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我们来动手编写计算机仿真器

你决定要写一个软件仿真器吗?好极了,这篇文档可能对你有帮助,它涵盖了人们在写仿真器时会提出的一些常见技术问题,同时它也给你了一张模拟器内部的“蓝图”,对你写仿真器多少会有帮助。

你可以仿真什么东西?
基本上只要有微处理器的东西都可以被仿真,当然了,只有那些用来运行软件的设备才值得去仿真,包括:

计算机
计算器
电子游戏机
街机
等等
有必要指出你可以仿真任何计算机系统,即使它很复杂(例如 Commodore Amiga 计算机 *),不过仿真的性能会非常差。(* 译者注:Commodore Aimga 一款功能强大的游戏机,其性能赶上甚至超过了同时代的 PC。 )

什么是“仿真”?它和“模拟”有什么区别?
仿真(emulate)的目标是模仿设备的内部设计,而模拟(simulate)旨在模拟设备的功能。举个例子,在一个模拟 Pacman 街机硬件的程序上跑 Pacman ROM * 就是一个仿真器,而仿照街机的画面在计算机上写出来的 Pacman 游戏就是模拟器。(* 译者注:ROM 是指保存硬件“系统”代码的只读存储器。)

仿真有专利的硬件是否合法?
这个问题的答案模棱两可,但只要你通过合法途径获取信息,那么即使仿真有专利的硬件也是合法的。但要注意,若你在发布仿真器的同时发布了有版权保护的系统 ROM(BIOS 等)是非法的。

什么是“解释型”仿真器?它和“重新编译型”仿真器有什么区别?
你可以使用三种基本模式来实现仿真器,为了得到最佳效果,你可以组合使用这三种模式。

解释型
仿真器从存储器逐个字节读取仿真器的代码,解码,然后对仿真寄存器、存储器、输入输出设备执行相应的命令。这一类仿真器的通用算法如下:

while(CPUIsRunning) {
 Fetch OpCode
 Interpret OpCode
 }

这个模型的优点在于便于调试、移植性好、好同步(很容易就能数出过了多少个时钟周期,然后用它来控制仿真器。)

但它有一个很明显弱点,性能差。解释需要占用很多 CPU 时间,为了让代码跑出像样的速度,你可能需要一台很好的计算机。

静态重新编译型
利用这种技术,你可以把仿真程序翻译成计算机的汇编代码,最后你将得到一个可执行文件,你可以在你的计算机上运行,无需任何特殊工具。虽然静态重新编译听起来不错,但它并非总是可行,例如,如果一个会修改自己的程序,你就没有办法静态重新编译,因为你不知道它会变成什么样,除非你运行它。为了防止这种情况,你可以把静态重新编译器和解释器或动态编译器合在一起使用。

动态重新编译行
动态和静态重新编译本质上是一回事,只是它发生在程序执行时。它并不会一次编译全部的代码,而是在遇到 CALL 或 JUMP 指令时动态地编译代码。为了提高速度,这种技术可以和静态重新编译合在一起用。关于动态重新编译的更多内容,你可以阅读 Ardi 的白皮书,Macintosh 的重新编译型仿真器就是它发明的。

如果我想写仿真器,应该从哪里入手?
为了写仿真器,你必须掌握计算机编程和数字电路。如果你写过汇编程序,也会非常有帮助。

选择一种编程语言。
找到和要仿真的硬件相关的一切信息。
实现一个 CPU 仿真器或找一份现成的代码。
写一些仿真其他硬件的代码,至少要写一部分。
这时,写一个内置的小调试器会很有帮助,它可以停止仿真然后看到程序在做什么,你可能还需要一个目标系统汇编语言的反汇编器,如果没有就自己写一个。
试着在你的仿真器上运行程序。
使用反汇编器和调试器观察程序如何使用硬件,合理调整代码。
应该用什么编程语言?
C 和汇编是首选,它们各自的利弊如下:

汇编语言
+ 生成代码的速度通常比较快。
+ 仿真 CPU 的寄存器可以直接保存在运行仿真器的 CPU 的寄存器中。
+ 很多操作码可以用运行仿真器的 CPU 的操作码来仿真。
- 代码不可移植,不能在不同的体系结构上运行。
- 代码难以调试和维护。

