SEGA-CD Tile Texture Reuse Codec — 実機再生タイムライン（68000 二基）

SEGA-CD（メガCD）の 2 つの 68000 CPU が、実機で MOVIE.DAT ストリームを再生するとき 実際に何を実行し、どう同期し、どのメモリをどれだけ使うか を実行時の視点でまとめたもの。対象は Tile Texture Reuse Codec のプレイヤー boot/movieplay_sp.s（Sub CPU）と boot/movieplay_ip.s（Main CPU）。メモリ数値は H40フル（320×224 / 40×28=1120セル / 15fps）の実測ビルドに基づく。

この設計は、3 つの厳しいハード制約を 同時に 満たすために存在する:

CD は連続読みを維持 — ROM_READN 1 回、シークし直さない（再シークはストリームが許せる帯域よりはるかに高くつく）。
VDP の VRAM 転送は垂直帰線（VBLANK）中しか DMA できない — アクティブ表示にはみ出した DMA は、厳密なハード/エミュで画面を壊す。
2 つの CPU が 1 つの Word RAM を共有 — 同じバンクを同時には触れないので、フレームバッファを両者で ping-pong させる。

答えは producer/consumer パイプライン: Sub CPU が裏バンクへ 1 フレームを生成する間、 Main CPU が表バンクから前フレームを消費し、フレーム境界でバンクを受け渡す。

登場するハードウェア（メモリ容量つき）

 ┌──────────────┐  セクタ    ┌───────────────┐   復号    ┌──────────────┐
 │  CDドライブ  │─(CDC DMA)─▶│  Sub CPU (SP) │──(pop)──▶│  Word RAM     │
 │  連続        │            │  68000        │           │  1M / 1M      │
 │  ROM_READN   │            │  生成側       │           │ 各バンク128KB │
 └──────────────┘            └─┬────┬────┬──┘           └──────┬───────┘
                    apply/RING  │    │    │ 887B/frame          │ swap
                                ▼    │    ▼               (MEMMODE bit0)
                    ┌──────────────┐ │ ┌────────────────┐       ▼
                    │  PRG-RAM     │ │ │ RF5C164 PCM    │ ┌──────────────┐
                    │  512KB (SP)  │ │ │ wave-RAMリング  │ │  Main CPU(MD)│
                    │ ┌──────────┐ │ │ │ 音声を再生     │ │  68000       │
                    │ │RING 貯水池│ │ │ └────────────────┘ │  消費側      │
                    │ │420KB     │ │ │                     └──────┬───────┘
                    │ │(タンク)  │ │ │                            │ VBLANK内DMA
                    │ └──────────┘ │ │                     ┌──────▼───────┐
                    │ apply 34KB   │ │                     │  Main-RAM    │
                    │ routing 8KB  │ │                     │  64KB (MD)   │
                    └──────────────┘ │                     │ DMA_STAGE24KB│
                                     └─(Sub が両方に給餌)   │ →VDP→VRAM→画面│
                                                            └──────────────┘

Sub CPU（SP） — CD セクタを吸い上げ、1 フレーム分の control ブロックを復号し、結果のネームテーブル＋新規タイルパターンを Word-RAM の 裏バンク へ書き、PCM 音声リングを補充する。連続読み中は PRG-RAM へバースト書込みしない（payload は CDC_TRN で DMA し、PRG は読むだけ＝連続読み中も安全）。
PRG-RAM（Sub CPU 側・512KB） — Sub CPU のワーク RAM。中心は RING（貯水池＝タンク・ 420KB）: 先読みした冷たい（新規）タイルパターンを溜めておき、CD 供給が一時的に細っても枯渇しないための緩衝。ほかに CDC 着地＋control 展開の apply（34KB）、フレーム→セクタの routing（8KB）、プログラムとスタック。
Main CPU（MD） — Word-RAM の 表バンク を読み、新規タイルパターンを VRAM へ DMA（VBLANK 内のみ・予算制）、表示を flip、デバッグ HUD を描画、フレームハンドシェイクを主導する。
Main-RAM（Main CPU 側・64KB） — Genesis 68000 のワーク RAM。中心は DMA_STAGE（24KB）: VDP の DMA 源は必ず Main-RAM なので、Word-RAM から読んだ 1 フレーム分のタイルをここへ整列してから VRAM へ流す。ほかに shadow[1120]（セル→エントリ表・2.2KB）、ラン表、スタック。
Word RAM（1M/1M・各バンク 128KB） — 共有ダブルバッファ。一方が「表」（Main が読む）、他方が「裏」（Sub が書く）。MEMMODE bit0 で所有権を swap。
RF5C164 PCM — 自走の音声。Sub CPU がハード再生カーソルの少し先を保つように wave-RAM リングを補充する。

