模拟器如何工作？当我看到NES/SNES或C64模拟器时,它让我震惊.
您是否必须通过解释其特定的装配说明来模拟这些机器的处理器？还有什么进入它？它们通常是如何设计的？
你能为有兴趣编写模拟器(特别是游戏系统)的人提供建议吗？
仿真是一个多方面的领域.以下是基本思想和功能组件.我要把它分成几块,然后通过编辑填写细节.我要描述的许多内容都需要了解处理器的内部工作原理 - 装配知识是必要的.如果我对某些事情有点过于模糊,请提出问题,以便我可以继续改进这个答案.
仿真通过处理处理器和各个组件的行为来工作.您构建系统的每个单独部分,然后像硬件中的电线一样连接这些部分.
有三种处理处理器仿真的方法:
解释
动态重新编译
静态重新编译
通过所有这些路径,您可以拥有相同的总体目标:执行一段代码来修改处理器状态并与"硬件"进行交互.处理器状态是给定处理器目标的处理器寄存器,中断处理程序等的集合体.对于6502,你必须代表寄存器编号8位整数的:A,X,Y,P,和S; 你还有一个16位PC寄存器.
通过解释,您可以从IP(指令指针 - 也称为PC程序计数器)开始,并从内存中读取指令.您的代码解析此指令并使用此信息来更改处理器指定的处理器状态.解释的核心问题是它很慢; 每次处理给定的指令时,都必须对其进行解码并执行必要的操作.
通过动态重新编译,您可以像解释一样迭代代码,但不是仅执行操作码,而是构建操作列表.到达分支指令后,将此操作列表编译为主机平台的机器代码,然后缓存此编译代码并执行它.然后,当您再次点击给定的指令组时,您只需要执行缓存中的代码.(顺便说一句,大多数人实际上并没有列出指令,而是将它们编译成机器代码 - 这使得优化更加困难,但这超出了这个答案的范围,除非有足够的人感兴趣)
使用静态重新编译时,您可以执行与动态重新编译相同的操作,但是您可以使用分支.您最终构建了一段代表程序中所有代码的代码,然后可以执行这些代码而不会产生进一步的干扰.如果不是出于以下问题,这将是一个很好的机制:
不在程序中开始的代码(例如,在运行时压缩,加密,生成/修改等)将不会被重新编译,因此它不会运行
已经证明,找到给定二进制文件中的所有代码等同于停止问题
这些结合使得静态重新编译在99%的情况下完全不可行.有关更多信息,Michael Steil对静态重新编译做了一些很好的研究 - 这是我见过的最好的.
处理器仿真的另一面是与硬件交互的方式.这确实有两个方面:
处理器时序
中断处理
某些平台 - 尤其是NES,SNES等旧式控制台 - 要求您的仿真器具有完全兼容的严格时序.使用NES,你有PPU(像素处理单元),它要求CPU在精确的时刻将像素放入其内存中.如果使用解释,您可以轻松计算周期并模拟正确的时间; 使用动态/静态重新编译,事情是/很多/更复杂.
中断是CPU与硬件通信的主要机制.通常,您的硬件组件会告诉CPU它关心的中断.这非常简单 - 当您的代码抛出给定的中断时,您会查看中断处理程序表并调用正确的回调.
模拟给定硬件设备有两个方面:
模拟设备的功能
模拟实际的设备接口
以硬盘为例.通过创建后备存储,读/写/格式例程等来模拟该功能.这部分通常非常简单.
设备的实际接口有点复杂.这通常是存储器映射寄存器的某种组合(例如,设备监视变化以执行信令的存储器的部分)和中断.对于硬盘驱动器,您可能有一个内存映射区域,您可以在其中放置读取命令,写入等,然后再读取此数据.
我会详细介绍,但有一百万种方法可以用它.如果您有任何具体问题,请随时提问,我会添加信息.
我想我在这里给出一个很好的介绍,但也有吨的其他领域.我很乐意帮助解决任何问题; 由于其极大的复杂性,我在大多数情况下都非常模糊.
模拟器
动态重新编译
Zophar - 这是我开始模仿,首先下载模拟器并最终掠夺他们庞大的文档档案的地方.这是您可能拥有的绝对最佳资源.
NGEmu - 没有多少直接资源,但他们的论坛是无与伦比的.
RomHacking.net - 文档部分包含有关流行控制台的机器架构的资源
IronBabel - 这是一个.NET的仿真平台,用Nemerle编写,并在运行时重新编译代码到C#.免责声明:这是我的项目,所以请原谅无耻的插件.
BSnes - 一个令人敬畏的SNES仿真器,其目标是周期完美的准确性.
MAME - 的街机模拟器.很好的参考.
6502asm.com - 这是一个JavaScript 6502模拟器,有一个很酷的小论坛.
dynarec'd 6502asm - 这是我在一两天内做的一点点黑客攻击.我从6502asm.com获取现有的模拟器并将其更改为动态地将代码重新编译为JavaScript以大幅提高速度.
由Michael Steil(上面引用)完成的静态重新编译研究在本文中达到高潮,你可以在这里找到源代码等.
自提交这个答案以来已经有一年多的时间了,并且已经得到了所有关注,我认为是时候更新一些东西了.
也许现在仿效中最令人兴奋的事情是libcpu,由前面提到的Michael Steil开始.它是一个用于支持大量CPU核的库,它使用LLVM进行重新编译(静态和动态!).它具有巨大的潜力,我认为它会为仿真做出巨大贡献.
emu-docs也引起了我的注意,它包含一个很好的系统文档库,这对于仿真目的非常有用.我没有花太多时间在那里,但看起来他们有很多很棒的资源.