C
+ 代码可以移植,能在不同的计算机和操作系统上运行。
+ 调试和维护相对比较容易。
+ 对硬件的工作行为的假设比较容易检验。
-  C 通常比纯汇编代码慢。

上哪弄要仿真的硬件的信息?
下面列出了一些你可能想要

新闻组
comp.emulators.misc
这个新闻组专门用来讨论有关计算机仿真的问题,很多仿真器作者都读它,虽然它有点吵。发言前请先阅读它的 FAQ。
comp.emulators.game-consoles
和 comp.emulators.misc 很像,但针对电子游戏设备的模拟,发言前阅读 comp.emulators.misc 的 FAQ。
comp.sys./emulated-system/
comp.sys.* 下是特定型号的计算机,阅读这个新闻组,你可能会得到很多有用的技术信息。在这些讨论组发言之前请先阅读相关的 FAQ。
alt.folklore.computers
rec.games.video.classic
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Console and Game Programming
Arcade Videogame Hardware
Computer History and Emulation
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Emulation Programmer's Resource
如何仿真 CPU?
首先,如果你只需要仿真一个标准的 Z80 或 6502 CPU,你可以用我写的 CPU 仿真器。不过它们的适用范围有限。

如果你想自己写一个 CPU 仿真器核心,或对它们如何工作感兴趣,下面我给出了一个典型的 CPU 仿真器框架。在实际的仿真器中,你可能跳过其中某些部分或添加一些自己的代码。

Counter = InterruptPeriod;
PC = InitialPC;
 for (;;) {
     OpCode = Memory[Pc];
     Counter -= Cycles[OpCode];
     switch (OpCode) {
     case OpCode1: case OpCode2: ...
 }
     if (Counter <= 0) {
         /* 检查中断或做其它事 */
 /* 这里是循环任务 */
         ...
        Counter += InterruptPeriod;
        if (ExitRequired) break;
     }
 }

首先我们为 CPU 时钟周期计数器(Counter)和程序计数器(PC)赋初值:


Counter = InterruptPeriod; PC = InitialPC;

Counter 中保存了距离下一次中断还有多少个 CPU 时钟周期,注意当 Counter 减为 0 中断并不一定发生:利用这点你可以很多其他事,例如同步计时器,更新屏幕的扫描行,稍候我会细讲。PC 中保存了一个存储器地址,仿真的 CPU 将从该地址中读出下一个操作码(opcode)。


赋完初始值,我们开始主循环:

for (;;) {
你也可以这样实现循环:

while (CPUIsRunning) {

这里的 CPUIsRunning 是一个布尔型变量,这么做的好处是你可以随时把 CPUIsRunning 设为 0 来结束循环。不幸的是,每次都在循环中检查这个变量都会占用很多的 CPU 时间,如果可以最好别这样做。另外,不要这样实现循环:

while (1) {

因为在这个例子中,有的编译器会生成“检查 1 是否为真”的代码,你可不希望编译器每次循环时都做无用功。

现在,我们进入了循环,第一件事就是读取下一个操作码,然后修改程序计数器:

OpCode = Memory[Pc];

注意,尽管这是仿真器“从存储器读取数据”最简单、也是最快速的方法,但它不总是可行,关于访问存储器更通用的方法,我稍后会提。


取出操作码后,我们将 CPU 时钟周期计数器减去这个操作码所需时间:

Counter-=Cycles[OpCode];

Cycles[] 表中保存了所有操作码所需花费的 CPU 时钟周期数。小心,某些操作码(例如条件转移或子例程调用)花费的时钟周期数会根据参数的变化而变化,不过这可以在后续的代码中调整。

接着是解释操作码并执行:

switch (OpCode) {

一个常见的误区是认为 switch() 结构的效率低,因为它会编译成一连串的 if() .. else if().. 语句。没错,当条件数很少时,switch() 结构的确会编译为一连串的 if 语句,但如果超过 100 个,就会编译成一个跳转表,这样效率就会很高。

解释操作码的方法有两种。一种是建一张函数表,根据它调用相应函数,这种方法的效率比 switch() 低,因为函数调用会带来额外开销(overhead)。另一种是建一张标签(label)表,然后用 goto 语句跳到相应标签,虽然这种方法比 switch() 更快,但只有那些提供了“预计算标签”的编译器才能使用,其他编译器不允许你创建标签地址的数组。

当我们解释完操作码并执行相应操作之后,是时候检查一下是否需要中断了。这时你还可以执行那些需要和系统时钟同步的任务:

if (Counter <= 0) { /* 检查中断,进行一些其他的硬件模拟 */
     ...
 Counter += InterruptPeriod;
     if (ExitRequired) break; }

循环任务一会儿再说。

注意,我们不仅仅令 Counter = InterrputPeriod,而是用 Counter += InterruptPeriod:这样时钟周期计数才精确,因为 Counter 中保存的时钟周期数可能是负的。

