第一部分和
第二部分 。
8080处理器仿真器
仿真器外壳
现在，您应该具有开始创建8080处理器仿真器的所有必要知识。
我将尝试使我的代码尽可能清晰，每个操作码都是单独实现的。 当您适应它时，可能需要重写它以优化性能或重用代码。首先，我将创建一个内存结构，其中将包含编写反汇编程序时所需的所有内容的字段。 还将有一个用于内存缓冲区的地方，它将是RAM。
typedef struct ConditionCodes { uint8_t z:1; uint8_t s:1; uint8_t p:1; uint8_t cy:1; uint8_t ac:1; uint8_t pad:3; } ConditionCodes; typedef struct State8080 { uint8_t a; uint8_t b; uint8_t c; uint8_t d; uint8_t e; uint8_t h; uint8_t l; uint16_t sp; uint16_t pc; uint8_t *memory; struct ConditionCodes cc; uint8_t int_enable; } State8080;
现在创建一个带有错误调用的过程，该过程将以错误结束该程序。 它看起来像这样：
void UnimplementedInstruction(State8080* state) {
让我们实现一些操作码。
void Emulate8080Op(State8080* state) { unsigned char *opcode = &state->memory[state->pc]; switch(*opcode) { case 0x00: break;
你去。 对于每个操作码，我们都会更改状态和内存，就像在真实8080上执行的命令一样。
8080大约有7种类型，具体取决于您如何对其进行分类：
让我们分别看看它们。
算术组
算术指令是8080处理器的256个操作码中的许多，其中包括各种加法和减法。 大多数算术指令与寄存器A一起使用，并将结果保存在A中。（寄存器A也称为累加器）。
有趣的是，这些命令会影响条件代码。 根据执行命令的结果设置状态码（也称为标志）。 并非所有命令都会影响标志，并且并非所有影响标志的团队都会立即影响所有标志。
旗帜8080
在8080处理器中，标记称为Z，S，P，CY和AC。
- 当结果为零时，Z（零，零）取值1
- 给定数学命令的位7（最高有效位，最高有效位，MSB）时，S（符号）取值为1
- P（奇偶校验，奇偶校验）在结果为偶数时设置，在结果为奇数时重置
- 当命令的结果是执行转移或借入高阶位时，CY（进位）取值为1
- AC（辅助进位）主要用于BCD（二进制编码的十进制）数学。 有关更多详细信息，请参见《太空侵略者》中的手册，该标志未使用。
状态代码用于条件分支命令中，例如，仅当设置了Z标志时，JZ才执行分支。
大多数指令具有三种形式：用于寄存器，用于立即数和用于存储器。 让我们实施一些指令以理解其形式，并查看使用状态码的样子。 （请注意，由于未使用辅助传输标志，因此未实现。如果实现，则无法测试。）
登记表格
这是两个具有寄存器形式的指令的示例实现； 在第一个示例中，我部署了代码以使其工作更易于理解，第二个示例中，我提出了一种更紧凑的形式来执行相同的操作。
case 0x80:
我用16位数字模拟8位数学命令。 这样可以更轻松地跟踪计算产生进位的情况。
立即价值表格
立即值的形式几乎相同，除了命令后的字节是添加的源。 由于“操作码”是内存中当前命令的指针，因此操作码[1]将立即成为下一个字节。
case 0xC6:
形状记忆
在存储形式中，将添加一个字节，一对HL寄存器中存储的地址指示该字节。
case 0x86:
注意事项
其余的算术指令以类似的方式实现。 补充：
- 根据参考手册，在带有进位的不同版本（ADC，ACI，SBB，SUI）中，我们在计算中使用进位。
- INX和DCX影响寄存器对；这些命令不影响标志。
- DAD是一对寄存器的另一个命令，它仅影响进位标志
- INR和DCR不影响进位标记
分支组
处理完状态代码后，分支组将对您足够清楚。 分支有两种类型-过渡（JMP）和调用（CALL）。 JMP只是将PC设置为跳转目标的值。 CALL用于例程，它将返回地址写入堆栈，然后为PC分配目标地址。 RET从CALL返回，从堆栈中接收地址并将其写入PC。
