如何编写计算机模拟器
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at 2013-01-14 19:39:04
original http://blog.jobbole.com/32268/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=%25e5%25a6%2582%25e4%25bd%2595%25e7%25bc%2596%25e5%2586%2599%25e8%25ae%25a1%25e7%25ae%2597%25e6%259c%25ba%25e6%25a8%25a1%25e6%258b%259f%25e5%2599%25a8
译文来源：Shun-Yuan Chou 的博客（原译文为繁体，大部分术语已转换成大陆译法，可能少数术语有遗漏）
早期在 PC 上写模拟器的牛人，Marat Fayzullin 是其中之一。1997 年，他就已经开发出 fMSX 模拟器，并且以这篇文章《How to write a computer emulator?》分享他的知识。中文翻译的网页已经不存在了，可惜。
下面是阅读后的整理：
纲要：
●什麼可以被模拟？
●什麼是 emulation，它跟 simulation 有什麼不同？
●模拟有专利的硬件，是合法的吗？
●什麼是直译式的模拟器，跟编译式的模拟器有何不同？
●我想写一个模拟器，我该从何开始？
●我该用哪一种程序语言？
●我从哪裡可以得到想模拟的硬体的资讯？
实现：
●如何模拟一个 CPU？
●如何存取被模拟的内存？
●周期性的运作有哪些？
程序技巧：
●如何优化 C 程序码？
●什麼是高低字节顺序？
●如何让程序具可移植性？
●为何我要模组化我的程序？
什麼可以被模拟？
基本上，任何东西有微处理器在裡面，就可模拟。当然，只有那些可以跑程序装置，我们才有兴趣模拟。包括：电脑、计算机、游乐器、大型电动、其他……
必须特别註明，你可以模拟任何电脑系统，即是事非常复杂的系统（譬如 Amiga 电脑），但是执行效率可能很低。
什麼是 Emulation，它跟 Simulation 有什麼不同？
Emulation 模拟装置内部的硬体，Simulation 是模拟装置内部的功能。举例来说，一个程序模拟小精灵大型电动的硬体，然后执行小精灵的 ROM，就是个 emulator。一个小精灵的 PC 游戏，就是个 simulator。
模拟有专利的硬件，是合法的吗？
这是个灰色地带，只要你不是透过不合法的管道，拿到硬体的资讯，就应该不违法。但是很清楚知道，跟模拟器一起散佈有著作权的系统 ROM（例如 BIOS），是违法的。
什麼是直译式的模拟器，跟编译式的模拟器有何不同？
模拟器有三种设计的方式，这些设计也可以混用，来达到最好的效果。
直译式
模拟器一个位元又一个位元的，从内存读取代码，然后解码，执行对应的暂存器、内存、输出入的命令。通用的演算法如下：
while(CPUIsRunning)
{
Fetch OpCode
Interpret OpCode
}
这种设计的好处是，容易除错，容易移植，容易同步（你只需要计算过了多少 CPU 周期，然后让你模拟的其他部份，跟 CPU 同步）。
这种设计明显的弱点，就是执行效率很差。执行直译会花很多 CPU 时间，你会需要很快的电脑，才能有不错的执行速度。
静态编译式
这种技术，就是把一支你要模拟的系统的代码，编译成你的电脑的的汇编语言。编译的结果，通常是一支你的电脑的普通执行档，不需要额外的工具就可以执行。静态编译，听起来很美好，但通常不可行。例如，你就无法静态编译会自我修改的代码，因为这种代码只有执行时，才会知道内容是什麼。为瞭解决上述的问题，或许需要混用直译器，或是动态编译编译器。
动态编译式