フレームハンドシェイク（誰が誰に合図するか＋各フェーズのメモリ）

通信は Gate Array の 2 つのメールボックス: COMCMD0（Main → Sub）と COMSTAT0（Sub → Main）、加えて診断用の COMSTAT1。

信号	レジスタ	意味
`CMD_STREAM` `0x50`	COMCMD0	Main: 先頭からストリーム開始
`CMD_SWAP` `0x51`	COMCMD0	Main: 表バンクの処理完了 — swap して
`STAT_READY` `0x8003`	COMSTAT0	Sub: バンクswap済み、次フレームが表に乗った
`STAT_END` `0x8004`	COMSTAT0	Sub: 映画終端（Main は 15 秒静止しループ）
desync / bad-magic	COMSTAT1	Sub: 診断カウンタ

sequenceDiagram
    participant M as Main CPU (MD)<br/>Main-RAM 64KB
    participant S as Sub CPU (SP)
    participant P as PRG-RAM<br/>RING 420KB
    participant W as Word RAM<br/>バンク 128KB
    Note over M,W: 起動
    M->>S: CMD_STREAM (0x50)
    S->>P: prebuffer で RING を先読み充填
    Note over P: RING 使用 ~380KB / 420KB (90%)
    S->>S: ROM_READN(連続読み1回), frame 0 を裏バンクへ構築
    S-->>M: STAT_READY (0x8003)
    S->>W: swap → frame 0 を表へ
    loop 各 movie frame N
        par Main が frame N を消費
            M->>W: 表を読む(ネームテーブル+新規パターン)
            M->>M: タイルを DMA_STAGE へ整列, VRAMへDMA(VBLANK予算内)
            Note over M: DMA_STAGE 使用 ≤24KB (peak 45%) / 平常 ~9KB(17%)
            M->>M: CRAM入替? + flip(同一VBLANK内で原子的)
        and Sub が frame N+1 を生成
            S->>P: apply でセクタ着地 + RING からパターンpop
            Note over P: apply 34KB / RING 380KB(90%)
            S->>W: 裏バンクへ書込(セル+パターン)
            Note over W: 裏バンク出力窓 平常 ~9KB(7%) / keyframe ~37KB(29%)
            S->>S: 887 B PCM を給餌
        end
        M->>S: CMD_SWAP (0x51)
        S->>W: バンクswap (MEMMODE bit0)
        S-->>M: STAT_READY
        Note over M,W: 表/裏の役割が反転, N+1 へ
    end
    S-->>M: STAT_END(映画終端) → 15秒静止 → 再び CMD_STREAM

メモリマップと使用量（H40フル 320×224 / 40×28 / 15fps）

3 つの独立した RAM がある。PRG-RAM（Sub 専用・512KB）、Word-RAM の 1M バンク （共有・128KB を 2 面）、Main-RAM（Main 専用・64KB）。各面の確保レイアウトと、 H40フルでの実使用（率＆ KB）:

PRG-RAM — Sub CPU ワーク RAM — 512 KB

領域	確保	用途	H40フル使用
program / BIOS 予約	~48 KB	SP プログラム＋起動時 ISO_BUF	固定
RING（貯水池＝タンク）	420 KB	冷たいタイルパターンの先読みリング	380 KB（12160枚×32B）= リングの90% / PRGの74%
routing	8 KB	フレーム→セクタ経路表	~7.8 KB（3998フレーム×2B）
apply	34 KB	CDC 着地＋control 線形化	≤34 KB
stack	2 KB	SP スタック	—
PRG 合計	512 KB		ライブピーク ~472 KB ≈ 92%

