SternFA

MPU Stern / Bally à base de FPGA

Version matérielle 1.0 et 1.1

Version logicielle x.30 (1.30, 3.30, 4.30)

manuel d'utilisation

ralf@lisy.dev

v1.30 23.10.2026

Version française de SternFA_HW1_x_user_manual.html. Deutsche Fassung: SternFA_HW1_x_Bedienungsanleitung.html. La numérotation des chapitres est la même dans les trois versions.

Ce manuel décrit les cartes plus anciennes, matériel 1.0 et 1.1, avec le logiciel x.30. Il remplace le manuel v1.04.

Pour le matériel 2.0 (cartes v2.00 à v2.02, avec le support ESP32), il existe un manuel séparé : SternFA_manuel_utilisateur.html.

Vous venez du manuel v1.04 ? L'anti-scintillement se trouve maintenant sur l'option Dip5, et non plus sur Dip4 (depuis le logiciel x.06, chapitre 4.2). Et à partir de x.30, la carte fonctionne aussi sans carte SD (chapitre 5.3).

Table des matières

• Remarque importante
• 1. Introduction
• 2. Démarrage rapide
• 3. Installation
  • 3.1. Ce que SternFA remplace et ce qu'il ne remplace pas
  • 3.2. Ce qui se trouve sur la carte
• 4. Réglage des interrupteurs DIP
  • 4.1. Banc DIP S1 : choix du jeu
  • 4.2. Banc DIP S2 : options
    • 4.2.1. S2-Dip1 -> émulateur de zero cross
    • 4.2.2. S2-Dip2 -> sauvegarde continue du nvram
    • 4.2.3. S2-Dip3 -> forcer un jeu Bally
    • 4.2.4. S2-Dip4 -> non utilisé
    • 4.2.5. S2-Dip5 -> anti-scintillement pour les jeux à LED
    • 4.2.6. S2-Dip6 -> initialisation du nvram
  • 4.3. Les interrupteurs DIP ne sont lus qu'une fois, au démarrage
• 5. Séquence de démarrage
  • 5.1. Phase 1 : l'affichage d'informations
  • 5.2. Phase 2 : lecture de la carte SD
  • 5.3. Fonctionnement sans carte SD (x.30)
  • 5.4. Phase 3 : exécution du programme
• 6. Boutons et LED de la carte
  • 6.1. Les trois LED d'état
  • 6.2. Les boutons
• 7. La carte SD
• 8. ROM de jeu dans la flash du FPGA
• 9. Crédits et meilleurs scores
• 10. Programmer le FPGA
• 11. Variantes de carte
• 12. Historique des versions
• 13. Limites connues
• Annexe A choix du jeu
• Annexe B aide-mémoire

Remarque importante

L'utilisation de SternFA peut endommager votre flipper. Comme il s'agit d'un projet privé SANS intérêt commercial, l'auteur décline toute responsabilité pour les dommages qui pourraient résulter de l'utilisation de SternFA !

1. Introduction

SternFA utilise un FPGA (bon marché) qui émule le matériel d'une MPU Stern. Il reconstruit le processeur MC6800, les deux PIA 6821, la RAM de travail 6810, la RAM CMOS 5101 et les ROM de jeu, et il pilote les connecteurs d'origine du flipper pour les afficheurs, les lampes, les interrupteurs et les bobines.

Comme la même famille de MPU équipe les flippers Bally, SternFA fait tourner les jeux Stern MPU-100, Stern MPU-200 et Bally -17/-35 - l'image de carte SD contient 238 numéros de jeu, voir l'annexe A. Le jeu exécuté se choisit avec les huit interrupteurs du banc DIP S1.

SternFA est un projet 100 % amateur. Cela rend la solution bon marché : selon l'endroit où vous achetez les composants, vous pouvez construire votre MPU Stern de remplacement pour moins de 80 €.

De quoi avez-vous besoin ?

• Des notions de base en soudure (la plupart des fournisseurs livrent les composants CMS déjà montés)
• La possibilité de lire et d'écrire des cartes micro SD
• Un PC avec un port USB et un USB Blaster pour programmer le FPGA

Trois choses sont bonnes à savoir avant de commencer :

• Tous les interrupteurs DIP ne sont lus qu'une fois, au démarrage. En changer un pendant que le jeu tourne n'a aucun effet - voir le chapitre 4.3.
• Les ROM de jeu sont rechargées à chaque mise sous tension - depuis la carte SD, et à partir de x.30, sans carte, depuis la flash de configuration de la carte FPGA (chapitre 5.3). Si le jeu ne se trouve à aucun de ces deux endroits, il n'y a pas de jeu.
• Le premier chiffre de la version affichée au démarrage identifie la carte - 1, 3 ou 4 sur les cartes de ce manuel, voir le chapitre 11. S'il ne correspond pas à votre carte, le FPGA contient le mauvais programme.