动态编译基本上跟静态编译一样，但动态编译发生在程序执行时。动态编译是在执行到 CALL 或 JUMP 时才编译，取代一开始就编译一整个程序。为了增加执行效率，这种技术常常结合静态编译。你可以读，动态编译式麦金塔模拟器的作者 Ardi，的这篇动态编译白皮书学到更多
我想写一个模拟器，我该从何开始？
想要写一个模拟器，你必须懂程序设计，以及数位电子。如果懂得汇编语言，会更好。
1. 选一种程序语言
2. 找到所有被模拟硬体的所有资讯
3. 写 CPU 模拟，或是选用一个现成的 CPU 模拟程序
4. 写个粗略的其他周边硬体的模拟，至少要一部分
5. 在这个时候，写个内建除错器，让你可以暂停模拟，检查程序执行的结果。你也会需要一个被模拟 CPU 的汇编语言反组译器。如果找不到现成的，就自己写一个。
6. 试著用你的模拟器执行程序
7. 用除错程序跟反组译器，看看程序到底在干麼，然后根据此修改你的模拟器
我该用哪一种程序语言？
最常被用到是 C 跟汇编语言，各有优缺点。
汇编
+ 通用，可以產生速度快的程序码
+ 可以直接使用暂存器，来映射被模拟的暂存器
+ 很多汇编语言指令，可以对应到被模拟的汇编语言指令
- 程序是不可移植的，换句话说，你的模拟器，不能在别种 CPU 上跑
- 很难除错跟维护
C 语言
+ 可移植性，所以可以在不同的作业系统上跑
+ 相对容易除错跟维护
+ 对硬体的不同假设，可以很快的测试
- 通常 C 语言的程序比汇编语言的程序慢
要写模拟器，对所选择的语言，瞭解得很透彻，是绝对必要的。因为模拟器的程序很复杂，你要优化你的模拟器，让它跑得越快越好。电脑模拟器程序，绝对不是你越来学习程序语言的专案。
我从哪裡可以得到想模拟的硬体的资讯？
下列地方，你会想去看一看：
●网路新闻群组
comp.emulators.misc
这个新闻群组，讨论模拟器一般的问题。许多模拟器作者会订阅，虽然裡面杂音很多。如果要贴问题到这个新闻群组，记得先看 c.e.m FAQ 常见问题。
comp.emulators.game-consoles
跟 comp.emulators.misc 一样，不过这个新闻群组，专攻电视游乐器的模拟器。如果要贴问题到这个新闻群组，记得先看 c.e.m FAQ 常见问题。
comp.sys./emulated-system/
comp.sys.* 新闻群组阶层，专攻特定的电脑系统。你阅读这些新闻群组，可以得到有用的技术资料。典型的例子：
com.sys.msx MSX / MSX2 / MSX2+ / TurboR 电脑 comp.sys.sinclair Sinclair ZX80/ZX81/ZXSpectrum/QL comp.sys.apple2 Apple ][
如果要发问题到这个新闻群组，记得先看 FAQ
alt.folklore.computers
rec.games.video.classic
FTP
如何模拟一个 CPU？
首先，如果你需要模拟一个标準的 Z80 或 6502 CPU，你可以使用 Marat Fayzullin 所写的 CPU 模拟器 当然有些限制。
对那些想要自己写 CPU 模拟核心，或是对其中的运作原理感性趣的人，我提供一个用 C 写的范例架构如下，在真正的实做，你或许会考虑略过其中部份，或添加新的部份。
Counter=InterruptPeriod;
PC=InitialPC;
for(;;)
{
OpCode=Memory[PC++];
Counter-=Cycles[OpCode];
switch(OpCode)
{
case OpCode1:
case OpCode2:
...
}
if(Counter<=0)
{
/* Check for interrupts and do other */
/* cyclic tasks here */
...
