如何編寫計算機模擬器
早期在 PC 上寫模擬器的牛人，Marat Fayzullin 是其中之一。1997 年，他就已經開發出 fMSX 模擬器，并且以這篇文章《How to write a computer emulator?》分享他的知識。中文翻譯的網頁已經不存在了，可惜。
下面是閱讀后的整理：
綱要：
●什麼可以被模擬？
●什麼是 emulation，它跟 simulation 有什麼不同？
●模擬有專利的硬件，是合法的嗎？
●什麼是直譯式的模擬器，跟編譯式的模擬器有何不同？
●我想寫一個模擬器，我該從何開始？
●我該用哪一種程序語言？
●我從哪裡可以得到想模擬的硬體的資訊？
實現：
●如何模擬一個 CPU？
●如何存取被模擬的內存？
●周期性的運作有哪些？
程序技巧：
●如何優化 C 程序碼？
●什麼是高低字節順序？
●如何讓程序具可移植性？
●為何我要模組化我的程序？
什麼可以被模擬？
基本上，任何東西有微處理器在裡面，就可模擬。當然，只有那些可以跑程序裝置，我們才有興趣模擬。包括：電腦、計算機、游樂器、大型電動、其他……
必須特別註明，你可以模擬任何電腦系統，即是事非常復雜的系統（譬如 Amiga 電腦），但是執行效率可能很低。
什麼是 Emulation，它跟 Simulation 有什麼不同？
Emulation 模擬裝置內部的硬體，Simulation 是模擬裝置內部的功能。舉例來說，一個程序模擬小精靈大型電動的硬體，然后執行小精靈的 ROM，就是個 emulator。一個小精靈的 PC 游戲，就是個 simulator。
模擬有專利的硬體，是合法的嗎？
這是個灰色地帶，只要你不是透過不合法的管道，拿到硬體的資訊，就應該不違法。但是很清楚知道，跟模擬器一起散佈有著作權的系統 ROM（例如 BIOS），是違法的。
什麼是直譯式的模擬器，跟編譯式的模擬器有何不同？
模擬器有三種設計的方式，這些設計也可以混用，來達到最好的效果。
直譯式
模擬器一個位元又一個位元的，從內存讀取代碼，然后解碼，執行對應的暫存器、內存、輸出入的命令。通用的演算法如下：
- while(CPUIsRunning)
- {
- Fetch OpCode
- Interpret OpCode
- }
這種設計的好處是，容易除錯，容易移植，容易同步（你只需要計算過了多少 CPU 周期，然后讓你模擬的其他部份，跟 CPU 同步）。
這種設計明顯的弱點，就是執行效率很差。執行直譯會花很多 CPU 時間，你會需要很快的電腦，才能有不錯的執行速度。
靜態編譯式
這種技術，就是把一支你要模擬的系統的代碼，編譯成你的電腦的的匯編語言。編譯的結果，通常是一支你的電腦的普通執行檔，不需要額外的工具就可以執行。靜態編譯，聽起來很美好，但通常不可行。例如，你就無法靜態編譯會自我修改的代碼，因為這種代碼只有執行時，才會知道內容是什麼。為瞭解決上述的問題，或許需要混用直譯器，或是動態編譯編譯器。
動態編譯式
動態編譯基本上跟靜態編譯一樣，但動態編譯發生在程序執行時。動態編譯是在執行到 CALL 或 JUMP 時才編譯，取代一開始就編譯一整個程序。為了增加執行效率，這種技術常常結合靜態編譯。你可以讀，動態編譯式麥金塔模擬器的作者 Ardi，的這篇動態編譯白皮書學到更多
我想寫一個模擬器，我該從何開始？
想要寫一個模擬器，你必須懂程序設計，以及數位電子。如果懂得匯編語言，會更好。
1. 選一種程序語言
2. 找到所有被模擬硬體的所有資訊
3. 寫 CPU 模擬，或是選用一個現成的 CPU 模擬程序
4. 寫個粗略的其他周邊硬體的模擬，至少要一部分
5. 在這個時候，寫個內建除錯器，讓你可以暫停模擬，檢查程序執行的結果。你也會需要一個被模擬 CPU 的匯編語言反組譯器。如果找不到現成的，就自己寫一個。
6. 試著用你的模擬器執行程序
7. 用除錯程序跟反組譯器，看看程序到底在干麼，然后根據此修改你的模擬器
我該用哪一種程序語言？
最常被用到是 C 跟匯編語言，各有優缺點。
匯編
+ 通用，可以產生速度快的程序碼
+ 可以直接使用暫存器，來映射被模擬的暫存器
+ 很多匯編語言指令，可以對應到被模擬的匯編語言指令
- 程序是不可移植的，換句話說，你的模擬器，不能在別種 CPU 上跑
- 很難除錯跟維護
C 語言
+ 可移植性，所以可以在不同的作業系統上跑
+ 相對容易除錯跟維護
+ 對硬體的不同假設，可以很快的測試
- 通常 C 語言的程序比匯編語言的程序慢
要寫模擬器，對所選擇的語言，瞭解得很透徹，是絕對必要的。因為模擬器的程序很復雜，你要優化你的模擬器，讓它跑得越快越好。電腦模擬器程序，絕對不是你越來學習程序語言的專案。
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我從哪裡可以得到想模擬的硬體的資訊？
