如何学习编写游戏主机模拟器（特别是硬件知识）？

Question

我之前问过一个类似的问题，关于如何编写模拟器，当我看到答案并查找了一些开源的Gameboy模拟器时，我发现需要的远不止对“低级”语言（比如C）有中级理解。实际上，我想知道的是，为了能够编写这样的模拟器，我需要了解硬件方面的知识。我在Java方面已经接近“相当不错”的水平，但这对我帮助不大。我已经开始学习C，并且取得了很大进展，但我想知道我需要学习哪些硬件知识才能编写这样的控制台模拟器。

我提出这个问题的原因是，我在互联网上搜索了一些关于模拟器的书籍和资料，每当我遇到一个模拟器教程时，总是说“你需要基本的C语言理解才能跟随本教程”，但当我尝试跟随时，我却无法理解，因为我根本不知道在编写什么。我对硬件一窍不通（我爸爸连怎么把显示器连接到电脑上都费劲，他可能比我更懂）。

所以我的问题是，我需要学习什么（微处理器、内存等等）？有没有一些好的资源可以教我这些东西，而不需要我去上大学之类的（我已经在学软件工程了）？

如果这个问题不是真实的问题，或者不够清楚，或者其他什么的，我向你道歉。我只是对这个主题非常感兴趣。

- ZimZim

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参见：https://dev59.com/ZHRB5IYBdhLWcg3w-8A9 - Mysticial

我已经阅读了这篇文章，虽然其中包含了相当多有用的信息，但唯一明确指出需要哪些硬件知识的是“微处理器”。我假设一个游戏机不仅仅由一个微处理器组成？学习如何编写模拟器只需要掌握这个吗？（我知道这听起来很愚蠢，但请耐心听我说） - ZimZim

基本上，你需要了解关于模拟设备的编程方面的一切：你需要了解它的汇编语言，需要模拟的所有外围设备的硬件接口，特别是其显示子系统的所有原始细节，以及如果有操作系统的话，也需要了解其工作原理！如果你发现逐条解释指令不够高效，那么对编译器构建的良好基础也将非常有用。 - hmakholm left over Monica

Answer 1

我认为这个问题可能更适合程序员交流网站，但无论如何：

我不认为你需要任何特定的知识。了解微处理器和内存管理的工作原理将会有很大帮助，以及汇编知识（因为你实际上是在编写汇编代码的解释器）。假设你已经知道目标硬件的工作原理，你所要做的就是实现以下组件（即模拟真实硬件并模仿/仿真其行为）：

• 模拟CPU解析和运行机器码。
• 模拟输入组件（将键盘、鼠标或操纵杆等输入转换为可供CPU访问的“引脚信号”）。
• 模拟输出组件（将图像和音频数据转换为可见的东西，例如在屏幕上显示某些内容或生成类似于真实硬件组件的声音）。
• 模拟其他组件，如存储卡、内置电池、插卡、扩展芯片等。

作为一般建议，我建议暂时不要考虑编写任何模拟器。相反，从尝试编写自己的字节码解释器开始，做一些简单的事情。

例如，你可以使用一个简单的伪代码序列：

x = 5
y = 10
print(x + y)

使用伪汇编语言编写的话，代码可能如下所示：

mov x, 5
mov y, 10
add x, y // to be honest, this is essentially x += y; not just x + y
prt x
end

现在用（代码）数字替换所有指令。所有变量都被数字替换：

0x01 0x00 0x05
0x01 0x01 0x0a
0x02 0x00 0x01
0x03 0x00
0x00

这可能看起来有点奇怪，但我保留了上面的顺序和换行符。请注意，我在第一个指令中使用了0x01而不是0x00。这只是为了方便，这样我可以使用0x00作为“NOOP/无操作”或终止符（在本例中）。现在只需删除换行符，你就得到了自定义的字节码。

char code[] = {0x01, 0x00, 0x05, 0x01, 0x01, 0x0a, 0x02, 0x00, 0x01, 0x03, 0x00, 0x00};

要运行这段代码，您可以编写一个简单的“模拟器”。它只有一个有限的指令集，但它会起作用。实际上我没有测试这段代码，所以请记住我可能在某些地方搞砸了。然而，这应该足以让你了解如何做什么。请注意，在这个例子中，我没有分离数据内存和指令内存。这会增加更多的复杂性，现在并不是真正需要的。

int pos = 0; // essentially being our "instruction pointer"
char registers[10];
while(code[pos]) { // still some instruction
    switch(code[pos++]) { // determine what to do and move the instruction pointer
    // 0x00 isn't handled here, as that's part of our loop already
    case 0x01: // mov(e)
        registers[code[pos++]] = code[pos++]; // read the value into the register
        break;
    case 0x02: // add
        registers[code[pos++]] += registers[code[pos++]];
        break;
    case 0x03: // prn
        printf("%d", registers[code[pos++]]);
        break;
    }
}