JMP和CALL都只能到达操作码后以字节编码的绝对地址。
Jmp
JMP命令无条件分支到目标地址。 对于所有状态代码（AC除外），还有条件分支命令：
- JNZ和JZ为零
- JNC和JC进行迁移
- JPO和JPE实现奇偶校验
- JP（加号）和JM（减号）
这是其中一些的实现：
case 0xc2:
通话和退回
调用后，CALL将指令的地址压入堆栈，然后跳转到目标地址。 RET从堆栈接收地址并将其保存在PC上。 所有状态都存在条件版本的CALL和RET。
- CZ，CNZ，RZ，RNZ为零
- CNC，CC，RNC，RC进行传输
- CPO，CPE，RPO，RPE用于奇偶校验
- CP，CM，RP，RM表示符号
case 0xcd:
注意事项
- PCHL命令无条件地跳转到一对HL寄存器中的地址。
- 我没有将先前讨论的RST包括在该组中。 它将返回地址写入堆栈，然后跳转到内存底部的预定义地址。
逻辑组
该小组执行逻辑操作（请参阅
本教程的
第一篇文章 ）。 从本质上讲，它们类似于算术组，因为大多数操作都使用寄存器A（驱动器），并且大多数操作会影响标志。 所有操作均针对8位值执行，在该组中，没有命令影响寄存器对。
布尔运算
AND，OR，NOT（CMP）和“异或”（XOR）被称为布尔运算。 OR和AND我已经在前面进行了解释。 NOT命令（对于8080处理器，它称为CMA或补码累加器）仅更改位值-所有单位变为零，而零变为1。
我将XOR视为“差异识别器”。 她的真值表如下所示：
AND，OR和XOR具有寄存器，存储器和立即数的形式。 （CMP仅具有区分大小写的命令）。 这是一对操作码的实现：
case 0x2F:
循环移位命令
这些命令更改寄存器中位的顺序。 向右移动可将它们向右移动一位，向左移动-可向左移动一位：
(0b00010000) = 0b00001000(0b00000001) = 0b00000010他们似乎一文不值，但实际上并非如此。 它们可用于乘以除以二的幂。 以左移为例。
0b00000001是十进制1，将其向左移动将使其变为
0b00000010 （即十进制2）。如果再向左移动，
0b00000100得到
0b00000100 ，即4。再向左移动，然后再乘以8。这将适用于任何按数字：5（
0b00000101 ）左移时得到10（
0b00001010 ）。 另一个左移为20（
0b00010100 ）。 向右移动的方法相同，但用于除法。
8080没有乘法命令，但是可以使用这些命令来实现。 如果您知道该怎么做，您将获得奖励积分。 在面试中问了这样一个问题。 （我做了，尽管花了我几分钟。）
这些命令周期性地旋转驱动器，并且仅影响进位标志。 这是几个命令：
case 0x0f:
比较方式
CMP和CPI的任务仅是设置标志（用于分支）。 他们通过减去标志来做到这一点，但不存储结果。
- 同样：如果两个数字相等，则设置Z标志，因为它们彼此相减得出零。
- 大于：如果A大于要比较的值，则清除CY标志（因为可以进行减法而无需借用）。
- 较小：如果A小于比较值，则设置CY标志（因为A必须完成借位才能完成减法）。
这些命令有用于寄存器，存储器和立即数的版本。 该实现是一个简单的减法，但不保存结果：
case 0xfe:
CMC和STC
他们完成了逻辑组。 它们用于设置和清除进位标志。
输入输出和特殊命令组
这些命令不能分配给任何其他类别。 为了完整起见，我会提到它们，但是在我看来，当我们开始模仿“太空侵略者”的硬件时，我们将不得不再次回到它们身上。
- EI和DI启用或禁用处理器处理中断的能力。 我将interrupt_enabled标志添加到处理器状态结构，并使用以下命令对其进行设置/重置。
- 似乎RIM和SIM主要用于串行I / O。 如果您有兴趣，可以阅读手册，但是这些命令在Space Invaders中不使用。 我不会效仿它们。
- HLT是一站式服务。 我认为我们不需要模仿它，但是您可以在看到此命令时调用退出（或退出（0））代码。
- IN和OUT是8080处理器设备用于与外部设备进行通信的命令。 虽然我们正在实现它们，但是它们除了跳过数据字节外不会做任何事情。 （稍后我们将返回给他们）。
- NOP是“无操作”。 NOP的一种应用是控制面板定时（执行需要四个CPU周期）。