Counter+=InterruptPeriod;
if(ExitRequired) break;
}
}
首先我们指定 CPU 周期记数器 (Counter)，以及指令位址记数器 (PC)
Counter=InterruptPeriod; PC=InitialPC;
Counter 纪录了到下一次系统中断发生，还剩多少个 CPU 周期。注意当 Counter 过其实，系统中断不必然发生。你可以利用他来处理其事情：像是时钟同步，更新萤幕的扫瞄线等。等等，我们会讨论这些。PC 则纪录了CPU 会从那个内存位址，读取下次的执行的指令。
在我们给这些设定初始值之后，然后开始进入主循环：
for(;;)
{
主循环也可以写成这样：
while(CPUIsRunning)
{
CPUIsRunning 是个布林值，这样写有个好处，你可以在任何时候，设 CPUIsRunning＝0，来终止主循环。然而在每个循环检查这个变数，会花不少的 CPU，而我们应该尽量减少花费 CPU。同时，不要写成下面这样子：
while(1)
{
因为这样写，编译器產生代码，去检查 1 为 “真” 或 “假”，你不会希望在主循环的每个循环，都去执行这多餘的动作。
现在我们在主循环内，第一件事，就是去读下一个执行码，然后修改程序位址记数器。
OpCode=Memory[PC++];
注意，这是最简易的方式，来模拟读取内存，但并非永远可行。更通用的方式，来存取内存，稍后会提到。
在提取操作码后，会从 CPU 周期计数器，扣掉这个指令所需的周期数。
Counter-=Cycles[OpCode];
Cycles[] 表内放的是每个操作码，所需要的周期数。要特别注意，有些指令（例如条件式跳跃，或是呼叫副程序），需要的周期数，是跟操作后面紧接的参数而变动。这个可以在执行指令码时调整。
现在该是解译操作码，然后跟著执行的时候了：
switch(OpCode)
{
有一个错误的观念，认为 switch 语句是没有效率的，因为会被编译成 if () …… else if () …….. 语句。这只有在 case 数量很少的 switch 语句，才会被这样编译。当有 100 到 200 个 case 的时候，switch 语句通常会被翻译成 jump 表格，jump 表格，其实蛮有效率的。
有其他两种替代方案，可以用来解译操作码。第一种方法，是建一个函式表，然后呼叫对应的函式。这种方式，比用 switch() 没效率，因为呼叫函式，有额外的开销。第二种方式，是建一个位址的表格，然后使用 goto 语句。这种方式，稍比用 switch() 有效率一点，但这种方式，只适合用在编译器支援未预定位址表格。其他的编译器，不会允许你这样定义表格。
在成功解译并执行一个操作码后，这时候该去检查有没有任何系统中断发生。这时候，你也可以执行任何需要跟系统时钟同步的工作。
if(Counter<=0)
{
/* Check for interrupts and do other hardware emulation here */
...
Counter+=InterruptPeriod;
if(ExitRequired) break;
}
有关周期性的工作，后面会提到。
注意，我们并非直接指定 Counter=InterruptPeriod，而是执行 Counter+=InterruptPeriod，这样会让周期的计算更精确，因为有时候，Counter 会变成负数。
同时，注意这
if(ExitRequired) break;
这个语句如果在每个循环都执行，成本太高，所以只有在中断发生时才检查。这样就可以在 ExitRequired=1 时，停止模拟，但又不会花太大的成本。
如何存取被模拟的内存？
模拟内存存取最简单的方式，就是把它当成一个摊平的位元组或字元组阵列。如此，存取内存，就是一件微不足道的事情：
Data=Memory[Address1]; /* Read from Address1 */ Memory[Address2]=Data; /* Write to Address2 */
这种简易的作法，并非永远可行，原因如下：
●分页式的内存 ?内存空间，可能被切成小块，变成可以切换的页，就是所谓的 banks。例如常见的，小内存位址空间（ 64 KB），所使用的扩充内存。
●映射的内存 ?这块内存空间，可以用数个不同的位址来存取。例如你写资料到位址 $4000，然后你在位址$6000，及位址 $8000，你也可以读到。