2. Démarrage rapide

1. Téléchargez la dernière image de carte SD et le programme FPGA de votre carte sur lisy.dev (chapitre 10) :
   1. SternFA_1xx pour la carte v1.0 avec la carte Cyclone IV
   2. SternFA_3xx pour la carte v1.1 avec la carte Cyclone IV
   3. SternFA_4xx pour la carte v1.1 avec la carte Cyclone 10
2. Écrivez l'image sur une carte micro SD et insérez la carte dans la platine
3. Programmez le FPGA
4. Réglez le banc DIP S1 « choix du jeu » selon votre flipper (annexe A)
5. Laissez pour commencer tout le banc DIP S2 « options » sur OFF
6. Remplacez votre MPU Stern/Bally d'origine par SternFA
7. Allumez le flipper
8. Observez l'affichage d'informations pendant les premières secondes et vérifiez que la version et le numéro de jeu sont ceux attendus (chapitre 5.1)
9. Amusez-vous

3. Installation

Les cartes SternFA ont les mêmes connecteurs et les mêmes trous de fixation que les MPU Bally/Stern d'origine ; le remplacement se fait donc en quelques secondes. Éteignez le flipper, retirez la MPU d'origine, mettez SternFA en place, c'est fini.

3.1. Ce que SternFA remplace et ce qu'il ne remplace pas

Remplacé : la carte MPU - processeur, RAM, ROM, les deux PIA et la logique d'interface qui les entoure.

Toujours nécessaire : tout ce qui est en dehors de la MPU. SternFA pilote les connecteurs d'origine et attend derrière eux les cartes d'origine :

• la carte de pilotage des lampes (AS-2518-23 ou équivalent) avec ses décodeurs d'adresse,
• la carte de pilotage des bobines,
• la ou les cartes d'affichage,
• le redresseur / l'alimentation, qui fournit aussi le signal zero cross,
• pour les jeux MPU-200, la carte son Stern SB-300 sur le connecteur J5.

SternFA ne reconstruit aucune de ces cartes. Il se comporte envers elles exactement comme la MPU d'origine.

3.2. Ce qui se trouve sur la carte

Les cartes v1.0 et v1.1 diffèrent par un détail invisible : sur la v1.1, un CD4502 externe génère les strobes de verrouillage des afficheurs ; sur la v1.0, c'est le FPGA lui-même qui s'en charge. C'est pourquoi les deux cartes ont besoin de programmes FPGA différents (chapitre 11).

4. Réglage des interrupteurs DIP

4.1. Banc DIP S1 : choix du jeu

Ici, vous choisissez le jeu que SternFA doit exécuter. Cela dépend des ROM présentes sur la carte SD ; l'annexe A liste le contenu de l'image actuelle.

La position des interrupteurs est simplement le numéro du jeu en binaire, S1 étant le bit de poids faible :

ON = la valeur est ajoutée. Le jeu 101 (MATAHARI) correspond donc à 1 + 4 + 32 + 64 = S1, S3, S6 et S7 sur ON, tout le reste sur OFF. L'annexe A détaille cela pour chaque jeu.

Les numéros de jeu 0 à 63 sont des jeux Stern MPU-200 et tournent avec l'horloge processeur la plus élevée. À partir de 64, SternFA utilise l'horloge Bally / MPU-100. Cela se déduit uniquement du numéro de jeu (interrupteurs S7 et S8), c'est pourquoi le DIP d'option 3 existe - voir 4.2.3.

4.2. Banc DIP S2 : options

Le réglage par défaut est tout sur OFF.

Dip4 et Dip5 ont échangé leurs places dans le logiciel x.06. L'anti-scintillement était sur Dip4 (manuel v1.04) et se trouve maintenant sur Dip5. Si vous passez d'une version plus ancienne en utilisant l'anti-scintillement, déplacez cet interrupteur de 4 à 5.

4.2.1. S2-Dip1 -> émulateur de zero cross

Une MPU Bally/Stern a besoin d'un signal « zero cross » (passage par zéro) pour fonctionner correctement ; ce signal provient de l'alimentation 12 volts. Sa présence est vérifiée au démarrage.