再来看这行:

if (ExitRequired) break;

因为在每遍循环中检查退出的代价实在太大,所以我们只在 Counter 减到 0 以下时检查: 当你把 ExitRequired 设为 1 时不但能退出仿真,而且不会花费太多的 CPU 时间。

如何处理对仿真存储器的访问?
访问仿真存储器最简单的方式就是把存储器当作一个字节(或字,等等)数组来处理,这样访问起来就容易了:

Data = Memory[Address1]; /* 从 Address1 读取数据 */
Memory[Address2] = Data; /* 把数据写到 Address2  */

这样虽然很简单,但并不总是成立,原因有以下几个:

页式存储器
存储器的地址空间可能划分为了可交换页(也叫块),这么做通常是为了在地址空间很小(64 KB)时增加存储器空间。
镜像存储器
同一块存储器区域可能可以在多个不同的地址访问到,例如你写到 $4000 号存储器单元的数据可能出现在 $6000 和 $8000 号单元。如果使用了不完全地址解码 *,ROM 也有可能有镜像。(译者注:不完全地址解码)
ROM 保护
一些卡带式软件(例如 MSX游戏)会往自己的 ROM 中写数据,如果成功,它就会停止工作,这么做通常是为了保护版权。为了让这样的软件能在你的仿真器上工作,你必须屏蔽往 ROM 写数据的功能。
存储器映射输入/输出
系统中可能有存储器映射输入/输出设备,访问这样的存储器单元会产生“特殊效果”,因此需要追踪这样的读写操作。(译者注:存储器映射输入/输出是CPU 和外设通信的一种渠道)
为了解决这些问题,我们引入两个函数:

Data = ReadMemory(Address1); /* 从 Address1 读取数据 */
WriteMemory(Address2,Data); /* 往 Address2 写数据 */

所有特殊的处理,例如对页的访问、镜像、I/O 处理等等都放到这些函数中去完成。

ReadMemory() 和 WriteMemory() 通常会给仿真器带来大量额外开销,加上它们的调用频率很高,所以必须足够高效才行。下面这个例子中的函数访问了分页的地址空间:

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 inline 关键字,它告诉编译器:把函数嵌入代码中,而不是调用它们,如果你的编译器不支持 inline 或 _inline,可以用 static 关键字:有的编译器(例如 WatcomC)会优化 static,把函数嵌入代码。

同时记住,在绝大多数情况中调用 ReadMemory() 的频率要比调用 WriteMemory() 高出几倍,因此不妨把更多的代码放到 WriteMemory() 中去实现,而让 ReadMemory() 尽可能简短。

注释:存储器镜像
正如前面所说,很多计算机都有镜像 RAM,写到某个存储器单元的值可能出现在其他单元中。虽然这种情况可以在 ReadMemory() 中处理,但最好别这么做,因为 ReadMemory() 的调用频率比 WriteMemory() 高, 在 WriteMemory() 函数中实现存储器镜像更高效。

什么是循环任务?
循环任务(cyclic task)是仿真机中定期发生的事件,例如:

屏幕刷新
VBlank 和 HBlank 中断 (译者注:VBlank:水平回扫;HBlank:垂直回扫)
更新计时器
更新声音参数
更新键盘/手柄状态
等等
为了仿真这些任务,你必须让它们每过一个固定的 CPU 时钟周期就发生一次,比如假设 CPU 的主频为 2.5MHz 而显示器的刷新率为 50HZ(PAL 视频标准),那么 VBLANK 中断就应该每隔 2500000/50 = 50000 个 CPU 时钟周期发生一次。

现在假设整个屏幕(VBlank)有 256 行高,实际显示了其中的 212 行(剩下的 44 行需要垂直回扫),那么我们就可以得到仿真器必须每隔 50000/256 ~= 195 个 CPU 时钟周期内刷新一行。

这样,你就应该在 (256-212)*50000/256 = 44*50000/256 ~= 8594 个 CPU 时钟周期内产生一个 VBlank 中断,并等待 VBlank 完成工作,这期间什么都不做。

仔细计算每项任务所需的 CPU 时钟周期数,然后用它们的最大公约数作为 InterruptPeriod,,所有的循环任务每隔这段时间就会进行检查(但不一定会在每次 Counter 减为 0 时都执行)。

如何优化 C 代码?
首先使用正确的编译优化选项可以大大提高代码的性能,根据我的经验,下面这些标志组合的执行速度是最快的:

