1. CPU 基本原理

CPU 的本質(zhì)叠殷，只有兩件事：

1. 什么時(shí)候執(zhí)行什么指令
2. 什么時(shí)候讀寫(xiě)什么地址的數(shù)據(jù)

CPU 有一個(gè)時(shí)鐘作為輸入源确镊，該時(shí)鐘實(shí)際上只是一個(gè)頻率很高的脈沖波拨与，一般幾 M 到 幾 GHZ瓦胎。傳統(tǒng)的 CPU 會(huì)在一個(gè)到多個(gè)時(shí)鐘期間執(zhí)行完一條指令，然后再執(zhí)行下一條指令衷快。如果某一時(shí)刻產(chǎn)生了中斷宙橱，CPU 會(huì)讀取中斷向量表對(duì)應(yīng)中斷地址，等到當(dāng)前指令執(zhí)行完后切換到該地址處繼續(xù)執(zhí)行

2. NES CPU

NES CPU 為 6502 指令集蘸拔，型號(hào)為 RP2A03师郑，CPU 時(shí)鐘 1.79 MHz，CPU 內(nèi)存映射已經(jīng)在 NES 模擬器開(kāi)發(fā)教程 01 講過(guò)了都伪，這里就不再贅述了

2.1 寄存器

2A03 有 6 個(gè)寄存器：A呕乎，X，Y陨晶，PC猬仁，SP，P先誉，除了 PC 為 16bit 以外湿刽，其他全都是 8bit

• A
  通常作為累加器

• X，Y
  通常作為循環(huán)計(jì)數(shù)器

• PC
  程序計(jì)數(shù)器褐耳，記錄下一條指令地址

• SP
  堆棧寄存器诈闺，其值為 0x00 ~ 0xFF，對(duì)應(yīng)著 CPU 總線上的 0x100 ~ 0x1FF

• P
  標(biāo)志寄存器比較麻煩铃芦，它實(shí)際上只有 6bit雅镊，但是我們可以看成 8bit

  BIT	名稱(chēng)	含義
  0	C	進(jìn)位標(biāo)志，如果計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位刃滓，則置 1
  1	Z	零標(biāo)志仁烹，如果結(jié)算結(jié)果為 0，則置 1
  2	I	中斷去使能標(biāo)志咧虎，置 1 則可屏蔽掉 IRQ 中斷
  3	D	十進(jìn)制模式卓缰，未使用
  4	B	BRK，后面解釋
  5	U	未使用，后面解釋
  6	V	溢出標(biāo)志征唬，如果結(jié)算結(jié)果產(chǎn)生了溢出捌显，則置 1
  7	N	負(fù)標(biāo)志，如果計(jì)算結(jié)果為負(fù)总寒，則置 1

  剛說(shuō)過(guò)標(biāo)志寄存器只有 6 bit扶歪，這是因?yàn)?B 和 U 并不是實(shí)際位，只不過(guò)某些指令執(zhí)行后偿乖，標(biāo)志位 push 到 stack 的時(shí)候击罪，會(huì)附加上這兩位以區(qū)分中斷是由 BRK 觸發(fā)還是 IRQ 觸發(fā)哲嘲，下面是詳細(xì)解釋

  指令或中斷	U 和 B 的值	push 之后對(duì) P 的影響
  PHP 指令	11	無(wú)
  BRK 指令	11	I 置 1
  IRQ 中斷	10	I 置 1
  MNI 中斷	10	I 置 1

  可能光看表格也看不懂贪薪，下面用偽代碼舉個(gè)例子

  function brk() {
    // 保存 PC
    push(PC & 0xFF);
    push(PC >> 8 & 0xFF);
    
    // 保存 P
    push(P | Flag.B | Flag.U);
  
    // 設(shè)置 P
    P |= Flag.I;
  
