게임 포트

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1. 개요
2. 역사
3. 하드웨어
4. 소프트웨어
5. IBM PC 호환 기종 외에서의 이용
참조

1. 개요

게임 포트는 1981년 IBM PC 출시와 함께 등장한 게임 컨트롤러 연결 포트이다. 초기에는 확장 카드 형태로 제공되었으며, 2개의 조이스틱 또는 4개의 패들을 연결할 수 있었다. 사운드 블래스터 사운드 카드에 통합되면서 널리 사용되었지만, USB의 등장으로 인해 2000년대 이후에는 마더보드와 사운드 카드에서 사라졌다. 게임 포트는 DA-15 단자를 사용하며, 아날로그 채널과 버튼 입력을 지원하고, MIDI 포트로도 활용되었다. 소프트웨어적으로는 윈도우 95 이후 표준화된 레지스트리 항목과 DirectX를 통해 기능이 확장되었으며, 캘리브레이션이 필요했다.

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게임 포트
개요
종류	조이스틱 입력 포트
다른 이름	게임 컨트롤 어댑터 (Game Control Adapter)
용도	컴퓨터 장치 포트
기술 정보
설계자	IBM
물리적 연결 장치	DA-15
핀 수	15
핫플러그	예
외부 연결	예
핀 배열
핀 1	+5V DC
핀 1 이름	+5V
핀 2	버튼 1
핀 2 이름	B1
핀 3	조이스틱 1의 X축 (0–100 kΩ)
핀 3 이름	X1
핀 4	B1 접지
핀 4 이름	GND
핀 5	B2 접지
핀 5 이름	GND
핀 6	조이스틱 1의 Y축 (0–100 kΩ)
핀 6 이름	Y1
핀 7	버튼 2
핀 7 이름	B2
핀 8	+5V DC
핀 8 이름	+5V
핀 9	+5V DC
핀 9 이름	+5V
핀 10	버튼 3 (조이스틱 2의 B1)
핀 10 이름	B3
핀 11	조이스틱 2의 X축 (0–100 kΩ)
핀 11 이름	X2
핀 12	버튼 3 및 4 접지 (또는 MIDI 출력)
핀 12 이름	GND
핀 13	조이스틱 2의 Y축 (0–100 kΩ)
핀 13 이름	Y2
핀 14	버튼 4 (조이스틱 2의 B2)
핀 14 이름	B4
핀 15	+5V DC (또는 MIDI 입력, 때때로 연결되지 않음)
핀 15 이름	+5V
대체
대체 기술	USB

2. 역사

게임 포트는 초대 IBM PC (모델 5150)가 등장했을 때 순정 옵션 카드로 제공되었다.^[26] IBM은 자체 조이스틱을 제공하지 않아^[30] 보급이 잘 이루어지지 않았지만, 사운드 블래스터가 사실상 표준이 되면서 이 카드에 게임 포트가 표준으로 채용되어 널리 이용되었다.^[31] 이전에는 병렬 포트, 시리얼 포트, PS/2 커넥터 등을 게임 컨트롤러용 포트로 사용하려는 시도가 있었지만, 게임 포트가 이를 대체하였다.

이후 사운드 블래스터 호환 음원이 마더보드에 탑재되면서 게임 포트도 함께 탑재되었다. 이러한 마더보드에서는 MIDI 포트 및 게임 포트 설정(I/O 주소 등)을 BIOS에서 할 수 있었다.

1990년대 후반, 플러그 앤 플레이 기능이 뛰어난 USB가 등장하여 표준 게임 컨트롤러 커넥터로 자리 잡았다. 그러나 게임 포트는 기기 측에 지능형 컨트롤러를 필요로 하지 않고 저렴하게 기기를 제조할 수 있다는 장점이 있어, 아날로그 조이스틱이나 게임패드 연결에 여전히 사용되기도 했다.

2000년대 이후 USB 보급으로 마더보드에 게임 포트를 내장한 PC는 거의 찾아볼 수 없게 되었고, 사운드 카드에서도 게임 포트가 생략되었다.^[32] Radio Shack과 같은 소매업체는 USB를 통해 구형 게임 컨트롤러를 사용할 수 있는 어댑터를 판매하기도 했다.

