如何编写计算机模拟器

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:

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:

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

WWW

 

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。

首先我们指定 CPU 周期记数器 (Counter),以及指令位址记数器 (PC)

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:

主循环也可以写成这样:

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:

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。

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。

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:

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。

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

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:

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:

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:

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:

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 0x12345678,内存的内容会长像这样:

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。

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:

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。

 

 

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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