Word-RAM 1M バンク — 共有ダブルバッファ — 128 KB ×2

Sub が「裏」バンクへ 1 フレームの出力を書き、swap 後に Main が「表」として読む。同じレイアウトの面が 2 つ。1 面あたり:

領域	オフセット	確保	H40フル使用
palette（PALW+CRAM）	+0x0000	130 B	130 B（区間切替時のみ）
loads（冷パターン列）	+0x0084	≤37.9 KB	keyframe 全面 ~35 KB（1120枚）/ 平常 ~7 KB（~223枚）
updates（ネームテーブル差分）	+0x9802	≤21.7 KB	≤2.2 KB（最大1120セル×2B）
diag / header	+0xAF00	~256 B	固定
SP scratch（CTRL/PAD）	+0x10000	~8 KB	≤2.2 KB（control 線形化）
1M バンク使用（出力窓）		~44 KB 確保	平常 ~9 KB（7%）/ keyframe ~37 KB（29%）— 128KB中

Main-RAM — Main CPU（Genesis 68000）ワーク RAM — 64 KB

領域	オフセット	確保	H40フル使用
program + shadow + vars	0xFF0000	8 KB	shadow 1120×2=2.2 KB ＋プログラム
DMA_STAGE（タイル整列）	0xFF2000	24 KB	≤24 KB（~768枚, VDP DMA 源）/ 平常 ~9 KB
RUN_TABLE	0xFF8000	8 KB	~0.5 KB（~128ラン×4B）
DBG_STAGE + heap	0xFFA000	~23 KB	小（フォント色替え等）
stack	0xFFFD00	—	—
Main-RAM 使用（ワーキングセット）		64 KB 全域に配置	平常 ~11 KB（17%）/ peak ~29 KB（45%）— 64KB中

使用率をひと目で（H40フル）

pie showData title PRG-RAM 512KB 使用率
    "使用 472KB (92%)" : 472
    "空き 40KB (8%)" : 40

pie showData title Word-RAM 1Mバンク 128KB 使用率(keyframe)
    "出力窓 使用 37KB (29%)" : 37
    "空き 91KB (71%)" : 91

pie showData title Main-RAM 64KB 使用率(peak)
    "使用 29KB (45%)" : 29
    "空き 35KB (55%)" : 35

要点: **PRG-RAM は RING（先読み貯水池）でほぼ満杯（92%）**＝ここが一番のメモリ消費源。一方 1M バンクと Main-RAM は余裕がある（平常 1 桁 %、keyframe/peak でも 3〜5 割）。これは意図通りで、CD 供給のジッタを PRG の大きなタンクで吸収し、フレーム毎に触る共有バッファ（1M）と整列バッファ（Main-RAM）は小さく速く保っている。

データが流れる先（どのメモリへ何が入るか）

flowchart LR
    CD["CDドライブ<br/>連続 ROM_READN"] -->|セクタ CDC DMA| APPLY["PRG apply<br/>34KB"]
    APPLY --> RING[("PRG RING 貯水池<br/>420KB / 使用 380KB=90%")]
    RING -->|パターン pop| WB["Word-RAM 裏バンク<br/>128KB / 使用 9〜37KB"]
    WB -->|CMD_SWAP| WF["Word-RAM 表バンク<br/>128KB"]
    WF -->|タイル copy| STAGE["Main-RAM DMA_STAGE<br/>24KB / peak 使用 24KB"]
    STAGE -->|VBLANK DMA| VRAM["VDP VRAM → 画面"]
    RING -.887B/frame.-> PCM["RF5C164 PCM"]

フェーズ別メモリ使用量（H40フル）

フェーズ	主に使うメモリ	H40フル使用（率 / KB）
① CD 吸上（SP）	PRG apply ＋ RING 補充	RING 380 / 420 KB（90%）、apply ≤34 KB
② 復号・展開（SP）	Word-RAM 裏バンク（出力窓）	平常 9 / 128 KB（7%） / keyframe 37 / 128 KB（29%）
③ Main 読取＋整列（MD）	Main-RAM DMA_STAGE	平常 ~9 / 64 KB（14%） / peak 24 / 64 KB（38%）
④ VBLANK DMA（MD）	DMA_STAGE → VRAM（排出）	上の stage をそのまま VRAM へ流す
⑤ CRAM＋flip（MD）	Main-RAM `shadow[1120]`	2.2 / 64 KB（3%）

