emulation - 仿真器如何工作以及如何编写？

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模拟器如何工作？当我看到NES / SNES或C64仿真器时，我感到非常惊讶。



您是否必须通过解释特定的组装说明来模拟这些机器的处理器？还有什么呢？它们通常是如何设计的？

您可以为有兴趣编写模拟器（尤其是游戏系统）的人提供任何建议吗？

最佳答案

仿真是一个多方面的领域。这里是基本思想和功能组件。我将把它分成几部分，然后通过编辑填写细节。我将要描述的许多内容都需要了解处理器的内部工作原理-组装知识是必需的。如果我在某些方面不太清楚，请提出问题，以便我可以继续改进此答案。

基本思路：

通过处理处理器和各个组件的行为来进行仿真。您构建系统的每个单独部分，然后像连接硬件中的电线一样连接各个部分。

处理器仿真：

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


使用所有这些路径，您将具有相同的总体目标：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。对于6502，您将有许多8位整数表示寄存器：A，X，Y，P和S；您还将有一个16位的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，然后从内存中读取指令。您的代码将解析此指令，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的速度很慢。每次处理给定指令时，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，但是不仅可以执行操作码，还可以构建操作列表。到达分支指令后，您可以将此操作列表编译为主机平台的机器代码，然后缓存此编译后的代码并执行它。然后，当您再次命中给定的指令组时，只需执行高速缓存中的代码即可。 （顺便说一句，大多数人实际上并没有列出指令，而是将它们即时编译为机器代码，这使优化变得更加困难，但这超出了此答案的范围，除非有足够的人对此感兴趣）

使用静态重新编译，您可以执行与动态重新编译相同的操作，但是要遵循分支。您最终构建了代表程序中所有代码的代码块，然后可以在没有更多干扰的情况下执行代码。如果不是以下问题，这将是一个很好的机制：


程序中不包含的代码（例如压缩，加密，在运行时生成/修改的代码等）将不会重新编译，因此不会运行
已经证明，在给定的二进制文件中查找所有代码等效于Halting problem


这些结合在一起使静态重新编译在99％的情况下完全不可行。有关更多信息，Michael Steil对静态重新编译进行了一些出色的研究，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。这实际上有两个方面：


处理器计时
中断处理


处理器计时：

某些平台-尤其是NES，SNES等较旧的控制台-要求您的模拟器具有严格的时间安排以完全兼容。使用NES，您将拥有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，则可以轻松地计算周期并模拟正确的时间；通过动态/静态重新编译，事情变得很复杂。

中断处理：

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它关心的是什么中断。这非常简单-当您的代码引发给定的中断时，您查看中断处理程序表并调用适当的回调。

硬件仿真：

模拟给定的硬件设备有两个方面：


模拟设备功能
模拟实际的设备接口


以硬盘驱动器为例。通过创建后备存储，读取/写入/格式化例程等来模拟该功能。这部分通常非常简单。

设备的实际接口要复杂一些。这通常是存储器映射寄存器（例如，设备监视用于做信令的更改的部分存储器）和中断的某种组合。对于硬盘驱动器，可能会有一个内存映射区域，您可以在其中放置读取命令，写入等，然后将这些数据读回。

我会更详细地介绍，但是您可以使用一百万种方法。如果您在此处有任何特定问题，请随时提出，我将添加信息。

资源：

我想我在这里做了一个很好的介绍，但是还有很多其他方面。我很乐意为您解答任何问题；由于巨大的复杂性，我在大多数情况下一直很模糊。

强制性维基百科链接：


Emulator
Dynamic recompilation


通用仿真资源：


Zophar-从这里开始我的仿真工作，首先下载仿真程序，最后掠夺了他们庞大的文档档案。这是您可能拥有的绝对最佳资源。
NGEmu-直接资源不多，但是他们的论坛无与伦比。
RomHacking.net-文档部分包含有关流行控制台的机器体系结构的资源


仿真器项目参考：


IronBabel-这是.NET的仿真平台，使用Nemerle编写，可将代码即时编译为C＃。免责声明：这是我的项目，请原谅。
BSnes-出色的SNES模拟器，旨在达到周期完美的精度。
MAME-街机模拟器。很好的参考。
6502asm.com-这是一个JavaScript 6502模拟器，带有一个很棒的小论坛。
dynarec'd 6502asm-这是我在一两天内做了的一个小技巧。我从6502asm.com取得了现有的模拟器，并对其进行了更改，以将代码动态地重新编译为JavaScript，从而大大提高了速度。


处理器重新编译参考：


由Michael Steil（上面引用）完成的关于静态重新编译的研究以this paper结尾，您可以找到源和诸如此类的here。


附录：

自从提交此答案以来已经过去了一年多，并且得到了所有人的关注，我认为现在是时候更新一些东西了。

也许目前最令人兴奋的事情是libcpu，由前面提到的Michael Steil开始。它是一个旨在支持大量CPU内核的库，这些内核使用LLVM进行重新编译（静态和动态！）。它具有巨大的潜力，我认为它将为仿真做出巨大贡献。

emu-docs也引起了我的注意，它包含大量的系统文档，这对于仿真非常有用。我没有花很多时间在这里，但是看起来他们有很多很棒的资源。

我很高兴这篇文章对您有所帮助，并且希望我能在年底或明年年初完成有关该主题的书。

关于emulation - 仿真器如何工作以及如何编写？ ，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/6619726/