下列地方，你會想去看一看：
●網路新聞群組
comp.emulators.misc
這個新聞群組，討論模擬器一般的問題。許多模擬器作者會訂閱，雖然裡面雜音很多。如果要貼問題到這個新聞群組，記得先看 c.e.m FAQ 常見問題。
comp.emulators.game-consoles
跟 comp.emulators.misc 一樣，不過這個新聞群組，專攻電視游樂器的模擬器。如果要貼問題到這個新聞群組，記得先看 c.e.m FAQ 常見問題。
comp.sys./emulated-system/
comp.sys.* 新聞群組階層，專攻特定的電腦系統。你閱讀這些新聞群組，可以得到有用的技術資料。典型的例子：
- com.sys.msx MSX / MSX2 / MSX2+ / TurboR 電腦
- comp.sys.sinclair Sinclair ZX80/ZX81/ZXSpectrum/QL
- comp.sys.apple2 Apple ][
如果要發問題到這個新聞群組，記得先看 FAQ
alt.folklore.computers
rec.games.video.classic
FTP
如何模擬一個 CPU？
首先，如果你需要模擬一個標準的 Z80 或 6502 CPU，你可以使用 Marat Fayzullin 所寫的 CPU 模擬器 當然有些限制。
對那些想要自己寫 CPU 模擬核心，或是對其中的運作原理感性趣的人，我提供一個用 C 寫的范例架構如下，在真正的實做，你或許會考慮略過其中部份，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;
- }
- }
首先我們指定 CPU 周期記數器 (Counter)，以及指令位址記數器 (PC)
- Counter=InterruptPeriod;
- PC=InitialPC;
Counter 紀錄了到下一次系統中斷發生，還剩多少個 CPU 周期。注意當 Counter 過其實，系統中斷不必然發生。你可以利用他來處理其事情：像是時鐘同步，更新螢幕的掃瞄線等。等等，我們會討論這些。PC 則紀錄了CPU 會從那個內存位址，讀取下次的執行的指令。
在我們給這些設定初始值之后，然后開始進入主循環：
- for(;;)
- {
主循環也可以寫成這樣：
- while(CPUIsRunning)
- {
CPUIsRunning 是個布林值，這樣寫有個好處，你可以在任何時候，設 CPUIsRunning＝0，來終止主循環。然而在每個循環檢查這個變數，會花不少的 CPU，而我們應該盡量減少花費 CPU。同時，不要寫成下面這樣子：
- while(1)
- {
因為這樣寫，編譯器產生代碼，去檢查 1 為 “真” 或 “假”，你不會希望在主循環的每個循環，都去執行這多餘的動作。
現在我們在主循環內，第一件事，就是去讀下一個執行碼，然后修改程序位址記數器。
- OpCode=Memory[PC++];
注意，這是最簡易的方式，來模擬讀取內存，但并非永遠可行。更通用的方式，來存取內存，稍后會提到。
在提取操作碼后，會從 CPU 周期計數器，扣掉這個指令所需的周期數。
- Counter-=Cycles[OpCode];
Cycles[] 表內放的是每個操作碼，所需要的周期數。要特別注意，有些指令（例如條件式跳躍，或是呼叫副程序），需要的周期數，是跟操作后面緊接的參數而變動。這個可以在執行指令碼時調整。
現在該是解譯操作碼，然后跟著執行的時候了：
- switch(OpCode)
- {
有一個錯誤的觀念，認為 switch 語句是沒有效率的，因為會被編譯成 if () …… else if () …….. 語句。這只有在 case 數量很少的 switch 語句，才會被這樣編譯。當有 100 到 200 個 case 的時候，switch 語句通常會被翻譯成 jump 表格，jump 表格，其實蠻有效率的。
有其他兩種替代方案，可以用來解譯操作碼。第一種方法，是建一個函式表，然后呼叫對應的函式。這種方式，比用 switch() 沒效率，因為呼叫函式，有額外的開銷。第二種方式，是建一個位址的表格，然后使用 goto 語句。這種方式，稍比用 switch() 有效率一點，但這種方式，只適合用在編譯器支援未預定位址表格。其他的編譯器，不會允許你這樣定義表格。
在成功解譯并執行一個操作碼后，這時候該去檢查有沒有任何系統中斷發生。這時候，你也可以執行任何需要跟系統時鐘同步的工作。
- if(Counter<=0)
- {
- /* Check for interrupts and do other hardware emulation here */
- ...