1 movie frame 期間を並べて見る

ソース本来のレート（例: 15 fps NTSC）では、1 movie frame は 60Hz フィールド 4 枚＝ VBLANK 窓 4 回 ぶん。以下はすべてこの 1 期間の中で、2 CPU に並列で起きる。時間は左→右。右端の [mem] は各レーンがそのフェーズで触るメモリの H40フル使用量。

              ┌──────────────── movie frame 期間 (≈66.7 ms @15fps = 4フィールド) ────────────────┐
 フィールド   │  active走査    ░VB░│  active走査    ░VB░│  active走査    ░VB░│  active走査    ░VB░│
 /VDP         │  (ここでDMA不可)   │  DMA窓 ~1.3ms      │  DMA窓             │ CRAM+flip @頭     │
              ├────────────────────┼────────────────────┼────────────────────┼────────────────────┤
 CD  (SP)     │══ ROM_READN: セクタが流れ込み続ける, ドライブは再シークしない ═══════════════════▶  [PRG apply 34KB]
              │   (pump_poll が余裕+セクタ準備の時だけ CDC → PRGリング/applyリング へ吸上)          [RING 380/420KB=90%]
              ├────────────────────┴────────────────────┴────────────────────┴────────────────────┤
 Sub CPU (SP) │ frame N+1 の5セクタ吸上 → control復号 → WORD-RAM *裏* へ展開                       │  [Word裏 出力窓]
              │ ├ payload: 32B 新規タイルパターン → PRGリング (CDC_TRN DMA)                        │  [平常 9/128KB=7%]
              │ ├ control: bitmap + ネームテーブルentry → 裏バンクのセル                           │  [key 37/128KB=29%]
              │ └ 887B PCM → RF5C164 wave リング     ······ そして: CMD_SWAP を待つ ······─────────▶│swap│READY
              ├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
 Word RAM     │  表 = frame N   (Mainが読/DMA)  ┃  裏 = frame N+1  (Subが書) ────┈┈ swap ┈┈▶ 役割反転  [各128KB×2]
              ├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
 Main CPU(MD) │ 表を読む: DMA_STAGE へ整列 │ ▓STAGE→VRAM DMA▓ │ ▓DMA継続▓ │ CRAM+flip │→ CMD_SWAP     [DMA_STAGE]
              │ (Pass1: CPUコピー, active中も可)  │ (Pass2: VBLANK内のみ, ≤予算/field)          │  ▲原子的  [≤24/64KB=38%]
              ├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
 PCM(RF5C164) │▶▶▶ wave-RAMリングをハードが連続再生(映像と独立) ▶▶▶                                   │  [wave-RAM ~別領域]
              │    Sub は書込ポインタをハード再生カーソルの SYNC_MIN..SYNC_MAX 先に保つ               │
              └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                    2 CPU が出会うのは破線の所だけ: CMD_SWAP / STAT_READY バリア

要点: バリアはフレームに 1 回で、VBLANK ごとではない。 バリアの間は 2 CPU が逆バンクで完全に独立して走る。Main の DMA は VBLANK に収まるよう刻まれ、Sub の復号＋ CD 吸上が残りの実時間を埋める。

各レーンの詳細

Sub CPU（SP）— 生成側（`movieplay_sp.s`）

process_frame:                       1回の呼び出し = 1フレームを裏バンクへ復号
  ├─ pf_pump   : このフレームの5セクタが届くまで pump1 で CDC を吸上 (→ apply 34KB)
  ├─ seq check : control の frame_seq が期待index と一致するか
  │              不一致 → desync: そのフレームを破棄, 前コマ維持(0更新), 回数を計上
  ├─ fetch_control : 可変長 control ブロックを PRG→Word-RAM scratch へコピー
  └─ expand_frame  : bitmap を走査 → 立ったセル毎にネームテーブルentry(base+slot)を書く
                     coldセルはリング(貯水池420KB)から32Bパターンをそのスロットへpop。
                     その後887B PCM給餌
stream_loop:
  process_frame → CMD_SWAP を待つ間 (pump_poll)*
                → bchg #0,MEMMODE+1 (バンクswap) → swap_settle → STAT_READY