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Answer 1

仿真是一个多方面的领域。这里是基本思想和功能组件。我将把它分成几部分，然后通过编辑填写细节。我将要描述的许多内容都需要了解处理器的内部工作原理-组装知识是必需的。如果我在某些方面不太清楚，请提出问题，以便我可以继续改进此答案。

基本思路：

通过处理处理器和各个组件的行为来进行仿真。您构建系统的每个单独部分，然后像连接硬件中的电线一样连接各个部分。

处理器仿真：

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


使用所有这些路径，您将具有相同的总体目标：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。对于6502，您将有许多8位整数表示寄存器：A，X，Y，P和S；您还将有一个16位的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，然后从内存中读取指令。您的代码将解析此指令，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的速度很慢。每次处理给定指令时，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，但是不仅可以执行操作码，还可以构建操作列表。到达分支指令后，您可以将此操作列表编译为主机平台的机器代码，然后缓存此编译后的代码并执行它。然后，当您再次命中给定的指令组时，只需执行高速缓存中的代码即可。 （顺便说一句，大多数人实际上并没有列出指令，而是将它们即时编译为机器代码，这使优化变得更加困难，但这超出了此答案的范围，除非有足够的人对此感兴趣）

使用静态重新编译，您可以执行与动态重新编译相同的操作，但是要遵循分支。您最终构建了代表程序中所有代码的代码块，然后可以在没有更多干扰的情况下执行代码。如果不是以下问题，这将是一个很好的机制：


程序中不包含的代码（例如压缩，加密，在运行时生成/修改的代码等）将不会重新编译，因此不会运行
已经证明，在给定的二进制文件中查找所有代码等效于Halting problem


这些结合在一起使静态重新编译在99％的情况下完全不可行。有关更多信息，Michael Steil对静态重新编译进行了一些出色的研究，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。这实际上有两个方面：


处理器计时
中断处理


处理器计时：

某些平台-尤其是NES，SNES等较旧的控制台-要求您的模拟器具有严格的时间安排以完全兼容。使用NES，您将拥有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，则可以轻松地计算周期并模拟正确的时间；通过动态/静态重新编译，事情变得很复杂。

中断处理：

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它关心的是什么中断。这非常简单-当您的代码引发给定的中断时，您查看中断处理程序表并调用适当的回调。

硬件仿真：

模拟给定的硬件设备有两个方面：


模拟设备功能
模拟实际的设备接口


以硬盘驱动器为例。通过创建后备存储，读取/写入/格式化例程等来模拟该功能。这部分通常非常简单。

设备的实际接口要复杂一些。这通常是存储器映射寄存器（例如，设备监视用于做信令的更改的部分存储器）和中断的某种组合。对于硬盘驱动器，可能会有一个内存映射区域，您可以在其中放置读取命令，写入等，然后将这些数据读回。

我会更详细地介绍，但是您可以使用一百万种方法。如果您在此处有任何特定问题，请随时提出，我将添加信息。

资源：

我想我在这里做了一个很好的介绍，但是还有很多其他方面。我很乐意为您解答任何问题；由于巨大的复杂性，我在大多数情况下一直很模糊。

强制性维基百科链接：


Emulator
Dynamic recompilation


通用仿真资源：


Zophar-从这里开始我的仿真工作，首先下载仿真程序，最后掠夺了他们庞大的文档档案。这是您可能拥有的绝对最佳资源。
NGEmu-直接资源不多，但是他们的论坛无与伦比。
RomHacking.net-文档部分包含有关流行控制台的机器体系结构的资源


仿真器项目参考：


IronBabel-这是.NET的仿真平台，使用Nemerle编写，可将代码即时编译为C＃。免责声明：这是我的项目，请原谅。
BSnes-出色的SNES模拟器，旨在达到周期完美的精度。
MAME-街机模拟器。很好的参考。
6502asm.com-这是一个JavaScript 6502模拟器，带有一个很棒的小论坛。
dynarec'd 6502asm-这是我在一两天内做了的一个小技巧。我从6502asm.com取得了现有的模拟器，并对其进行了更改，以将代码动态地重新编译为JavaScript，从而大大提高了速度。


处理器重新编译参考：


由Michael Steil（上面引用）完成的关于静态重新编译的研究以this paper结尾，您可以找到源和诸如此类的here。


附录：

自从提交此答案以来已经过去了一年多，并且得到了所有人的关注，我认为现在是时候更新一些东西了。

也许目前最令人兴奋的事情是libcpu，由前面提到的Michael Steil开始。它是一个旨在支持大量CPU内核的库，这些内核使用LLVM进行重新编译（静态和动态！）。它具有巨大的潜力，我认为它将为仿真做出巨大贡献。

emu-docs也引起了我的注意，它包含大量的系统文档，这对于仿真非常有用。我没有花很多时间在这里，但是看起来他们有很多很棒的资源。

我很高兴这篇文章对您有所帮助，并且希望我能在年底或明年年初完成有关该主题的书。