Avec Dip1 sur ON, SternFA génère lui-même le signal (100 Hz, soit un secteur à 50 Hz) ; pour des essais sur l'établi, une alimentation 5 volts suffit alors. Avec un zero cross émulé, la temporisation est différente - à utiliser sur l'établi, pas dans le flipper.

4.2.2. S2-Dip2 -> sauvegarde continue du nvram

SternFA enregistre le contenu du nvram (meilleurs scores et réglages étendus) dans une puce FRAM. Pour les essais sur l'établi, Dip2 peut être mis sur ON ; SternFA sauvegarde alors en continu le contenu actuel du nvram.

En jeu normal, le contenu du nvram est de toute façon sauvegardé automatiquement - déclenché par l'interrupteur de test, le relais de fin de partie (game over) et le bouton de crédit.

4.2.3. S2-Dip3 -> forcer un jeu Bally

Avec SternFA, vous pouvez aussi faire tourner tous les jeux qui tournent sur BallyFA, en utilisant l'image SD de ROM de BallyFA. Mettez alors cette option sur ON - sinon tous les jeux dont le numéro est inférieur à 64 tourneraient avec l'horloge processeur MPU-200, plus élevée.

L'image SD Stern fournie contient les jeux Stern et Bally avec la bonne numérotation ; avec cette image, vous n'avez pas besoin de cette option.

4.2.4. S2-Dip4 -> non utilisé

Sans fonction sur le matériel 1.0 et 1.1, laissez-le sur OFF. Sur le matériel 2.0, cet interrupteur permet à l'interface de test FA-Control de prendre le contrôle du flipper.

4.2.5. S2-Dip5 -> anti-scintillement pour les jeux à LED

Avec Dip5 sur ON, SternFA modifie la temporisation du signal zero cross. Les jeux Bally sont connus pour faire scintiller les ampoules de remplacement à LED ; en général, chaque LED a besoin d'une résistance en parallèle pour y remédier. Avec cette option, les LED ne scintillent plus, même sans ces résistances.

4.2.6. S2-Dip6 -> initialisation du nvram

Avec Dip6 sur ON, SternFA remet à zéro le nvram du jeu choisi au démarrage. C'est utile si vous voulez effacer tout le contenu de la RAM, par exemple après avoir chargé un autre jeu au même emplacement.

Remettez-le ensuite sur OFF et éteignez puis rallumez - sinon le flipper efface ses réglages à chaque démarrage.

4.3. Les interrupteurs DIP ne sont lus qu'une fois, au démarrage

Les deux bancs - les huit de S1 et les six de S2 - sont lus une fois, dans les premiers instants après la mise sous tension, et les valeurs sont ensuite conservées jusqu'au reset suivant. Tourner un interrupteur pendant que le flipper fonctionne ne fait rien.

Conséquence pratique : après avoir changé un interrupteur, éteignez puis rallumez, ou appuyez sur le bouton de reset S8.

5. Séquence de démarrage

5.1. Phase 1 : l'affichage d'informations

Juste après la mise sous tension - ou après un appui sur S8 - SternFA lit les deux bancs DIP et écrit l'affichage d'informations sur les afficheurs de votre flipper, avant que le moindre code de jeu ne s'exécute. Il reste visible pendant les premiers clignotements de la LED verte :

Vérifiez les joueurs 1 et 2 à chaque premier démarrage. Ils indiquent si le bon programme est dans le FPGA et si les interrupteurs de choix du jeu sont réglés comme vous le pensiez.

5.2. Phase 2 : lecture de la carte SD

SternFA lit la ROM du jeu choisi sur la carte SD. En cas d'échec, la LED rouge « SD card error » clignote d'abord un code puis reste allumée, et un chiffre d'erreur apparaît sur l'afficheur d'état :

Si la lecture réussit, la LED rouge reste éteinte et aucun chiffre d'erreur n'apparaît.

5.3. Fonctionnement sans carte SD (x.30)

Nouveau avec le logiciel x.30. Quand aucune carte SD ne répond, SternFA charge le jeu depuis la flash de configuration (EPCS16) de la carte FPGA, sous le même numéro de jeu que sur la carte. L'afficheur d'état montre alors 4.

• Pour des raisons de droits d'auteur, le fichier publié normal SternFA_<version>.jic ne contient aucun jeu. Sans carte, le démarrage se termine alors par le chiffre 8, et la LED rouge clignote huit fois rapidement, puis fait une pause. Comment les jeux arrivent dans la flash : chapitre 8.
• Une carte qui est présente mais donne une erreur de CRC (chiffre 2) n'est pas remplacée par la flash - une carte défectueuse doit rester visible.
• Si une carte est insérée, c'est toujours elle qui a la priorité.
• Sans carte, le démarrage dure un peu plus longtemps, car SternFA laisse d'abord sa chance à la carte.