Watcom C++      -oneatx -zp4 -5r -fp3
GNU C++         -O3 -fomit-frame-pointer
Borland C++
如果你找到了更好的设置方法,请让我知道。

循环展开的注释
打开编译器的“循环展开”选项可能会起作用,这个选择试图把短的循环展开成线性的代码,但根据我的经验,这个选项的效果并没有传说中的那么好,在一些特殊情况下反而会降低代码的性能。

优化 C 代码本身比设置选项要难一些,而且通常依赖于目标 CPU,下面几条规则适用于所有 CPU,但不要把它们视作绝对真理,因为你遇到的情况可能不同:

使用性能分析工具!
用一个好的性能分析工具(我首先想到的就是 GPROF)来分析你的程序可能会带来意想不到的效果,你可能会找到那些运行频率最高、降低了整个程序速度的代码,优化这些代码或者用汇编语言重写会大大提升程度的性能。
不要用 C++
不要使用 C++ 编译器支持而纯 C 编译器不支持的结构,因为 C++ 编译器生成的代码通常会有额外开销。
整数大小
使用 CPU 提供的基本整数类型,比如 int 而不是 short 或 long,因为这样不但能减少编译器生成代码(用来转换整型长度)的数量,而且能减少访存次数,因为如果数据的大小和 CPU 读/写存储器数据的大小一致,就可以一次完成读写。
寄存器分配
在每段代码中少用一些变量,并把使用频率最高的变量声明为寄存器变量(绝大多数新版编译器都会自动把变量放到寄存器中)。这对那些有很多通用寄存器(PowerPC)的 CPU 很有效,但对那些仅有少量寄存器的 CPU(Intel 80x86)就不一定了。
展开小循环
如果代码中有一个小循环执行了很多次,最好把它手动展开,见“自动循环展开”的注释。
移位代替乘除
当你需要乘或除 2 的 n 次方时使用移位操作(J/128==j>>7)。它们在绝大多数的 CPU 上都很快/另外,使用 AND 位操作来实现求模(J%128==J&0x7F)。
什么是字节序?
CPU 可以根据在存储器中保存数据的方式分类,除了一些特殊情况,绝大多数 CPU 可分为以下两类:

大端序
大端序(High-endian)的 CPU 在存储器中保存数据时字(word)的低位字节会先出现。例如,如果你把 0x12345678 保存在大端序的 CPU 时,存储器看起来像这样:

0  1  2  3
+--+--+--+--+
|12|34|56|78|
+--+--+--+--+

小端序
小端序(Low-endian)的 CPU 在存储器中保存数据时字的高位字节会先出现。相同的例子在小端序 CPU 中会看起来大不相同:

0  1  2  3
+--+--+--+--+
|78|56|34|12|
+--+--+--+--+
大端序 CPU 典型的例子是 6809、Motorola 680x0 系列、PowerPC 和 Sun SPARC。小端 CPU 包括 6502 和它的后代 65816、Zilog Z80、绝大多数 Intel 芯片(包括 8080 和 80x86)、DEC Alpha 等等。

typedef union {
  short W; /* 按字访问 */
 struct /* 按访问... */ {
#ifdef LOW_ENDIAN
     byte l,h; /* ...在小端序结构中 */
#else
 byte h,l; /* ...在大端序结构中 */
#endif
 } B;
} word;

正如你所见,你可以用 w 来访问整个字。尽管仿真器每次需要以独立的字节访问字,但你心里只要想 B.I 和 B.h 就行了。

如果你需要在不同的平台上编译程序,可能需要在仿真前测试一下它的字节序,然后设置相应的编译标志。以下方法可以完成测试:

  int *T;

  T=(int *)"";
  if(*T==1) printf("This machine is high-endian.n");
  else      printf("This machine is low-endian.n");

怎样提高程序的移植性?
待续。

为什么要模块化?
绝大多数计算机系统是由多块芯片组成的,它们各自完成了系统的部分功能。因此有 CPU、视频控制器、声音发生器,等等,有的芯片可能有自己的存储器和相连的硬件。

典型的仿真器应该在独立的模块中实现各个子系统的功能,从而还原系统的设计。首先,这样调试起来更简单,因为所有的错误都锁定在了一个模块中。其次,如果把体系结构模块化,就可以在其他仿真器中重用模块。计算机硬件的标准有规范:你完全可以在不同的计算机模型中找到相同的 CPU 或视频芯片,与其为每台计算机都实现一次芯片,不如只仿真一次,这样会轻松很多。

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