NOP的另一个应用是代码修改。 假设我们需要更改游戏的ROM代码。 我们不能只删除不必要的操作码，因为我们不想更改所有的CALL和JMP命令（如果至少移动一部分代码，它们将是不正确的）。 使用NOP，我们可以摆脱代码。
添加代码要困难得多！ 您可以通过在ROM中的某个位置找到空间并将命令更改为JMP来添加它。堆叠组
我们已经完成了堆栈组中大多数团队的机制。 如果您与我一起工作，那么这些命令将很容易实现。
推和弹出
PUSH和POP仅适用于寄存器对。 PUSH将一对寄存器写入堆栈，而POP从堆栈顶部获取2个字节，并将它们写入一对寄存器。
对于PUSH和POP，有四个操作码，每个对分别为：BC，DE，HL和PSW。 PSW是一对特殊的驱动器标志寄存器和状态代码。 这是我对BC和PSW的PUSH和POP的实现。 其中没有评论-我认为这里没有特别棘手的内容。
case 0xc1:
SPHL和XTHL
堆栈组中还有另外两个团队-SPHL和XTHL。
SPHL将HL移至SP（强制SP获得新地址）。XTHL将堆栈顶部的内容与一对HL寄存器中的XTHL交换。 您为什么需要这样做？ 我不知道
关于二进制数的更多信息
编写计算机程序时，需要做出的决定之一就是选择用于数字的数据类型-是否希望它们为负数，以及它们的最大大小应为多少。 对于CPU仿真器，我们需要数据类型与目标CPU的数据类型匹配。
已签名和未签名
当我们开始讨论十六进制数时，我们认为它们是无符号的-也就是说，十六进制数的每个二进制数都有一个正值，并且每个被认为是2的幂（单位，2、4等）。
我们处理负数的计算机存储问题。 如果您知道所讨论的数据带有符号，即它们可以是负数，则可以通过数字的最高有效位（最高有效位，MSB）来识别负数。 如果数据大小为一个字节，则每个具有给定MSB位值的数字均为负，而每个具有零MSB的值为正。
负数的值将作为附加代码存储。 如果我们有一个带符号的数字，并且MSB等于1，并且我们想找出这个数字是什么，则可以按如下所示进行转换：对十六进制数字执行二进制“ NOT”，然后加一个。
例如，对于十六进制数字0x80，MSB位置1，即为负。 数字0x80的二进制“ NOT”为0x7f，即十进制127。127 + 1 =128。即，十进制0x80为-128。 第二个示例：0xC5。 不是（0xC5）= 0x3A =十进制58 +1 =十进制59。也就是说，0xC5是十进制-59。
使用附加代码在数字上令人惊讶的是，我们可以像对无符号数字一样对它们执行计算，并且它们仍然
可以使用 。 电脑不需要对标志做任何特殊的事情。 我将展示一些例子来证明这一点。
例子1
十进制十六进制二进制
-3 0xFD 1111 1101
+ 10 0x0A +0000 1010
----- -----------
7 0x07 1 0000 0111
^记录在进位位
例子2
十进制十六进制二进制
-59 0xC5 1100 0101
+ 33 0x21 +0010 0001
----- -----------
-26 0xE6 1110 0110 在示例1中，我们看到将10和-3的结果相加为7，将结果相加，因此可以设置C标志；在示例2中，相加结果为负，因此我们将其解码为：Not（0xE6）= 0x19 = 25 + 1 =
0xE6 = -26大脑爆炸！
如果需要，请阅读有关
Wikipedia上的其他代码的更多信息。
资料类型
在C语言中，数据类型和用于此类型的字节数之间存在关系。 实际上，我们只对整数感兴趣。 标准/老式C数据类型为char，int和long，以及他们的朋友unsigned char，unsigned int和unsigned long。 问题在于，在不同的平台和不同的编译器中，这些类型的大小可能不同。
因此，最好为我们的平台选择一个明确声明数据大小的数据类型。 如果您的平台具有stdint.h，则可以使用int8_t，uint8_t等。
整数的大小确定可以存储在其中的最大数目。 如果是无符号整数，则可以8位存储0到255之间的数字，如果转换为十六进制，则是0x00到0xFF。 由于0xFF具有“所有位已设置”，并且它对应于十进制255，因此完全合乎逻辑的是，单字节无符号整数的间隔为0-255。 间隔告诉我们，所有整数大小都将完全相同-数字与设置所有位时获得的数字相对应。