    // 從中斷向量表獲取對(duì)應(yīng)中斷地址
    PC = ...
  }
  

2.2 中斷

2A03 支持 3 種中斷：

• RESET
  復(fù)位中斷，RESET 按鈕按下后或者系統(tǒng)剛上電時(shí)產(chǎn)生
• NMI
  不可屏蔽中斷眠副，該中斷不能通過(guò) P 的 I 標(biāo)志屏蔽画切，所以它一定能觸發(fā)。比如 PPU 在進(jìn)入 VBlank 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生 NMI 中斷
• IRQ
  可屏蔽中斷囱怕，如果 P 的 I 標(biāo)志置 1霍弹，則可以屏蔽該中斷，同時(shí)也可以通過(guò) BRK 指令由軟件自行觸發(fā)

產(chǎn)生中斷時(shí)娃弓，CPU 會(huì)將 PC 和 P 壓棧典格，之后 CPU 讀取中斷向量表對(duì)應(yīng)地址，賦給 PC台丛，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位耍缴。當(dāng)程序執(zhí)行 RTI（中斷返回） 后，CPU 將 P 和 PC 出棧挽霉，恢復(fù) P 和 PC防嗡，從中斷產(chǎn)生前的地址處繼續(xù)執(zhí)行

中斷可以理解為一個(gè)函數(shù)調(diào)用，區(qū)別在于該函數(shù)可以通過(guò)其他硬件隨時(shí)通過(guò)中斷來(lái)調(diào)用

中斷向量表：

中斷向量表位于 0xFFFA ~ 0xFFFF侠坎，共 6 字節(jié)蚁趁，分別對(duì)應(yīng) 3 個(gè)中斷：

• 0xFFFA, 0xFFFB: NMI 中斷地址
• 0xFFFC, 0xFFFD: RESET 中斷地址
• 0xFFFE, 0xFFFF: IRQ 中斷地址

2.3 指令集

指令集可以參考這兩個(gè)地址：

• http://obelisk.me.uk/6502/reference.html
• http://www.oxyron.de/html/opcodes02.html

指令陣列如圖：

image.png

里面包含了 56 種官方指令和一些非官方指令

每個(gè)方塊包含了指令，尋址模式实胸，執(zhí)行周期他嫡，例如：

image.png

2.4 尋址模式

2A03 支持 13 種尋址模式：

2.5 額外的時(shí)鐘

前面提到過(guò)在指令陣列圖中帶 * 的需要額外的時(shí)鐘慕匠，有兩種情況會(huì)額外增加時(shí)鐘

1. 分支指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)時(shí)
   分支指令比如 BNE饱须，BEQ 這類(lèi)指令，如果檢測(cè)條件為真台谊，這時(shí)需要額外增加 1 個(gè)時(shí)鐘
2. 跨 Page 訪問(wèn)
   新地址和舊地址如果 Page 不一樣蓉媳，即 (newAddr & 0xFF00) !== (oldAddr & 0xFF00)，則需要額外增加一個(gè)時(shí)鐘锅铅。例如 0x1234 與 0x12FF 為同一 Page酪呻，但是與 0x1334 為不同 Page

以上兩種情況可以同時(shí)存在，所以一條指令可能會(huì)額外增加 1 ~ 2 個(gè)時(shí)鐘

2.6 BUG

NES 硬件存在一些 BUG盐须，這里講講間接尋址時(shí)的 BUG玩荠，因?yàn)橛行y(cè)試 ROM 會(huì)測(cè)試該行為

間接尋址時(shí)，設(shè)地址為 x贼邓，page 起始地址為 n（即 n = x & 0xFF00）阶冈，若 x 低 8 位為 0xFF，則尋址地址高位為 n 上的值塑径，低位為 x 上的值女坑，一句話概括，就是地址無(wú)法跨 Page

下面舉個(gè)例子：

Address: 0x0200 0x0201 ... 0x02FF
Value:    0x01   0x02  ...  0x03

針對(duì)上述內(nèi)存统舀，執(zhí)行 JMP (0x02FF)匆骗，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到 0x0103 處
正常情況下，執(zhí)行 JMP (0x0200)绑咱，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到 0x0201 處

3. API 設(shè)計(jì)

CPU 工作時(shí)绰筛，以時(shí)鐘作為輸入源，每個(gè)幾個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令描融，同時(shí)有三個(gè)中斷的輸入源：RESET铝噩，NMI，IRQ窿克，所以 CPU 一共只需要 4 個(gè)方法：

export interface ICPU {
  clock(): void;
  reset(): void;
  irq(): void;
  nmi(): void;
}