- Counter+=InterruptPeriod;
- if(ExitRequired) break;
- }
有關周期性的工作，后面會提到。
注意，我們并非直接指定 Counter=InterruptPeriod，而是執行 Counter+=InterruptPeriod，這樣會讓周期的計算更精確，因為有時候，Counter 會變成負數。
同時，注意這
- if(ExitRequired) break;
這個語句如果在每個循環都執行，成本太高，所以只有在中斷發生時才檢查。這樣就可以在 ExitRequired=1 時，停止模擬，但又不會花太大的成本。
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如何存取被模擬的內存？
模擬內存存取最簡單的方式，就是把它當成一個攤平的位元組或字元組陣列。如此，存取內存，就是一件微不足道的事情：
- Data=Memory[Address1]; /* Read from Address1 */
- Memory[Address2]=Data; /* Write to Address2 */
這種簡易的作法，并非永遠可行，原因如下：
●分頁式的內存 ?內存空間，可能被切成小塊，變成可以切換的頁，就是所謂的 banks。例如常見的，小內存位址空間（ 64 KB），所使用的擴充內存。
●映射的內存 ?這塊內存空間，可以用數個不同的位址來存取。例如你寫資料到位址 $4000，然后你在位址$6000，及位址 $8000，你也可以讀到。
●ROM 的讀取保護 ?有些存到卡夾的軟體（例如 MSX 的游戲），就算你寫到 ROM，回傳成功，事實上 ROM 上的資料也不會改變。這麼做，是為了做軟體保護。為了讓這樣的軟體，可以在你的模擬器運行，你需要把 ROM 設成唯讀。
●內存映射到 I/O ?系統可能有 I/O 裝置，映射到內存位址。存取這樣的內存位址，會產生特殊效果，所以必須被追蹤。
要成功處理上述問題，我們引進幾個函式：
- Data=ReadMemory(Address1); /* Read from Address1 */
- WriteMemory(Address2,Data); /* Write to Address2 */
所有特殊的處理，包括內存分頁，內存映射，I/O 的處理，等等，都在函式內處理。
ReadMemory() 跟 WriteMemory() 對模擬器造成很大的 CPU 負擔，因為它們執行的非常頻繁。因此這些函式必須寫得越有效率越好。這裡有一個存取分頁式內存的例子：
- 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;
- }
注意那個 inline 關鍵字，它會指示編譯器，直接把這些函式碼，直接插入程序中，以取代函式呼叫。如果你的編譯器，不支援 inline 或是 _inline，試著改把這些函式，宣告成 static，有些編譯器（例如 Watcom C）優化時，會把短的函式，變成 inline 函式。
同時要記住，通常 ReadMemory() 的呼叫次數，是 WriteMemory() 的好幾倍。所以盡量把程序碼放到 WriteMemory()，讓 ReadMemory() 保持簡單。
關於內存映射的一個小註記：
之前說過，被映射的內存，寫入一個位址，可以在其他位址讀取。這個功能，可以實做在 ReadMemory()，但是通常我們不這樣做，因為 ReadMemory() 比 WriteMemory() 更頻繁被呼叫。更有效率的方式，是實做內存映射到 WriteMemory()函式。
周期性的運作有哪些？
周期性的運作，是被模擬的機器，固定一段時間，就會執行的工作，例如：
- 屏幕更新
- VBlank 跟 HBlank 系統中斷
- 更新時鐘
- 更新聲音參數
- 更新鍵盤跟搖桿狀態
- 其他
為了要模擬這樣的運作，你要替它們綁上固定的周期。例如 CPU 假設以 2.5 MHz，并且以 50 Hz 更新顯示（PAL 系統），所以 VBlank 系統中斷，就會每 5000 CPU 周期，發生一次。
2500000/50 = 50000 CPU cycles
現在，假設整個螢幕是（包含 VBlank）是 256 條掃瞄線，實際上只有 212 條顯示（44 條在 VBlank），我們得到一條掃瞄線 195 個 CPU 周期，更新一次。
50000/256 ~= 195 CPU cyles
然后，我們應該產生一個 VBlank 系統中斷，然后在 VBlank 期間不做任何事情。
(256-212)*50000/256 = 44*50000/256 ~= 8594 CPU cycles
小心計算每個周期性運作所需的 CPU 周期，然后使用他們的最大公約數，作為中斷檢查的周期，然后綁定給每個周期性運作。
如何優化 C 程序？
首先，很多執行效率的增進，只要選對編譯器的編譯選項，就有了。根據我的經驗，下面的編譯選項，可以給你的最佳的執行速度：
- Watcom C++ -oneatx -zp4 -5r -fp3