5.4. Phase 3 : exécution du programme

Le contenu du nvram du jeu choisi est copié de la FRAM vers la RAM CMOS, et le code du jeu démarre. C'est la séquence de démarrage Bally/Stern normale : la LED verte « Bally » clignote quelques fois, et quand le code tourne et que les interruptions arrivent régulièrement, la LED verte s'allume et reste allumée.

À partir de là, le flipper se comporte comme avec l'original.

6. Boutons et LED de la carte

6.1. Les trois LED d'état

6.2. Les boutons

7. La carte SD

Les ROM de jeu se trouvent sur la carte SD, et SternFA les lit à chaque mise sous tension. La carte est lue en mode brut - elle n'a pas de système de fichiers. Écrivez l'image téléchargée sur la carte avec un outil de copie brute (par exemple Win32DiskImager, balenaEtcher ou dd) ; copier simplement un fichier sur une carte formatée ne fonctionne pas.

Chaque jeu occupe un bloc de 64 Ko sur la carte, et les blocs sont rangés dans l'ordre des numéros de jeu de l'annexe A. Le FPGA calcule la position uniquement à partir des interrupteurs S1 ; c'est pourquoi le numéro de jeu et la version de l'image doivent correspondre - les numéros de jeu de l'annexe A sont ceux de l'image v0.98.

L'image contient aussi une somme de contrôle par bloc de jeu. C'est à elle que se rapporte le code d'erreur 2 de 5.2 ; elle détecte un téléchargement endommagé ou une carte défaillante avant que le jeu ne commence à se comporter bizarrement.

N'importe quelle carte micro SD ordinaire convient. La taille n'a pas d'importance - l'image est petite - mais une carte en service depuis des années est exactement le genre de pièce qui commence à produire l'erreur 2.

8. ROM de jeu dans la flash du FPGA

Le FPGA démarre depuis une puce flash de 2 Mo (EPCS16) sur la carte FPGA. Le programme FPGA occupe les 512 premiers Ko ; à partir de l'adresse 080000h, il y a de la place pour les jeux. Beaucoup de jeux partagent des puces ROM ; chaque bloc ROM de 2 Ko n'est donc stocké qu'une fois, précédé d'un répertoire qui indique pour chaque numéro de jeu quels blocs lui appartiennent. Ainsi, les 204 jeux de l'image de carte SD v0.98 y tiennent, en 598 Ko.

Les ROM sont protégées par le droit d'auteur et ne peuvent donc pas faire partie du téléchargement. Vous les y placez vous-même, à partir d'une image de votre carte SD. Dans l'arborescence source de SternFA (github.com/bontango/SternFA), exécutez

.\scripts\build.ps1 <variant> -RomImage <image of the SD card>

avec hw1_0_cyclone_IV (carte v1.0), hw1_1_cyclone_IV ou hw1_1_cyclone_10 (carte v1.1) comme variante. Seuls les jeux dont la somme de contrôle est correcte sont repris. Cela construit le programme FPGA et le regroupe avec les jeux dans un seul fichier, variants\<variant>\output_files\sternfa_roms.jic. Programmez-le avec le Quartus Programmer à la place du .jic normal.

Dès lors, la carte fonctionne sans carte SD. Si une carte SD est insérée, elle a toujours la priorité ; vous pouvez donc toujours essayer d'autres ROM depuis une carte sans toucher à la flash. Les crédits et les meilleurs scores appartiennent au numéro de jeu, pas à l'origine de la ROM - ils sont conservés quand vous passez de la carte à la flash.

Gardez ce fichier pour vous. Il contient les ROM de jeu et ne doit pas être diffusé.

9. Crédits et meilleurs scores

La MPU d'origine maintient sa RAM CMOS en vie avec des piles, ce qui finit par détruire tant de ces cartes. SternFA n'a pas de pile. À la place, il copie le contenu du nvram dans la puce FRAM de la carte et le relit au démarrage suivant.

Vous n'avez rien à faire pour cela. La sauvegarde est déclenchée automatiquement par l'interrupteur de test, le relais de fin de partie et le bouton de crédit - les mêmes événements auxquels la carte d'origine se serait stabilisée. L'option Dip2 (4.2.2) force une sauvegarde continue pour les essais sur l'établi, et l'option Dip6 (4.2.6) efface le contenu.

La FRAM n'a pas besoin de pile, n'a pas de limite de cycles d'écriture dont il faille se soucier, et ne fuit pas.