| 型式 | 间隔时间 | 十六进制 |
|---|
| 8位无符号 | 0-255 | 0x0-0xFF |
| 8位带符号 | -128-127 | 0x80-0x7F |
| 16位无符号 | 0-65535 | 0x0-0xFFFF |
| 16位带符号 | -32768-32767 | 0x8000-0x7FFF |
| 32位无符号 | 0-4294967295 | 0x0-0xFFFFFFFFFF |
| 32位带符号 | -2147483648-2147483647 | 0x80000000-0x7FFFFFFF |
更加有趣的是，每种有符号数据类型中的-1是设置了所有位的数字（有符号字节为0xFF，有符号16位数字为0xFFFF，有符号32位数字为0xFFFFFFFF）。 如果数据被认为是无符号的，那么对于所有给定的位，将获得此类数据的最大可能数目。
为了模拟处理器寄存器，我们选择与该寄存器的大小相对应的数据类型。 可能值得选择默认情况下的未签名类型，并在需要将其视为已签名时进行转换。 例如，我们使用uint8_t数据类型表示一个8位寄存器。
提示：使用调试器转换数据类型
如果gdb安装在您的平台上，那么使用它来处理二进制数字将非常方便。 下面，我将显示一个示例-在下面的会话中，以＃开头的行是我稍后添加的注释。
# /c, gdb
(gdb) print /c 0xFD
$1 = -3 '?'
# /x, gdb hex
# "p" "print"
(gdb) p /c 0xA
$2 = 10 '\n'
# 2 " "
(gdb) p /c 0xC5
$3 = -59 '?'
(gdb) p /c 0xC5+0x21
$4 = -26 '?'
# print , gdb
(gdb) p 0x21
$9 = 33
# , gdb,
# ,
(gdb) p 0xc5
$5 = 197 #
(gdb) p /c 0xc5
$3 = -59 '?' #
(gdb) p 0xfd
$6 = 253
# ( 32- )
(gdb) p /x -3
$7 = 0xfffffffd
# 1
(gdb) print (char) 0xff
$1 = -1 '?'
# 1
(gdb) print (unsigned char) 0xff
$2 = 255 '?'当我使用十六进制数字时，我总是在gdb中执行它-几乎每天都会发生。 这比通过GUI打开程序员的计算器容易得多。 在Linux（和Mac OS X）计算机上，要启动gdb会话，只需打开终端并输入“ gdb”。 如果在OS X上使用Xcode，则在启动程序后，可以在Xcode（输出printf输出的控制台）中使用控制台。 在Windows上，Cygwin提供了gdb调试器。
CPU仿真器终止
收到所有这些信息后，您就可以准备长途旅行。您必须决定如何实现仿真器-创建完整的8080仿真或仅实现完成游戏所需的命令。如果决定进行全面仿真，则将需要更多工具。我将在下一节中讨论它们。另一种方法是仅模拟游戏使用的指令。我们将继续填写在“仿真器外壳程序”部分中创建的庞大的开关构造。我们将重复以下过程，直到只有一个未实现的命令：- 使用ROM Space Invaders启动仿真器
UnimplementedInstruction()如果命令尚未准备就绪，则呼叫将退出- 模拟此指令
- 转到1
开始编写仿真器时，我要做的第一件事是从反汇编器中添加代码。因此，我能够输出应按以下方式执行的命令： int Emulate8080Op(State8080* state) { unsigned char *opcode = &state->memory[state->pc]; Disassemble8080Op(state->memory, state->pc); switch (*opcode) { case 0x00:
我还在末尾添加了代码以显示所有寄存器和状态标志。好消息：为了深入研究5万个团队的程序，我们只需要8080个操作码的子集，我什至会列出需要实现的操作码列表：| 操作码 | 团队 |
|---|
| 0x00 | p |
| 0x01 | LXI B，D16 |
| 0x05 | DCR B |
| 0x06 | MVI B，D8 |
| 0x09 | 爸爸b |