2. 1. IBM PC 이전의 게임 포트

아타리 조이스틱 포트는 IBM PC 게임 포트 이전에 사실상 표준으로 사용되었다. 이 포트는 1977년 아타리 비디오 컴퓨터 시스템과 함께 도입되었으며, 이후 VIC-20, 코모도어 64 등에서도 사용되었다.^[1]

IBM 디자인과 달리, 아타리 포트는 주로 디지털 입력(각각 단일 푸시버튼 트리거가 있는 2축/4접점 디지털 조이스틱 한 쌍 포함)을 위해 설계되었다. 유일한 아날로그 연결은 패들^[1]용으로 의도되었지만, 포트당 두 개의 아날로그 입력이 있었으므로, 각 포트는 이론적으로 2축 아날로그 조이스틱, 터치패드, 트랙볼, 또는 마우스^[2]^[3]^[4]를 지원할 수 있었다.

애플 II,^[5] BBC Micro,^[6] TRS-80 컬러 컴퓨터^[7] 등 다른 인기 있는 8비트 기기들은 모두 서로 호환되지 않는 다른 조이스틱과 포트를 사용했다.

2. 2. 초기 IBM PC 게임 포트

1981년 IBM PC 출시 당시, 게임 포트는 '게임 컨트롤 어댑터'라는 이름의 선택적인 확장 카드 형태로 제공되었다.^[36]^[37] 이 디자인은 Y-스플리터 케이블을 통해 2개의 조이스틱 또는 4개의 패들을 연결할 수 있게 하였다.^[38]

초기에는 확장 카드 형태로만 제공되었기 때문에 게임 포트는 드물게 사용되었으며, 대부분의 게임은 키보드를 입력 장치로 사용했다.^[8] IBM은 자체 조이스틱을 출시하지 않아 보급에 어려움을 겪었다.^[30] 1980년대 중반, 기능이 통합된 확장 카드가 등장하면서 게임 포트가 점차 보편화되기 시작했다.^[14]

2. 3. 사운드 카드와의 통합

사운드 블래스터의 등장으로 게임 포트의 사용이 크게 증가했다. 크리에이티브 랩스는 사운드 카드에 게임 포트를 통합하여 올인원 게임 솔루션을 제공했다.^[15] 사운드 블래스터는 게임 포트의 미사용 핀을 활용하여 외부 MIDI 포트 어댑터를 구동할 수 있게 했다. 이전의 MPU-401과 같은 MIDI 시스템은 자체 확장 카드와 복잡한 외부 어댑터가 필요했지만, 사운드 블래스터는 저렴한 어댑터만으로 동일한 결과를 얻을 수 있었다.^[15] 그 결과, 사운드 블래스터는 PC에서 가장 많이 판매되는 확장 카드가 되었고, 게임 포트는 광범위한 소프트웨어 지원을 받게 되었다.

1990년대 초반, 랩톱을 제외한 대부분의 PC에서 사운드 카드를 통해 게임 포트가 보편적으로 지원되었다.^[12] 1990년대 후반에는 마더보드에 사운드 기능이 통합되면서 게임 포트도 함께 탑재되기 시작했다. 2001년 8월까지 모든 사운드 블래스터 카드에는 게임 포트가 포함되었다.^[17]

2. 4. USB로의 대체

1996년 최초의 USB 표준 도입은 게임 포트가 제공하는 역할에 정면으로 겨냥했지만, 초기에는 시장에 미치는 영향이 미미했다. 이후 아이맥이 출시되면서 USB를 선호하여 레거시 포트가 제거되었고, 이는 시장에서 USB의 급속한 확장을 시작했다.^[18] 이로 인해 USB를 사용하는 새로운 게임 장치가 등장하고, 어댑터가 널리 보급되었다. 예를 들어, 1997년 마이크로소프트 프리시전 프로 조이스틱은 게임 포트 커넥터를 사용하는 버전으로 다시 출시되었지만, 상자에 USB 어댑터도 포함되었다.^[19] USB의 급속한 보급으로 인해, 1998년 다음 해에 프리시전 프로 2가 출시되었을 때는 이는 불필요하게 되었다. 2000년까지 게임 포트는 이제 구식이 된 장치와의 하위 호환성을 위한 용도로만 사용되었다.

마이크로소프트 윈도우는 윈도우 비스타부터 게임 포트 지원을 중단했지만,^[20] USB 컨버터를 사용하여 이를 우회할 수 있다.