- GNU C++ -O3 -fomit-frame-pointer
- Borland C++
如果你發現，這三個編譯器，更好的優化參數，或是其他的編譯器的優化參數，請讓我知道。
●一些關於把循環攤平的筆記
雖然說，把循環攤平的這個優化選項，看起來是有用的。這個選項，會把短的循環，攤平成線性的語句。但我的經驗告訴我，開啟這個選項，執行效率并不會提升太大，反而在某些情況下，程序反而會出現異常。
優化 C 程序碼，比選擇編譯器選項，還難搞。跟執行你的程序的 CPU 有很大關系。有一些通用的規則，可以適用在所有 CPU。但別把它們當成真理。
●使用分析程序
用分析工具來執行你的程序（第一個就想到 GPROF），或許可以發現你從沒懷疑的神奇事情。你會發現毫不起眼的程序，頻繁的被執行，拖慢整個程序。優化這些程序碼，或是用匯編語言改寫，可以讓你的程序執行效率飛耀。
●不要用 C++
不要用任何非用 C++ 不可的架構。C++ 跟純 C 比起來，額外的開銷比較大。
●整數的類型
盡量用你的 CPU 支持的整數類型。舉例 int 對比 short 或 long，這會減少編譯器產生不同整數行別的轉換。
●寄存器配置
盡量減少在程序區塊配置太多變數，并且宣告他們為 register （大部分的編譯器已經會自動把變數變成 register）。特別是有很多通用暫存器的 CPU （PowerPC）這個優勢，就比有專屬暫存器（Intel 8086）來的強。
●攤平小循環Unroll small loops
如果你剛好有小循環會執行好幾次，把小循環攤平成線性執行的程序，是好主意。對照前面提到的編譯器自動攤平選項。
●算術移位 vs. 乘除法
盡量用算術移位，如果你乘或除一個數是 2 的 n 次方（J/128==J>>7），算術移位在大多數的 CPU 都比較快。另外用位元的 & 來求餘數（J%128==J&0x7F）。
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什麼是高低字節順序？
所有的 CPU 通常都根據它們如何儲存資料到內存，分為幾個等級。除了非常特殊的種類，絕大多數的 CPU 分成兩個等級：
High-endian CPU 先存放 higher byte of word。例如，在這樣的 CPU 你存放 0×12345678，內存的內容會長像這樣：
- 0 1 2 3
- +--+--+--+--+
- |12|34|56|78|
- +--+--+--+--+
Low-endian CPU 先存放 lower byte of word。上述了例子，內存內容會看起來完全不一樣。
- 0 1 2 3
- +--+--+--+--+
- |78|56|34|12|
- +--+--+--+--+
典型 High-endian 的 CPU 有 6809，摩羅托拉 680×0 系列，PowerPC，及昇陽的 SPARC。Low-Endian 的 CPU 有 6502，及其后代 65816，及 zilog Z80，絕大多數 Intel CPU （8086，8088），DEC alpha 等。
當我們寫模擬器時，必須注意到，你模擬的 CPU，及執行你的模擬器的 CPU 的高低字節。舉例，我們想要模擬 low-endian 的 Z80，Z80 會先存 lower byte of word。如果你用的也是 low-endian 的 CPU，例如 intel 8006，那麼完全不需要特別處理。但是如果你用的是 high-endian 的 CPU，例如 PowerPC，這時候，要存放 16 bit 的 Z80 資料到內存，就會有問題。如果你的程序，必須兩種高低字節順序的 CPU 都能跑，問題就更復雜了。
一種解節高低字節順序的作法如下：
- 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 存取整個字節。而每次如果你需要存取個別 byte，用 B.l 及 B.w，來對應高低位元組。
如果你的程序，要在跨平臺編譯，在程序開始執行前，你也許會想要測試，是否編譯有設定正確的 endian 旗標。這裡有如何測試的程序碼。
- 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");
如何讓程序具可移植性？
尚未撰寫。
為何我要模組化我的程序？
大多數的計算機系統，是由幾塊比較大的芯片所組成，各自執行一部分的系統功能。有 CPU、顯示控制器、聲音產生器、及其他。有些芯片，有自己的內存，及周邊的硬件。
一個典型的模擬器，應該重現原有的系統設計，并實做每個子系統的功能，在不同的模組。這樣做，首先除錯會比較容易，因為問題會被獨立在各自的模組裡。其次模組化，可以讓你在別的模擬器，重復使用你的模組。電腦的硬體，其實標準化成度很高，你可以在不同型號的電腦，發現相同的 CPU，相同的顯示控制器。為某個芯片，模組化寫一次模擬的程序，會比你每次都重寫來的容易。
譯文鏈接：Shun-Yuan Chou 的博客（譯者是臺灣人，原譯文為繁體，大部分術語已轉換成簡體，可能少數術語有遺漏）
