Game Boy：半进位标志和16位指令（特别是操作码0xE8）

Question

和很多人一样，我正在编写Game Boy模拟器，并且有几个关于指令0xE8（ADD SP，n，其中n是一个8位立即数）的问题。

在16位指令中，这里声称如果从第7位到第8位发生进位，则设置半进位标志，而这里则说半进位标志表示从第11位到第12位的进位。在这个Reddit主题中，似乎对此问题有些困惑，而（我听说）Game Boy CPU手册也没有任何有用的信息。

我的问题如下：

1. 在操作码0xE8中，半进位标志的行为如何？
2. 操作码0xE8在物理硬件中如何实现？
3. 哪个是正确的，从第7位到第8位发生半进位还是从第11位到第12位发生半进位（在16位指令的情况下）？

- ihonen

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虽然我不知道答案，但也许Blargg的CPU测试ROM对你有用。它们非常全面。 - Michael

7到8的说法没有参考依据。11到12的说法有一些非常好的参考资料支持，但不幸的是，这些都适用于原始的Zilog Z-80实现。Gameboy的CPU采用了（部分）相同的指令集，但这并不能保证它具有相同的4位ALU。尤其是在涉及半进位被认为不相关的指令时，Sharp可能会完全以不同的方式连接半进位标志。只有真正的Gameboy才能说明问题。 - Ruud Helderman

@ihonen 是的，我的意思是它是由[I无法记住芯片供应商]添加的。 - old_timer

通常在移动堆栈指针后不会检查标志。因此，我甚至怀疑在E8操作之后C和H标志的行为是否被很好地规定 - 这意味着不同版本的CPU甚至可能以不同的方式设置这两个标志。我怀疑任何现有软件都不会在E8操作后使用这两个标志中的任何一个。因此，如果您的仿真器不模拟E8操作的标志，则不会有问题。 - Martin Rosenau

仅供参考，这个网站可能更适合这类问题：https://retrocomputing.stackexchange.com/。 - Lundin

Answer 1

TL;DR：对于ADD SP,n，当从第3位到第4位进位时，将设置H标志。

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我决定在真正的硬件上进行测试，因此我用GB-Z80汇编语言编写了一个简单的测试ROM，测试以下场景：

[SP = $000F] ADD SP,$01 [SP = $00F0] ADD SP,$10 [SP = $0FF0] ADD SP,$10 对于每种情况，我将ADD后寄存器F的值存储在内存中，稍后在屏幕上显示这些字节的第5位（即H标志）。

我在三种不同型号（Gameboy Pocket、Gameboy Color和Gameboy Advance SP）上运行了此程序，并在所有三台设备上得到了以下结果：1 0 0。因此，从第3位到第4位的进位会导致设置H标志，而从第7位到第8位或从第11位到第12位的进位则不会。

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对于ADD HL,rr（其中rr为BC/DE/HL/SP），情况似乎不同。基于我的测试，当从第11位到第12位进位时，H会被设置。

- Michael

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作为一名曾经的专业GBC/DMG开发者，我对你能够回答这个问题感到印象深刻和震惊 :) 但是是的，据我所记得，答案是3到4位，虽然我不能回忆起曾经使用过它。 - Michael Dorgan

Answer 2

几乎可以肯定 Game Boy 中使用的 SM83 CPU 核心具有 8 位 ALU，这意味着 16 位 ALU 操作实际上由两个 8 位操作组成。与普通的 Z80 CPU 一样，它还有一个专门的 16 位递增/递减/加载单元，可以快速处理某些 16 位操作，但无法更新标志位。基本上：

- 如果更新了标志位，则 16 位操作一定涉及 ALU，因此在底层实际上使用了两个 8 位 ALU 操作 - 如果未更新标志位，并且 16 位操作仅为 +1/-1/load，则使用 16 位递增器单元

因此，每当你涉及标志位时，如果想考虑操作，请尝试以 8 位操作（低字节优先，然后是高字节）为基础进行推理。

问答:

1. 在操作码 0xE8 中，半进位标志如何行为？

正如其他答案所指出的那样，当从位 3 中存在进位时，H 被设置。（当从位 7 中存在进位时，C 被设置）

这是一个有趣的思维练习：如果 SP=$FFFF 并执行 ADD SP, -1，则会得到 SP=$FFFE，同时设置 H 和 C. 你能理解为什么会这样吗？

提示 ↑

2. 操作码 0xE8 在物理硬件中如何实现？

我们尚未完全理解它在最低可能级别上的工作原理，但我知道有两个 8 位操作。通过我的 Game Boy 测试系统，我确认首先进行了更新标志（H，C）但不更新 SP 的 ALU 操作，然后进行另一些操作，最后 SP 一次性更新。这表明 ADD SP, e 可能实际上会在两个分离的 8 位操作中将结果计算到某个临时寄存器中（例如，真正的 Z80 对于某些 ALU 操作具有不可见的 WZ 临时寄存器），然后从中加载 SP。

我认为 ADD HL, BC 是一个更有趣的例子…通过我的测试系统，我确认它首先更新 L，然后是 H，并且标志位被更新两次。这意味着它实际上执行了类似以下内容的操作：

ADD L, C
ADC H, B

后面的8位操作更新标志寄存器，因此我们看不到“ADD L, C”的结果标志。但是如果从L的第3位进位，那么半进位标志可能暂时被设置！

3. 半进位是从第7位到第8位还是从第11位到第12位（在16位指令的情况下）？

答案取决于指令，但是如果你按照8位值来计算，标志总是基于相同的位位置进行更新...只是根据16位值的高字节或低字节而变化。第11位就是高字节的第3位。

- ADD SP，e：H从第3位，C从第7位（来自低字节操作的标志） - LD HL，SP+e：H从第3位，C从第7位（来自低字节操作的标志） - ADD HL，rr：H从第11位，C从第15位（来自高字节操作的标志） - INC rr：没有标志更新（由16位递增/递减单元执行） - DEC rr：没有标志更新（由16位递增/递减单元执行）

- gekkio

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Game Boy几乎肯定有一个8位ALU，它有一个4位ALU。 - GabrielOshiro

@GabrielOshiro请提供任何证明此说法的来源；我只能找到一些与Zilog Z80有关的内容，没有与Sharp LR35902有关的。二进制兼容性并不一定意味着完全相同的架构；请记住，在1976年至1989年之间，晶体管和微码之间的权衡逐渐发生了变化。 - Ruud Helderman

哦，兄弟，很久没碰了......不过我曾经研究过z80和dmg CPU的逆向工程。我会去找实际参考资料的，但现在请把我的评论视为废话（或个人启示）吧。 - GabrielOshiro