USB가 보급된 2000년대 이후에는 마더보드에 게임 포트를 내장한 PC는 거의 찾아볼 수 없게 되었다. 또한 사운드 카드에서도 게임 포트가 생략되었다.^[32]

3. 하드웨어

게임 포트는 DA-15 단자를 사용하여 4개의 아날로그 채널과 4개의 버튼 입력을 지원한다.^[39] 이 단자는 주로 2개의 조이스틱(각각 2개의 버튼 포함)을 연결하는 데 사용되지만, 각각 하나의 버튼이 있는 4개의 패들 컨트롤러를 연결할 수도 있다.^[39] 이 포트는 4개의 +5V 전원 공급과 대부분의 버튼을 위한 별도의 접지(ground)를 포함하며, 아타리 게임 포트처럼 단일 +5V와 접지를 모든 채널에 사용할 수 있다.^[39]

게임 포트는 원래 전용 ISA 카드에 장착되었다. 1990년대 초반부터는 PC I/O 또는 사운드 카드로 통합되면서, MIDI 악기 연결에도 활용되었다.

아날로그 채널은 전위차계(100,000Ω)를 통해 전압을 보내고 커패시터로 전압을 읽는 방식으로 작동한다. 커패시터 전압이 특정 임계값을 넘는 데 걸리는 시간은 전위차계의 저항(물리적 위치)에 따라 달라진다. PC는 비디오 기능을 확장 카드에서 제공하기 때문에, 별도의 클럭이 없다. 대신 소프트웨어 루틴을 통해 커패시터 방전을 트리거하고, 게임 포트를 폴링하여 충전 시간을 측정한다.

3. 1. 커넥터

게임 포트는 DA-15(DB-15로 잘못 불리기도 함) 커넥터를 사용하며, 4개의 아날로그 채널과 4개의 버튼 입력을 지원한다.^[21] 보통 2개의 조이스틱(각각 2개의 버튼)을 연결하는 데 사용되지만,^[39] 패들 컨트롤러 4개(각각 버튼 하나) 또는 2개의 아날로그 스틱과 4개의 버튼이 있는 단일 게임패드를 지원할 수도 있다.^[21]

3. 2. 회로

게임 포트의 DA-15 단자는 아날로그 채널과 버튼 입력을 위한 기능을 갖추고 있다. 아날로그 입력은 주로 조이스틱의 기울기 정도를, 디지털 입력은 버튼의 눌림을 감지하는 데 사용된다.^[26]

아날로그 입력은 가변 저항(보통 100kΩ 권장)을 사용하여 전압을 측정하는 방식으로 작동한다.^[26] 아날로그 입력 장치는 전원(Vcc, 5V)과 각 아날로그 단자(3, 6, 11, 13핀) 사이에 100kΩ의 가변 저항을 연결한다. 인터페이스는 원샷 타이머 회로를 사용하여 가변 저항 값을 펄스 생성 시간으로 변환하여 CPU가 값을 읽도록 한다.^[26] IBM 정품 카드의 경우, 가변 저항 값(r)과 펄스 생성 시간(Time)은 다음 관계를 갖는다.^[26]

:

Time = 24.2 + 0.011r [\mu sec]

디지털 입력은 각 단자(2, 7, 10, 14핀)와 GND 사이에 트리거 버튼 등의 스위치를 연결하여 사용한다. 각 입력 단자는 전원 전압으로 풀업되어 GND와의 단락, 즉 스위치 조작 여부를 감지한다.^[26]

3. 3. MIDI 포트

사운드 블래스터와 같은 사운드 카드에 탑재된 게임 포트는 커넥터의 여분 단자를 활용하여 MIDI 신호를 연결할 수 있도록 설계되었다(Pin15는 MIDI IN, Pin12는 MIDI OUT).^[22] 이는 게임 배경음악(BGM) 재생에 MIDI가 활용되었기 때문이다.

MIDI 규격은 입출력 단자로 5핀 DIN 커넥터를 사용하고, 신호를 전류 값으로 전달한다. 반면 게임 포트는 DA-15 커넥터를 사용하며, 신호는 전압 값으로 전달된다. 따라서 게임 포트에 MIDI 기기를 직접 연결할 수는 없으며, 전압-전류 변환 회로를 갖춘^[28] 변환 커넥터나 변환 케이블이 필요하다.

일반적으로 이 케이블은 수컷 및 암컷 DA-15와 2개의 수컷 5핀 DIN 커넥터로 구성되어 있다. 게임 컨트롤러와 음원 모듈을 동시에 사용하려면 게임 포트와 MIDI OUT 포트를 함께 사용해야 하며, 이를 위해 변환 커넥터 기능을 겸한 분기 케이블이 사용된다.