pump_poll が安全弁。 ループの至る所で—Main を待つ間でも—呼ばれ、CDC セクタが滞留して落ちないようにする。PRG リングと apply リングに空きがありかつ実際にセクタが準備できている（CDC_STAT）時だけ吸うので、バッファを溢れさせない。
RING（貯水池）がジッタ吸収の要。 H40フルでは 12160 枚（380KB）まで先読みを溜め、 CD 供給が一時的に足りないフレームでも枯渇せずパターンを供給する（それでも供給が続かなければ starved フレームになる）。
連続読み中、Sub CPU は PRG-RAM へバースト書込みしない（固まる）。payload は CDC_TRN DMA で PRG に届き、Sub はパターン pop 時に PRG を読むだけ。出力は Word RAM（書込安全）。

Main CPU（MD）— 消費側（`movieplay_ip.s`）

build_frame:
  ├─ Pass1 (active中も可): 表バンクを読み、タイルDMAのラン表を作り、必要分を DMA_STAGE(24KB) へ整列
  │                        (遅いCPU作業をVBLANK外でやる。VDP DMAの源は必ずMain-RAM)
  ├─ Pass2 (VBLANK内のみ): DMA_STAGE の新規タイルパターンを Main-RAM → VRAM へ DMA。
  │        d7 = md_vbudget 語の予算/フィールド (H32=2800, H40=3400, dmabench実測)。
  │        1フィールドの予算を超えるフレームは分割し次VBLANKへ継続=DMAはactiveに入らない。
  └─ bf_flip (新しいVBLANKの頭で, その1フィールド内に原子的):
         render_dbg(HUDを裏へ) → 区間が変われば CRAM入替 → do_flip(VDPが新フレーム表示)。
         shadow[1120](セル→エントリ表)は Main-RAM 常駐で差分適用に使う。
play_loop:
  build_frame → swap_or_end: CMD_SWAP送出, STAT_READY待ち (または STAT_END)

タイル転送は DMA（VDP が自走し CPU を空ける）だが、VBLANK 内のみ・モード別語予算まで。 これが最重要のタイミング規則: VBLANK 超過が画面を壊す元凶。
DMA_STAGE（24KB）が Main-RAM 最大の消費。VDP の DMA 源は必ず Main-RAM なので、 Word-RAM から読んだ 1 フレーム分のタイル（H40フルで最大 ~768 枚）をここへ整列してから流す。
CRAM（パレット）入替と flip は同一 VBLANK で行う。 別々だと一瞬「旧フレーム×新パレット」が見える。

Word-RAM の ping-pong

        frame N              frame N+1             frame N+2
      ┌─────────┐          ┌─────────┐           ┌─────────┐
BankA │ Main 読 │  ─swap→  │ Sub 書  │   ─swap→   │ Main 読 │  …   各面 128KB
BankB │ Sub 書  │          │ Main 読 │            │ Sub 書  │      出力窓 9〜37KB使用
      └─────────┘          └─────────┘           └─────────┘
   MEMMODE bit0 が CMD_SWAP 毎にトグル; Sub が書き終えたバンクが次フレームで Main の読みバンクに。

音声のデカップリング

RF5C164 は自分のクロックで wave-RAM リングを再生する。Sub CPU はフレーム毎に 887 バイト （13.3 kHz mono 8bit PCM）をそのリングへ書き、書込ポインタをハード再生カーソルの少し先に置き、映像ジッタでズレたら SYNC_MIN … SYNC_MAX の窓へ戻す。だから音声タイミングは PCM チップの再生カーソルに紐づき、映像のフレームバリアには 依存しない — 遅い映像フレームがあっても音声はクリックしない。

