implementar Window (WX/WY) para que el juego pueda mostrar una ventana superpuesta
• [ ] Implementar Sprites (OAM) para que el juego pueda mostrar objetos móviles
• [ ] Implementar el Timer completo (TIMA, TMA, TAC) para sincronización precisa