●ROM 的读取保护 ?有些存到卡夹的软体（例如 MSX 的游戏），就算你写到 ROM，回传成功，事实上 ROM 上的资料也不会改变。这麼做，是为了做软体保护。为了让这样的软体，可以在你的模拟器运行，你需要把 ROM 设成唯读。
●内存映射到 I/O ?系统可能有 I/O 装置，映射到内存位址。存取这样的内存位址，会產生特殊效果，所以必须被追踪。
要成功处理上述问题，我们引进几个函式：
Data=ReadMemory(Address1); /* Read from Address1 */ WriteMemory(Address2,Data); /* Write to Address2 */
所有特殊的处理，包括内存分页，内存映射，I/O 的处理，等等，都在函式内处理。
ReadMemory() 跟 WriteMemory() 对模拟器造成很大的 CPU 负担，因为它们执行的非常频繁。因此这些函式必须写得越有效率越好。这裡有一个存取分页式内存的例子：
static inline byte ReadMemory(register word Address)
{
return(MemoryPage[Address>>13][Address&0x1FFF]);
}
static inline void WriteMemory(register word Address,register byte Value)
{
MemoryPage[Address>>13][Address&0x1FFF]=Value;
}
注意那个 inline 关键字，它会指示编译器，直接把这些函式码，直接插入程序中，以取代函式呼叫。如果你的编译器，不支援 inline 或是 _inline，试著改把这些函式，宣告成 static，有些编译器（例如 Watcom C）优化时，会把短的函式，变成 inline 函式。
同时要记住，通常 ReadMemory() 的呼叫次数，是 WriteMemory() 的好几倍。所以尽量把程序码放到 WriteMemory()，让 ReadMemory() 保持简单。
关於内存映射的一个小註记：
之前说过，被映射的内存，写入一个位址，可以在其他位址读取。这个功能，可以实做在 ReadMemory()，但是通常我们不这样做，因为 ReadMemory() 比 WriteMemory() 更频繁被呼叫。更有效率的方式，是实做内存映射到 WriteMemory()函式。
周期性的运作有哪些？
周期性的运作，是被模拟的机器，固定一段时间，就会执行的工作，例如：
- 屏幕更新
- VBlank 跟 HBlank 系统中断
- 更新时钟
- 更新声音参数
- 更新键盘跟摇桿状态
- 其他
为了要模拟这样的运作，你要替它们绑上固定的周期。例如 CPU 假设以 2.5 MHz，并且以 50 Hz 更新显示（PAL 系统），所以 VBlank 系统中断，就会每 5000 CPU 周期，发生一次。
2500000/50 = 50000 CPU cycles
现在，假设整个萤幕是（包含 VBlank）是 256 条扫瞄线，实际上只有 212 条显示（44 条在 VBlank），我们得到一条扫瞄线 195 个 CPU 周期，更新一次。
50000/256 ~= 195 CPU cyles
然后，我们应该產生一个 VBlank 系统中断，然后在 VBlank 期间不做任何事情。
(256-212)*50000/256 = 44*50000/256 ~= 8594 CPU cycles
小心计算每个周期性运作所需的 CPU 周期，然后使用他们的最大公约数，作为中断检查的周期，然后绑定给每个周期性运作。
如何优化 C 程序？
首先，很多执行效率的增进，只要选对编译器的编译选项，就有了。根据我的经验，下面的编译选项，可以给你的最佳的执行速度：
Watcom C++ -oneatx -zp4 -5r -fp3 GNU C++ -O3 -fomit-frame-pointer Borland C++
如果你发现，这三个编译器，更好的优化参数，或是其他的编译器的优化参数，请让我知道。
●一些关於把循环摊平的笔记
虽然说，把循环摊平的这个优化选项，看起来是有用的。这个选项，会把短的循环，摊平成线性的语句。但我的经验告诉我，开啟这个选项，执行效率并不会提升太大，反而在某些情况下，程序反而会出现异常。
优化 C 程序码，比选择编译器选项，还难搞。跟执行你的程序的 CPU 有很大关系。有一些通用的规则，可以适用在所有 CPU。但别把它们当成真理。
●使用分析程序
