NES模拟器开发 - 初始篇(How To Write a Computer Emulator)
NES模拟器开发 - 初始篇(How To Write a Computer Emulator)
翻译整理 by Yiran Xie
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这里选最经典的文章：《How To Write a Computer Emulator》作为NES项目开篇的文章进行翻译整理。
前言：
非常经典的入门文章，精炼地描述了一个像NES这样的模拟器应该如何去着手编写。在reference完整的nes模拟器编写的文档中，这篇可以说是必被引用的，当然其中一部分原因是因为它的诞生年代最早，无数模拟器coder都是从这篇文章开始入门的。
1.emulation和simulation的区别
简单说，一个在NES平台上的吃豆人游戏，把它的平台完整模拟出来，然后加载这个原版rom，这就是emulation
而“山寨”一个吃豆人的游戏，使之有相同的游戏模式，这就是simulation
2.模拟器合法吗？
如果模拟器硬件的资料是公开的，则模拟过程合法。而rom本身，是有知识产权的
3.模拟器的编写方式
这里说了intepretation、static recompilation、dynamic recompliation三种。其中常用的是第一种，模式如下：
模拟器从ROM中读取代码，然后经过解码后，执行相应的命令。（更详细的可以看我翻译整理的chip8的教程）
while (CPUIsRunning) { Fetch OpCode Interpret OpCode }
这种设计的好处是容易debug，容易移植，容易同步（只需计算过了多少CPU周期，然后让模拟的其他部件和CPU保持同步）；坏处是效率低
4.主要使用的语言
这里作者推荐了汇编和C
5.如何模拟CPU
这里提供了一个框架：
//PC（程序计数器）和Counter（计算CPU剩余周期的）进行初始化
Counter = InterruptPeriod; PC = InitialPC; for(;;) { OpCode = Memory[PC++];//读取opcode Counter -= Cycles[OpCode];//更新counter,Cycles[]中存放的是每个操作吗所需要的周期数 switch(OpCode)//根据opcode执行相应操作 { case OpCode1: case OpCode2: ... } if(Counter<=0) { /* 检查中断和其他周期性的事 */
......
Counter += InterruptPeriod; if(ExitRequired) break; } }
其中，
1).Cycles[]中存放的是每个操作吗所需要的周期数。特别注意，有些指令例如conditional jump（条件型跳转）或者跳往subroutine calls（跳往子程序），需要的周期数，可能会因为后面的参数不同而异。
2).在提取操作码后，会从CPU周期计数器(counter)里扣除相应的周期数
3).switch()跳转会建立一个jump table。除了这个方式用于跳转到相应地opcode执行以外，还有两种方法，一种用函数指针表，另一个用label+goto语句
4).如果counter<=0,则我们进入一段代码去做一些周期性的事，例如检查有没有中断，下面会讨论更多的“周期性的事”
6.如何访问内存？
最简单的方法是把内存模拟成一维的数组，访问它就很容易了
Data=Memory[Address1]; /* Read from Address1 */ Memory[Address2]=Data; /* Write to Address2 */
但是这种简易的做法，并非永远可行，原因如下：
1).模拟器的内存可能用的是分页（paged memory），这些页也称为banks。这种方法经常被用来扩展内存，尤其当地址空间较小时（例如64kb）
2).内存镜像（mirrored memory）。内存空间的某些区域可能有多个镜像，可以用数个不同的地址来存取。比如写到$4000的数据,会同时出现在$6000和$8000.ROMs可能也会被镜像，因为地址解码方式的不完全
3).只读保护。有一些卡带保存的游戏（例如MSX）会尝试向自己的ROM里写数据，如果这个写操作成功的话，它会拒绝继续执行。这是一种保护的方式。为了让这些软件能被执行，你应该禁止向ROM段进行写操作
4).I/O映射
一些系统中可能会有I/O映射。向内存中的这些指定区域（端口）进行访问可能会带来一些“特殊的效果”，因此这种操作应该被追踪
于是我们编写以下的函数来处理内存访问：
//页式内存的访问
static inline byte ReadMemory(register word Address) { return(MemoryPage[Address>>13][Address&0x1FFF]);//分为页号，页内便宜 } static inline void WriteMemory(register word Address,register byte Value) { MemoryPage[Address>>13][Address&0x1FFF]=Value; }
由于内存的读写发生是非常频繁地，因此你希望这条指令是高效的。同时为了减少函数跳转的开销，这里用了inline。为了让某些不支持inline或者_inline关键字的编译器也能正确处理，这里让函数变成了static。同时应该能想到，内存read要比write频繁地多，因此一些“脏活累活”应该留给write去做，而让read尽可能的简单，比如mirrored memory产生的额外操作，就应该尽可能地教给write去做。
7.周期性的任务
包括：
-屏幕刷新
-VBlank和HBlank系统中断
-更新时钟
-更新声音参数
-更新输入设备状态
-其他
为了要模拟这些任务，应当把各种任务的周期与CPU周期进行绑定。比如，CPU运行在2.5MHz，显示刷新的频率为50Hz（PAL制式的标准）那么意味着每50000（25000000 / 50 ）个CPU周期应该发生一次VBlank中断。
现在假设整个屏幕（包含VBlank）有256条横向水平线（scanline），其中212条在屏幕显示的范围内（44条在VBlank），那么横向水平线的刷新率约为195个CPU周期(50000 / 256).
在那之后，我们应该产生一个VBlank系统中断，然后在VBlank期间不做任何事情，即195 * （256 - 212）。
小心地计算每个任务所需要的CPU周期，然后取他们的最大公约数作为中断检查的周期。
8.优化代码
作者这里主要给出了编译优化时使用的参数和一些关于C语言编写的建议。暂时觉得不重要，略过
9.大小端系统
例如把0x12345678写入内存，
大端系统（Big-endian）:高地址低字节
0 1 2 3
+--+--+--+--+
|12|34|56|78|
+--+--+--+--+
小端系统(Little-endian):高地址高字节
0 1 2 3
+--+--+--+--+
|78|56|34|12|
+--+--+--+--+
大端的CPU包括6809，Motorola 680x0系列，PowerPC以及Sun SPARC。小端系统包括6502，以及它后续的65816，Zilog Z80和大多数的Intel芯片（包括8080 8086）, DEC Alpha等。
比如编写Z80 cpu，它是小端的，而你编写的平台也是小端的，那么相安无事。而如果你的平台是大端的，怎么就会出错。
一个解决办法是：
typedef union { short W; /* Word access */ struct /* Byte access... */ { #ifdef LOW_ENDIAN byte l,h; /* ...小端系统 */ #else byte h,l; /* ...大端系统 */ #endif } B; } word;
当这样定义以后，每一次访问它时，按照B.l和B.h去分别访问。
测试大小端的一个方法：
int *T; T=(int *)"\01\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"; if(*T==1) printf("This machine is high-endian.\n"); else printf("This machine is low-endian.\n");
10.使程序模块化
应当把模拟器内核和接口分开，在单独一个文件里调用API实现在某个特定系统上得模拟。模块化的另一个好处是可以分别debug，例如可以先单独编写CPU模拟，进行debug；再写PPU（图像模拟）等等。