CPU 有 6 個(gè)寄存器骏庸，還需要定義寄存器接口：

export enum Flags {
  C = 1 << 0, // Carry
  Z = 1 << 1, // Zero
  I = 1 << 2, // Disable interrupt
  D = 1 << 3, // Decimal Mode ( unused in nes )
  B = 1 << 4, // Break
  U = 1 << 5, // Unused ( always 1 )
  V = 1 << 6, // Overflow
  N = 1 << 7, // Negative
}

export interface IRegisters {
  readonly PC: uint16;
  readonly SP: uint8;
  readonly P: uint8;
  readonly A: uint8;
  readonly X: uint8;
  readonly Y: uint8;
}

4. 實(shí)現(xiàn)

CPU 對(duì)外獲取數(shù)據(jù)的通道為 CPU BUS，所需 CPU 類(lèi)中需要存儲(chǔ) CPU BUS 實(shí)例

CPU 執(zhí)行指令所需周期數(shù)不等年叮，所以需要 deferCycles 表示 CPU 還需要多少個(gè) clock 才能執(zhí)行下一條指令

下面以最簡(jiǎn)單的 JMP 舉一個(gè)例子：

enum InterruptVector {
  NMI = 0xFFFA,
  RESET = 0xFFFC,
  IRQ = 0xFFFE,
}

export class CPU implements ICPU {
  public bus: IBus;

  private deferCycles = 0;
  private readonly registers = new Registers();

  public reset(): void {
    this.registers.A = 0;
    this.registers.X = 0;
    this.registers.Y = 0;
    this.registers.P = 0;
    this.registers.SP = 0xfd;
    this.registers.PC = this.bus.readWord(InterruptVector.RESET);

    this.deferCycles = 8;
    this.clocks = 0;
  }

  public clock(): void {
    if (this.deferCycles === 0) {
      this.step();
    }

    this.deferCycles--;
  }

  public irq(): void {
    if (this.isFlagSet(Flags.I)) {
      return;
    }

    this.pushWord(this.registers.PC);
    this.pushByte((this.registers.P | Flags.U) & ~Flags.B);

    this.setFlag(Flags.I, true);

    this.registers.PC = this.bus.readWord(InterruptVector.IRQ);

    this.deferCycles += 7;
  }

  public nmi(): void {
    // 和 IRQ 大體相同具被，這里就不重復(fù)寫(xiě)了
  }

  private step(): void {
    const opcode = this.bus.readByte(this.registers.PC++);

    switch (opcode) {
      case 0x4C:
        // JMP abs 3
        const address = this.bus.readWord(this.registers.PC);

        this.registers.PC = address;
        this.deferCycles += 3;
        break;
      default:
        throw new Error(`Invalid opcode ${opcode}`);
    }
  }
}

用 switch case 雖然在編譯器優(yōu)化的情況下效率不會(huì)降低，但是代碼看起來(lái)不簡(jiǎn)潔只损，這里為了解釋起來(lái)簡(jiǎn)單采用了 switch case一姿，實(shí)際上項(xiàng)目中最好用數(shù)組或?qū)ο蟠鎯?chǔ)映射關(guān)系

5. TIPS

CPU 介紹得差不多了七咧，其他指令也都千篇一律，參考 6502 指令集就能寫(xiě)出來(lái)了叮叹，實(shí)在不清楚的參考下其他模擬器代碼就行

最后提醒下有個(gè)測(cè)試文件對(duì)于 CPU 開(kāi)發(fā)非常有幫助：
下載地址：http://www.qmtpro.com/~nes/misc/
下載這 2 個(gè)文件：nestest.log 和 nestest.nes

開(kāi)發(fā) CPU 時(shí)艾栋，先將 PC 設(shè)置為 0xC000，再讓 CPU 運(yùn)行蛉顽，每運(yùn)行一條指令后蝗砾，和它的 nestest.log 對(duì)照一下各個(gè)寄存器狀態(tài)，這樣能按照它的 log 順序逐條開(kāi)發(fā)出正確的指令携冤，比一口氣開(kāi)發(fā)完再去 debug 好得多