MIDI 포트용 하드웨어 및 장치 드라이버는 롤랜드의 MPU-401 MIDI 인터페이스(UART 모드)를 기반으로 하며,^[29] Windows 및 MS-DOS용 MPU-401 애플리케이션을 지원한다.^[22]

4. 소프트웨어

초기에는 조이스틱을 실행하기 위한 표준화된 소프트웨어가 없었다. 애플리케이션은 게임 루틴의 일부로 스틱과 관련된 포트를 폴링해야 했다. 이는 활성 장치를 찾고, 열거하고, 보정하는 등의 관리 작업을 모든 애플리케이션에 맡겼다. 윈도우 95에서는 Windows 레지스트리 항목을 도입하여 이러한 값을 저장하고 애플리케이션이 장치를 쉽게 찾을 수 있도록 변경되었다. DirectX는 "조이스틱 미니 드라이버"를 통해 DirectInput을 확장하여 여러 기능을 제공했는데, 여기에는 최대 6개의 아날로그 축, POV(Point-of-View) 해트, 최대 64개의 버튼 지원이 포함되었다. 또한 게임 포트뿐만 아니라 모든 인터페이스를 사용하여 연결할 수 있는 최대 16개의 장치를 지원했다.^[26]

4. 1. 데이터 획득 및 프로그래밍

CPU는 I/O 주소(일반적으로 x201)를 통해 게임 포트의 디지털 및 아날로그 각 입력 단자의 상태를 읽을 수 있다. 해당 주소의 Bit0~3은 각 아날로그 단자의 펄스 상태를, Bit4~7은 각 디지털 입력 단자의 상태를 나타낸다.^[26]

아날로그 입력 단자의 저항값은 일반적으로 다음 절차에 따라 얻어진다.

1. 게임 포트에 할당된 I/O 주소에 쓰기를 수행한다. 이것으로 가변 저항 값에 따른 펄스 출력이 시작된다 (Bit0~3이 0이 된다).

2. 주기적으로 I/O 주소를 읽고, Bit0~3의 각각이 0인 상태가 몇 번 감지되었는지를 카운트한다.

3. Bit0~3이 모두 1이 되거나, 절차 1부터 충분한 시간이 경과할 때까지 절차 2를 반복한다.

닌텐도의 조이스틱과 같은 디지털 입력만 있는 인터페이스는 프로그래머가 다루기 쉽지만, 게임 포트는 입력을 읽기 위해 타이밍에 맞춰 소프트웨어 인터럽트 등으로 트리거를 걸어야 한다. 예를 들어, 256단계의 분해능을 얻기 위해서는 약 4.4 마이크로초 간격으로 I/O 주소에 수백 번 접근해야 한다. 이 때문에 일반적인 디지털(TTL) 조이스틱 포트에 비해 게임 포트는 읽기에 CPU 시간을 상당히 소비하며 성능 문제를 일으킬 수 있다.

4. 2. 캘리브레이션

게임 포트의 아날로그 입력을 사용하는 모든 종류의 컨트롤러는 캘리브레이션을 필요로 한다.^[1] 가변 저항 값과 컨트롤러의 입력 상태 간의 관계는 정해져 있지 않으며, 가변 저항 값과 원샷 타이머의 펄스 출력 시간은 인터페이스 카드 회로 구성에 따라 변화할 수 있기 때문이다. 게임 포트에 연결되는 장치가 조이스틱인 경우, 전형적으로 스틱이 중간 위치일 때와 최대로 기울였을 때의 펄스 출력 시간을 측정함으로써 캘리브레이션이 수행된다.^[1]

MS-DOS에서는 게임 포트를 사용하는 게임마다 게임 프로그램 자체에서 캘리브레이션을 수행해야 했다.^[1] 이 캘리브레이션은 게임 시작 시에 수행되었으며, 몇몇 빈약한 캘리브레이션 코드로 인해 게임 컨트롤러를 적절하게 동작시키는 데 실패하는 경우도 있었고, 일부 게임에서는 게임 컨트롤러를 사용할 수 없게 되는 경우도 있었다.^[1]

윈도우 XP 등 후세대 OS에서는 게임 소프트웨어 자체에서 캘리브레이션을 수행하지 않고, OS의 제어판에서 캘리브레이션을 수행하도록 되어 있다.^[1]