用分析工具来执行你的程序（第一个就想到 GPROF），或许可以发现你从没怀疑的神奇事情。你会发现毫不起眼的程序，频繁的被执行，拖慢整个程序。优化这些程序码，或是用汇编语言改写，可以让你的程序执行效率飞耀。
●不要用 C++
不要用任何非用 C++ 不可的架构。C++ 跟纯 C 比起来，额外的开销比较大。
●整数的类型
尽量用你的 CPU 支持的整数类型。举例 int 对比 short 或 long，这会减少编译器產生不同整数行别的转换。
●寄存器配置
尽量减少在程序区块配置太多变数，并且宣告他们为 register （大部分的编译器已经会自动把变数变成 register）。特别是有很多通用暂存器的 CPU （PowerPC）这个优势，就比有专属暂存器（Intel 8086）来的强。
●摊平小循环Unroll small loops
如果你刚好有小循环会执行好几次，把小循环摊平成线性执行的程序，是好主意。对照前面提到的编译器自动摊平选项。
●算术移位 vs. 乘除法
尽量用算术移位，如果你乘或除一个数是 2 的 n 次方（J/128==J>>7），算术移位在大多数的 CPU 都比较快。另外用位元的 & 来求餘数（J%128==J&0x7F）。
什麼是高低字节顺序？
所有的 CPU 通常都根据它们如何储存资料到内存，分为几个等级。除了非常特殊的种类，绝大多数的 CPU 分成两个等级：
High-endian CPU 先存放 higher byte of word。例如，在这样的 CPU 你存放 0×12345678，内存的内容会长像这样：
0 1 2 3
+--+--+--+--+
|12|34|56|78|
+--+--+--+--+
Low-endian CPU 先存放 lower byte of word。上述了例子，内存内容会看起来完全不一样。
0 1 2 3
+--+--+--+--+
|78|56|34|12|
+--+--+--+--+
典型 High-endian 的 CPU 有 6809，摩罗托拉 680×0 系列，PowerPC，及昇阳的 SPARC。Low-Endian 的 CPU 有 6502，及其后代 65816，及 zilog Z80，绝大多数 Intel CPU （8086，8088），DEC alpha 等。
当我们写模拟器时，必须注意到，你模拟的 CPU，及执行你的模拟器的 CPU 的高低字节。举例，我们想要模拟 low-endian 的 Z80，Z80 会先存 lower byte of word。如果你用的也是 low-endian 的 CPU，例如 intel 8006，那麼完全不需要特别处理。但是如果你用的是 high-endian 的 CPU，例如 PowerPC，这时候，要存放 16 bit 的 Z80 资料到内存，就会有问题。如果你的程序，必须两种高低字节顺序的 CPU 都能跑，问题就更复杂了。
一种解节高低字节顺序的作法如下：
typedef union
{
short W; /* Word access */
struct /* Byte access... */
{
#ifdef LOW_ENDIAN
byte l,h; /* ...in low-endian architecture */
#else
byte h,l; /* ...in high-endian architecture */
#endif
} B;
} word;
可以看到，可以用 w 存取整个字节。而每次如果你需要存取个别 byte，用 B.l 及 B.w，来对应高低位元组。
如果你的程序，要在跨平台编译，在程序开始执行前，你也许会想要测试，是否编译有设定正确的 endian 旗标。这裡有如何测试的程序码。
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");
如何让程序具可移植性？
尚未撰写。
为何我要模组化我的程序？
大多数的计算机系统，是由几块比较大的芯片所组成，各自执行一部分的系统功能。有 CPU、显示控制器、声音產生器、及其他。有些芯片，有自己的内存，及周边的硬件。
一个典型的模拟器，应该重现原有的系统设计，并实做每个子系统的功能，在不同的模组。这样做，首先除错会比较容易，因为问题会被独立在各自的模组裡。其次模组化，可以让你在别的模拟器，重复使用你的模组。电脑的硬体，其实标準化成度很高，你可以在不同型号的电脑，发现相同的 CPU，相同的显示控制器。为某个芯片，模组化写一次模拟的程序，会比你每次都重写来的容易。
（翻译完毕）
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