CPU基础读写

原文地址：https://github.com/dustpg/BlogFM/issues/7

Re: 从零开始的红白机模拟 - [03]CPU基础读写

Dust Loong

兴趣:人机交互 https://github.com/dustpg

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STEP1: CPU地址空间: 基础读写 + Mapper000

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让我们再跨一步吧.

6502汇编使用数字前面美元符号(\$)作为16进制的表示(8086则是在后面加‘h’)

CPU地址空间布局

先谈谈内存布局, 6502理论支持64KB的寻址空间, 但是小霸王服务器只有2kb的内存. 自然得说说内存布局

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M: 主内存2KB镜像, 比如读取\$0800实际是读取$0000

R: PPU寄存器, 8字节步进镜像.

Registers: 一堆寄存器, 现在不用管.

Expansion ROM: 扩展ROM, 现在不用管

SRAM, PRG-ROM: 已经说过了

CPU中断

很遗憾, 自己在大学虽然是计算机系的, 但是不是计算机科学之类的学科, 而是靠近多媒体方向(比如计算机图形学, 音频之类的). 这就导致导致计算机硬件知识几乎没有, 只能靠脑补了.

6502有三种中断(按优先度排序, 越后面越优先):

IRQ/BRK
NMI
RESET

每一种中断都有一个向量. 向量是当中断触发时“转到”的指定位置的16位地址:

$FFFA-FFFB = NMI
$FFFC-FFFD = RESET
$FFFE-FFFF = IRQ/BRK

IRQ - Interrupt Request 中断请求硬件中断请求被执(大致分为Mapper和APU两类)
BRK - Break 中断指令当软件中断请求被执行(BRK指令)
NMI - Non-Maskable Interrupt 不可屏蔽中断发生在每次垂直空白(VBlank)时, NMI在NTSC制式下刷新次数为 60次/秒, PAL为50次/秒
RESET在(重新)启动时被触发. ROM被读入内存, 6502跳转至指定的RESET向量

也就是说程序一开始执行$FFFC-FFFD指向的地址

'低地址'在'低地址', '高地址'在'高地址'. 即低8位在\$FFFC, 高8位在\$FFFD.

Mapper000 - NROM

目前当然是实现Mapper000, 实际上也就是没有Mapper的意思:

适用于16KB(NROM-128)或者32KB(NROM-256)的PRG-ROM
CPU $8000-$BFFF: ROM开始的16kb
CPU $C000-$FFFF: ROM最后的16kb

Mapper接口

就目前而且, 只需要一个重置接口:

/// <summary>
/// StepFC: Mapper接口
/// </summary>
typedef struct {
    // Mapper 重置
    sfc_ecode(*reset)(sfc_famicom_t*);

} sfc_mapper_t;

BANK

BANK是每个Mapper载入的单位, 在某种意义上也可以称为window. 根据内存布局, 可以把根据地址划分为每8KB一个BANK, 一共8个区块:

0: [$0000, $2000) 系统主内存
1: [$2000, $4000) PPU 寄存器
2: [$4000, $6000) pAPU寄存器以及扩展区域
3: [$6000, $8000) 存档用SRAM区
剩下的全是程序代码区 PRG-ROM

也就是:

uint8_t* prg_banks[0x10000 >> 13];

Mapper000 - Reset

根据所述内容, Mapper000可以实现为:

/// <summary>
/// 实用函数-StepFC: 载入8k PRG-ROM
/// </summary>
/// <param name="famicom">The famicom.</param>
/// <param name="des">The DES.</param>
/// <param name="src">The source.</param>
static inline void sfc_load_prgrom_8k(
    sfc_famicom_t* famicom, int des, int src) {
    famicom->prg_banks[4 + des] = famicom->rom_info.data_prgrom + 8 * 1024 * src;
}
/// <summary>
/// StepFC: MAPPER 000 - NROM 重置
/// </summary>
/// <param name="famicom">The famicom.</param>
/// <returns></returns>
static sfc_ecode sfc_mapper_00_reset(sfc_famicom_t* famicom) {
    assert(famicom->rom_info.count_prgrom16kb && "bad count");
    assert(famicom->rom_info.count_prgrom16kb <= 2 && "bad count");
    // 16KB -> 载入 $8000-$BFFF, $C000-$FFFF 为镜像
    const int id2 = famicom->rom_info.count_prgrom16kb & 2;
    // 32KB -> 载入 $8000-$FFFF
    sfc_load_prgrom_8k(famicom, 0, 0);
    sfc_load_prgrom_8k(famicom, 1, 1);
    sfc_load_prgrom_8k(famicom, 2, id2 + 0);
    sfc_load_prgrom_8k(famicom, 3, id2 + 1);
    return SFC_ERROR_OK;
}

这里使用到了C99的inline, 和C++的inline略有区别. 还有就是, 利用位操作减少分支判断也是编码技巧之一.

地址空间读写

根据BANK, 就可以非常简单地实现读:

switch (address >> 13)
    {
    case 0:
        // 高三位为0: [$0000, $2000): 系统主内存, 4次镜像
        return famicom->main_memory[address & (uint16_t)0x07ff];
    case 1:
        // 高三位为1, [$2000, $4000): PPU寄存器, 8字节步进镜像
        assert(!"NOT IMPL");
        return 0;
    case 2:
        // 高三位为2, [$4000, $6000): pAPU寄存器 扩展ROM区
        assert(!"NOT IMPL");
        return 0;
    case 3:
        // 高三位为3, [$6000, $8000): 存档 SRAM区
        return famicom->save_memory[address & (uint16_t)0x1fff];
    case 4: case 5: case 6: case 7:
        // 高一位为1, [$8000, $10000) 程序PRG-ROM区
        return famicom->prg_banks[address >> 13][address & (uint16_t)0x1fff];
    }

和写:

switch (address >> 13)
    {
    case 0:
        // 高三位为0: [$0000, $2000): 系统主内存, 4次镜像
        famicom->main_memory[address & (uint16_t)0x07ff] = data;
        return;
    case 1:
        // 高三位为1, [$2000, $4000): PPU寄存器, 8字节步进镜像
        assert(!"NOT IMPL");
        return;
    case 2:
        // 高三位为2, [$4000, $6000): pAPU寄存器 扩展ROM区
        assert(!"NOT IMPL");
        return;
    case 3:
        // 高三位为3, [$6000, $8000): 存档 SRAM区
        famicom->save_memory[address & (uint16_t)0x1fff] = data;
        return;
    case 4: case 5: case 6: case 7:
        // 高一位为1, [$8000, $10000) 程序PRG-ROM区
        assert(!"WARNING: PRG-ROM");
        famicom->prg_banks[address >> 13][address & (uint16_t)0x1fff] = data;
        return;
    }

还没实现的用断言即可. 写入也是同样的. 不过既然是PRG-ROM, 那么写入加个断言好了.

输出各个中断向量

RESET是跳转$C004

可以看出RESET是跳转$C004.

项目地址

Github-StepFC-Step1github.com

作业

基础: RESET跳转地址的那一个字节是啥? 即执行的第一个指令的操作码是?
从零开始: 从零开始实现自己的模拟器吧