4. 3. 기능 확장

원래 4개까지만 버튼을 지원하는 사양 때문에, 5개 이상의 버튼을 가진 게임 컨트롤러는 전용 드라이버가 필요했다. 예를 들어, hat 스위치라고 불리는 소형 십자 버튼을 스틱 선단에 설치한 조종간형 조이스틱이 있는데, 3개 이상의 버튼을 가진 조이스틱에 hat 스위치를 추가하면 hat 스위치에 의한 입력 방향을 아날로그 값으로 출력하거나 버튼 출력을 동시에 누르는 등의 수단이 사용되었다.^[33]

Microsoft SideWinder|마이크로소프트 사이드와인더^영어와 같은 게임 포트를 사용한 하이엔드 게임 컨트롤러는 4개의 표준 버튼 입력이나 미사용 핀에 독자적인 데이터 스트림을 다중화하여, 복수의 조이스틱을 데이지 체인 연결하거나, 몇 가지 조건에서 조이스틱을 프로그래밍할 수 있었으며, 16개나 20개 등 많은 버튼을 완벽하게 지원했다.^[34] 또한, 제어 신호를 MIDI 메시지로서 PC 측으로부터 수신하여 내장된 모터를 구동시키는 포스 피드백 기능을 실현한 컨트롤러도 발매되었다.^[35]

그러나 전용 드라이버를 필요로 하는 게임 컨트롤러는 더 많은 CPU 시간을 소비하거나, 사용할 수 있는 환경이 드라이버가 대응하는 OS나 게임에 의존하는 등의 결점이 지적된다.

몇몇 하드웨어나 DIY 애호가는 전압이나 전류 측정, 단순한 인터페이스나 데이터 취득 방법 등을 조합해, 게임 포트에 접속하는 입력 장치를 복수 접속하고 다른 애플리케이션에서 그것들을 다루는 방법을 발견했다.

5. IBM PC 호환 기종 외에서의 이용

PC-9800 시리즈용 사운드 블래스터나 NEC 순정 PC-9801-118 사운드 카드는 게임 포트를 갖추고 있어, 게임 포트를 지원하는 DOS용 소프트웨어와 윈도우 환경에서 게임 포트를 지원하는 컨트롤러를 사용할 수 있었다.

참조

_[1] 서적 Atari Hardware Manual http://www.atarimani[...] Atari 1982
_[2] 웹사이트 Atari Party 2014 - Photos http://www.newbreeds[...] New Breed Software 2023-03-26
_[3] 간행물 Image Technology https://books.google[...] Popular Photography 1984-12
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_[27] 문서 ただし、この仕様が最初に採用されたAtari 2600ではゲームポートと同様のアナログ入力端子も備えられている (国内のパソコンやAtari STではアナログ端子は削除されている)
_[28] 웹사이트 Build a MIDI cable for your Sound Blaster http://www.cryogeniu[...] 2016-12-31
_[29] 문서 MPU-401は (CPUから見て) シンプルなシリアルポートとして機能するUARTモードと、データ送受信のタイミング制御等をMPU-401側で行うインテリジェンスモードを備えている。DOS用のゲームにはCPUの負担の小さいインテリジェンスモードが利用される場合が多かった。
_[30] 문서 家庭向け製品のIBM PCjr|PCjr向けに純正のジョイスティックが提供されたが、ゲームポートとは異なる形状のコネクタが用いられた (ソフトウェア的にはゲームポート互換)
_[31] 문서 英語版Wikipedia https://en.wikipedia[...] 2016-12-31
_[32] 문서 例えばSound Blasterにおいては、2004年に登場したSound Blaster Audigy 4以降のカードにはゲームポートは付属していない。一世代前のAudigy 2においては基板上にゲームポート用のピンヘッダが設けられておりオプションでゲームポートを増設可能である (廉価版のカードの中にはこのピンヘッダが省略されているものもある)
_[33] 웹사이트 Reading hat switches on PC gameport joysticks https://davenunez.wo[...] 2018-08-12
_[34] 특허 APPARATUS AND METHOD FOR BIDIRECTIONAL DATA COMMUNICATION IN A GAME PORT
_[35] 웹사이트 Controlling Force Feedback of Microsoft Sidewinder Force Feedback Pro Joystick https://github.com/t[...] 2018-08-12
_[36] 뉴스 The IBM Personal Computer / First Impressions https://archive.org/[...] 1981-10-01
_[37] 웹인용 The Game Control Adapter http://mysite.du.edu[...] 2002-08-18
_[38] 저널 ABM advertisement https://books.google[...] 1983-07-01
_[39] 웹인용 PC Gameport (Joystick) pinout http://pinouts.ru/In[...]

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