同期が保たれる理由（不変条件）

バリアはフレームに1回。 CMD_SWAP → STAT_READY が唯一のランデブー。間は 2 CPU が逆バンクで自分のペースで走る。
連続CD, 機会的に吸上。 読みは再開しない; pump_poll が全ての待ちで CDC を吸うのでセクタを落とさない。CD 供給のジッタは PRG の RING（貯水池 380/420KB） が吸収する。
DMAはVBLANKに封じ, モード別に予算化。 大きいフレームは連続VBLANKへ分割、activeへ入らない。DMA 源は Main-RAM の DMA_STAGE（≤24KB） に整列済み。
パレット+flipは同一VBLANK内で原子的。
音声はPCM再生カーソルに乗る, 映像バリアと独立。

破綻する時（とガード）

症状	原因	プレイヤーのガード
フレームが裂ける/化ける	DMAがVBLANKを超えactiveへ	モード別語予算, フィールド跨ぎ分割
画面全体が崩壊	CDCセクタ落ち→ストリームdesync	`frame_seq` チェック→フレーム破棄, 前コマ維持, 計上
runaway read/クラッシュ	コンパクトブロックのcount破損	残数へクランプ, 0を終端扱い
音声クリック/途切れ	wave リング underrun / lead 誤り	書込ptrを再生カーソルの `SYNC_MIN…SYNC_MAX` に保つ
一瞬フリーズ/コマ落ち	CD供給が続かず RING 枯渇	RING(貯水池420KB)で吸収; それでも尽きれば starved フレーム
新規タイルに暗い破線	Word-RAM源DMAが先頭ワードを落とす	dst[0]をCPU書き, 残りを `src+2 → dst+2` でDMA

出典: boot/movieplay_sp.s（Sub）と boot/movieplay_ip.s（Main）。メモリ数値は H40フル（out/movieplay/MOVIE.DAT = 40×28 / 1120セル / pool 1400 / ring_peak 12160枚 = 380KB）の実測ビルドに基づく。モードは H32（256×224）と H40（320×224）が同じパイプラインを共有し、モード別値は VBLANK の DMA 語予算だけ。フレームレートはソース本来のレートなので、1 movie frame あたりの VBLANK 窓数 = 60 / fps。

akiyan/playback_timeline.md

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SEGA-CD Tile Texture Reuse Codec — 実機再生タイムライン（68000 二基）

登場するハードウェア（メモリ容量つき）

フレームハンドシェイク（誰が誰に合図するか＋各フェーズのメモリ）

メモリマップと使用量（H40フル 320×224 / 40×28 / 15fps）

PRG-RAM — Sub CPU ワーク RAM — 512 KB

Word-RAM 1M バンク — 共有ダブルバッファ — 128 KB ×2

Main-RAM — Main CPU（Genesis 68000）ワーク RAM — 64 KB

使用率をひと目で（H40フル）

データが流れる先（どのメモリへ何が入るか）

フェーズ別メモリ使用量（H40フル）

1 movie frame 期間を並べて見る

各レーンの詳細

Sub CPU（SP）— 生成側（`movieplay_sp.s`）

Main CPU（MD）— 消費側（`movieplay_ip.s`）

Word-RAM の ping-pong

音声のデカップリング

同期が保たれる理由（不変条件）

破綻する時（とガード）

akiyan/playback_timeline.md

SEGA-CD Tile Texture Reuse Codec — 実機再生タイムライン（68000 二基）

登場するハードウェア（メモリ容量つき）

フレームハンドシェイク（誰が誰に合図するか＋各フェーズのメモリ）

メモリマップと使用量（H40フル 320×224 / 40×28 / 15fps）

PRG-RAM — Sub CPU ワーク RAM — 512 KB

Word-RAM 1M バンク — 共有ダブルバッファ — 128 KB ×2

Main-RAM — Main CPU（Genesis 68000）ワーク RAM — 64 KB

使用率をひと目で（H40フル）

データが流れる先（どのメモリへ何が入るか）

フェーズ別メモリ使用量（H40フル）

1 movie frame 期間を並べて見る

各レーンの詳細

Sub CPU（SP）— 生成側（movieplay_sp.s）

Main CPU（MD）— 消費側（movieplay_ip.s）

Word-RAM の ping-pong

音声のデカップリング

同期が保たれる理由（不変条件）

破綻する時（とガード）

Sub CPU（SP）— 生成側（`movieplay_sp.s`）

Main CPU（MD）— 消費側（`movieplay_ip.s`）