10. Programmer le FPGA

Tout ce qu'il faut pour mettre le logiciel sur la carte est décrit sur mon site, et c'est tenu à jour là-bas :

https://lisy.dev/documentation-01.html

Vous y trouverez le logiciel de programmation nécessaire, l'installation du pilote USB Blaster et la programmation du FPGA.

Le programme FPGA lui-même et l'image de carte SD se trouvent dans le dépôt logiciel SternFA :

https://lisy.dev/swrep/SternFA

Veillez à prendre la version de votre carte - voir le chapitre 11. Avec le logiciel x.30, ce sont SternFA_130.jic, SternFA_330.jic et SternFA_430.jic.

Le FPGA de cette carte est configuré depuis une mémoire de configuration série, le programme reste donc en place après une coupure de courant. On le programme une fois, pas à chaque démarrage.

11. Variantes de carte

Le même design fonctionne sur plusieurs cartes, et le programme FPGA n'est pas interchangeable entre elles - le brochage diffère, et un mauvais programme n'affichera au mieux rien et pilotera au pire les mauvaises broches.

L'affichage d'informations indique quel programme tourne : le premier des trois chiffres de version sur l'afficheur du joueur 1 est le numéro de carte. Si vous avez chargé le mauvais, les afficheurs resteront très probablement éteints ou montreront n'importe quoi - vérifiez d'abord ce chiffre.

12. Historique des versions

13. Limites connues

• Le logiciel x.30 n'a pas encore été confirmé sur le matériel 1.x - ni le repli sur la flash ni le démarrage normal depuis la carte SD. Si quelque chose ne va pas, revenez à SternFA_106.jic, SternFA_306.jic ou SternFA_406.jic et signalez ce que vous avez vu.
• L'horloge processeur a changé avec x.05 sur les cartes Cyclone IV (1xx et 3xx), pour la valeur que la carte Cyclone 10 a toujours eue. Si la vitesse du jeu, la temporisation du son ou les afficheurs semblent différents de d'habitude, c'est le premier endroit à regarder ; SternFA_103.jic / SternFA_304.jic sont les dernières versions avec l'ancienne horloge.
• S9 n'a pas de fonction - voir 6.2.

Annexe A choix du jeu

Numéros de jeu de l'image de carte SD v0.98. on = interrupteur fermé. La position est le numéro du jeu en binaire avec S1 comme bit de poids faible, voir 4.1. Les noms de jeu et les remarques proviennent de l'image et ne sont pas traduits : Freeplay = version en partie gratuite, NOT USED = aucune ROM à ce numéro, 7digit mod = modifié pour afficheurs à 7 chiffres, 2 player/4 player = nombre de joueurs.

Annexe B aide-mémoire

Les 14 interrupteurs de configuration de SternFA

 S1  choix du jeu                      S2  options
  1  + 1                                1  émulateur de zero cross
  2  + 2                                2  sauvegarde continue du nvram
  3  + 4                                3  forcer l'horloge Bally
  4  + 8                                4  non utilisé (HW 1.x)
  5  + 16                               5  anti-scintillement pour LED (Dip4 jusqu'à x.05)
  6  + 32                               6  init du nvram au démarrage
  7  + 64
  8  + 128                             par défaut : tout sur OFF

 les deux bancs sont lus UNE FOIS, au démarrage - après tout changement : éteindre, rallumer, ou S8

L'affichage d'informations, les premières secondes après la mise sous tension

Joueur 1      4 3 0     version, premier chiffre = variante de carte (chapitre 11)
Joueur 2   2    1 0 1    choix du jeu ; 2 en tête = horloge Stern MPU-200
Joueur 3   0 5 0 9 6 3   identifiant lisy.dev, fixe
Joueur 4        1 6      valeur du banc d'options S2 (Dip1=1 ... Dip6=32)
Crédit              4    décompte 4, 3, 2, 1, 0

LED : rouge SD card error (éteinte = bon) · jaune zero cross (allumée = bon) · verte Bally (clignote au démarrage, puis allumée pendant que le jeu tourne)

Chiffre d'erreur de carte SD sur l'afficheur d'état : 1 = carte illisible · 2 = somme de contrôle du bloc de jeu fausse · 4 = ROM depuis la flash de configuration, pas de carte (pas d'erreur) · 8 = pas de carte, jeu absent de la flash

Boutons : S8 reset · S33 remise à zéro de la comptabilité · S9 sans fonction

Programme FPGA : SternFA_1xx carte v1.0 · SternFA_3xx carte v1.1 Cyclone IV · SternFA_4xx carte v1.1 Cyclone 10