一旦你理解了我在这里所做的，我相信你应该会更容易理解其他来源。哦，还有一个有趣的事实：如果你只是为了教育目的而不是编写高效的模拟器，你可以开始使用Java。它可能不够优化和慢，但你基本上可以做同样的事情，可能甚至消除你前进路上的障碍。

只是一个快速的提醒：在上面的示例中，你可以有第二个线程不断地将registers[]的内容写到屏幕上。这样你就可以基本上模拟一些视频硬件（例如电视屏幕或LED）。

如果你正在寻找更多阅读材料，我建议你选择一些简单的处理器并开始学习汇编代码。如果可能的话，请选择一个非常简单的架构。概念始终相同，但随着越来越多的指令集、地址空间虚拟化等问题变得越来越复杂。

- Mario

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谢谢你，我爱你，你是一个绝对的英雄，花时间向我详细解释这个问题:D - ZimZim

Answer 2

我建议学习汇编语言来获取你在这里所需的基本知识。如果你对超级任天堂游戏感兴趣，可以尝试学习65816汇编语言，这是该控制台使用的处理器的汇编语言。要开始学习，可以从这里开始阅读：http://en.wikibooks.org/wiki/Super_NES_Programming。其他控制台也有类似的资源。我还建议使用具有调试功能的模拟器，例如Geiger的debugging snes9x，它将让您逐步执行游戏、转储其正在执行的操作、检查内存等。虽然这些内容与编写控制台模拟器没有直接关系，但它会为您提供一些背景知识。

不过，说实话，如果C语言对您来说完全陌生，最好先学习一些C语言再尝试学习汇编语言。C语言比汇编语言抽象得多，但仍然会为您提供许多重要概念的基础，最重要的是指针。

基本上，模拟器的作用是逐条执行游戏的机器码。控制台是一个相当复杂的设备，具有多个处理器、协处理器和相关硬件协同工作。因此，您应该从一个更简单的模拟器开始，它仅模拟CPU，并忽略其他部分。学习汇编语言之所以对此非常有用，是因为汇编语言与模拟器应处理的机器码具有1:1的对应关系。

- amaurea

Answer 3

如果你说你对硬件一无所知，那么编写模拟器并不容易。了解硬件的基本功能可能比了解任何特定的编程语言更重要。

我可以推荐Noam Nisan和Shimon Schocken的书《计算系统的元素》及其相关的互联网资源（http://www.nand2tetris.org/）。该书从简单的nand门开始，逐步构建一个功能完备的计算机，然后编写汇编器、编译器、操作系统，最后是俄罗斯方块游戏。在每个级别上，您可以“自己构建”或使用网络上可用的答案来构建下一个级别。

- HBP

Answer 4

首先，编写模拟器需要多个领域的知识。你需要牢固掌握计算机体系结构和所选编程语言这两个大领域。如果你没有任何编程经验，那么创建一个模拟器不是一个好主意。话虽如此，只要你熟练掌握某种编程语言，你就可以使用它来创建模拟器！

为了理解系统的工作原理，建议你更新一下计算机体系结构的知识。我推荐阅读一本关于该主题的好书，比如Computer Architecture: A Quantitative Approach，这是大多数体系结构课程普遍使用的一本书。

一旦你具备了基本的系统操作知识（CPU、内存、寄存器、指令集等），你就可以尝试模拟你所选择的系统。在这个阶段，我建议你尽可能地搜集有关你所选择的系统的信息。Zophar.net上有很多关于各种游戏机的技术文档，非常实用。

一旦您对想要模拟的系统有了工作知识，我建议编写代码来读取ROM文件并提取文件内容（特别是指令）。下一步是模拟体系结构的CPU并为每个指令编写处理程序。我通过运行从ROM加载的实际指令来测试CPU。在您实现了足够数量的指令之后，可以开始实现其他子系统，例如图形和事件/中断系统。我通常实现的最终系统是声音。

（无耻的宣传）我正在撰写一本名为逐步模拟的书，其中更详细地介绍了所有这些内容，希望在几个月内出版。我还没有看到其他关于这个主题的书籍，这真是可耻，因为这是一个如此有趣的话题！

- user427390