我很高兴这篇文章很有帮助,我希望我可以在今年年底/明年年初完成这个问题.
一位名叫Victor Moya del Barrio的人写了关于这个话题的论文.152页的很多好消息.您可以在此处下载PDF .
如果您不想在scribd注册,可以谷歌搜索PDF标题,"仿真编程技术研究".PDF有几个不同的来源.
仿真可能看起来令人生畏,但实际上比模拟更容易.
任何处理器通常都有一个编写良好的规范,用于描述状态,交互等.
如果您根本不关心性能,那么您可以使用非常优雅的面向对象程序轻松模拟大多数旧处理器.例如,X86处理器需要某些东西来维护寄存器的状态(简单),维护内存状态(简单),以及将每个传入命令应用到机器当前状态的东西.如果你真的想要准确性,你也会模仿内存翻译,缓存等,但这是可行的.
实际上,许多微芯片和CPU制造商针对芯片的仿真器测试程序,然后针对芯片本身进行测试,这有助于他们发现芯片的规格是否存在问题,或者是硬件中芯片的实际实现.例如,可以编写会导致死锁的芯片规范,并且当硬件中出现截止日期时,重要的是看它是否可以在规范中再现,因为这表明比芯片实现中的问题更大的问题.
当然,视频游戏的模拟器通常关心性能,因此它们不使用天真的实现,并且它们还包括与主机系统的OS接口的代码,例如使用绘图和声音.
考虑到旧视频游戏(NES/SNES等)的性能非常低,在现代系统上仿真非常容易.事实上,你可以下载一套有史以来的每一款SNES游戏或任何Atari 2600游戏更令人惊讶,因为当这些系统受欢迎时,可以自由访问每个墨盒,这将是梦想成真.
我知道这个问题有点陈旧,但我想在讨论中加入一些内容.这里的大多数答案都围绕着模拟器解释他们模拟的系统的机器指令.
然而,有一个非常着名的例外,称为"UltraHLE"(WIKIpedia文章).UltraHLE是有史以来最着名的模拟器之一,它被广泛认为是不可能的,仿效商用Nintendo 64游戏(在家用电脑上具有不错的性能).事实上,当UltraHLE诞生时,任天堂仍在为Nintendo 64制作新游戏!
我第一次看到有关印刷杂志中模拟器的文章,之前我只在网上讨论过它们.
UltraHLE的概念是通过模拟C库调用而不是机器级调用来实现不可能的.
值得一看的是Imran Nazar尝试用JavaScript 编写Gameboy模拟器.
创建了我自己的80年代BBC微型计算机模拟器(将VBeeb输入Google),有很多事情需要了解.
你不是仿效真实的东西,那将是一个复制品.相反,你是在模仿国家.一个很好的例子是计算器,真实的东西有按钮,屏幕,外壳等.但是要模拟计算器,你只需要模拟按钮是向上还是向下,LCD的哪些部分打开等等.基本上,一组数字表示可以在计算器中更改的所有可能的组合.
您只需要模拟器的界面出现并表现得像真实的东西.这越有说服力就越接近仿真.幕后发生的事情可以是你喜欢的任何事情.但是,为了便于编写仿真器,在真实系统(即芯片,显示器,键盘,电路板和抽象计算机代码)之间会发生心理映射.
要模拟计算机系统,最简单的方法是将其分解为更小的块并单独模拟这些块.然后将整批产品串在一起作为成品.就像一组带输入和输出的黑盒子一样,它非常适合面向对象的编程.您可以进一步细分这些块以使生活更轻松.
实际上,您通常希望编写速度和仿真保真度.这是因为目标系统上的软件(可能)运行速度比源系统上的原始硬件慢.这可能会限制编程语言,编译器,目标系统等的选择.
此外,你必须限制你准备模拟的东西,例如它不必模拟微处理器中晶体管的电压状态,但它可能是必要的模拟微处理器的寄存器组的状态.
一般来说,仿真的细节程度越小,您对原始系统的保真度就越高.
最后,旧系统的信息可能不完整或不存在.因此,原有设备得到保持是至关重要的,或者至少相隔撬别人写了另一个很好的模拟器!
是的,您必须"手动"解释整个二进制机器代码混乱.不仅如此,大多数时候您还必须模拟一些在目标机器上没有等效物的奇特硬件.
简单的方法是逐个解释说明.这很好,但速度很慢.更快的方法是重新编译 - 将源机器代码转换为目标机器代码.这更复杂,因为大多数指令不会一对一映射.相反,您将不得不进行涉及其他代码的复杂解决方案.但最终它要快得多.大多数现代模拟器都这样做.
在开发仿真器时,您将解释系统正在处理的处理器组件(Z80,8080,PS CPU等).
您还需要模拟系统具有的所有外围设备(视频输出,控制器).
你应该开始为simpe系统编写模拟器,比如好老的Game Boy(使用Z80处理器,我不是没有误)或者是C64.
模拟器非常难以创建,因为您需要模拟许多黑客(如不常见的效果),计时问题等.
有关此示例,请参阅http://queue.acm.org/detail.cfm?id=1755886.
这也将向您展示为什么您需要一个用于模拟1MHz频率的多GHz CPU.
另外,请查看Darek Mihocka的Emulators.com,获取有关JIT指令级优化的建议,以及构建高效仿真器的许多其他好处.
我从来没有做过任何如此模仿游戏控制台的事情,但我确实参加过一次课程,其任务是为Andrew Tanenbaums Structured Computer Organization中描述的机器编写模拟器 .这很有趣,给了我很多时刻.在潜入编写真正的模拟器之前,您可能想要选择该书.
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