| 0x0d | DCR C |
| 0x0e | MVI C，D8 |
| 0x0f | Rrc |
| 0x11 | LXI D，D16 |
| 0x13 | 英寸 |
| 0x19 | 爸爸 |
| 0x1a | LDAX D |
| 0x21 | LXI H，D16 |
| 0x23 | x |
| 0x26 | MVI H，D8 |
| 0x29 | 爸爸 |
| 0x31 | LXI SP，D16 |
| 0x32 | STA ADR |
| 0x36 | MVI M，D8 |
| 0x3a | LDA ADR |
| 0x3e | MVI A，D8 |
| 0x56 | MOV D，M |
| 0x5e | MOV E，M |
| 0x66 | MOV H，M |
| 0x6f | MOV L，A |
| 0x77 | MOV M，A |
| 0x7a | MOV A，D |
| 0x7b | MOV A，E |
| 0x7c | MOV A，H |
| 0x7e | MOV A，M |
| 0xa7 | 全日空 |
| 0xaf | XRA A |
| 0xc1 | 流行音乐b |
| 0xc2 | 詹兹·阿德 |
| 0xc3 | JMP ADR |
| 0xc5 | 推B |
| 0xc6 | ADI D8 |
| 0xc9 | t |
| 0xcd | 致电adr |
| 0xd1 | 流行音乐 |
| 0xd3 | D8输出 |
| 0xd5 | 推D |
| 0xe1 | 流行音乐 |
| 0xe5 | 推H |
| 0xe6 | ANI D8 |
| 0xeb | ch |
| 0xf1 | POP PSW |
| 0xf5 | 推PSW |
| 0xfb | i |
| 0xfe | CPI D8 |
这些只是50条指令，其中10条是微不足道的实现。侦错
但是我有一个坏消息。几乎可以肯定，您的仿真器将无法正常工作，并且很难找到此类代码中的错误。如果您知道哪个命令的行为不正确（例如，转换或对无意义代码的调用），则可以尝试通过检查代码来修复错误。除了仔细检查代码外，还有另一种解决问题的方法-通过将仿真器与实际可用的仿真器进行比较。我们假设另一个模拟器始终可以正常工作，并且所有区别都是模拟器中的错误。例如，您可以使用我的模拟器。您可以手动并行运行它们。如果将我的代码集成到项目中以进行以下过程，则可以节省时间：- 为模拟器创建状态
- 为我的国家创造状态
- 对于下一队
- 用状态调用模拟器
- 用我的财富来呼唤我
- 比较我们的两个状态
- 寻找任何差异中的错误
- 转到3
另一种方法是手动使用此站点。这是一个8080 Javascript处理器仿真器，甚至包括ROM Space Invaders。过程如下：- 通过单击“空间侵略者”按钮来重新启动“空间侵略者”仿真
- 按“运行1”按钮执行命令。
- 我们在模拟器中执行以下命令
- 比较处理器状态与您的状态
- 如果条件匹配，请转到2
- 如果条件不匹配，则您的指令仿真是错误的。更正它，然后从步骤1重新开始。
我在开始调试8080仿真器时就使用了这种方法，但我不会撒谎-这个过程可能很漫长。结果，我的很多问题都变成了错别字和复制粘贴错误，这些错误在检测到后很容易解决。如果逐步执行代码，则前3万条指令中的大多数指令都将以$ 1a5f的周期执行。如果您在模拟器中查看javascript，则可以看到该代码将数据复制到了屏幕上。我确定经常会调用此代码。第一次渲染屏幕后，经过5万条命令，程序陷入了这一无休止的循环： 0ada LDA $20c0 0add ANA A 0ade JNZ $0ada
它一直等到$ 20c0的内存值变为零。由于此循环中的代码未完全更改$ 20c0，因此它必须是来自其他位置的信号。现在该讨论模拟街机的“铁”了。在继续进行下一部分之前，请确保您的CPU仿真器陷入这种无休止的循环。供参考，请参阅我的资料。完整的8080仿真
, : , . . , . , .
, 8080 .
8080 cpudiag.asm, 8080.
:
- , . , cpudiag.asm .
- 如您所见，该过程非常艰苦。我认为，如果未列出这些步骤，则调试汇编代码的新手将遇到很大的困难。
这就是我在模拟器上使用此测试的方式。您可以使用它，或者想出一种更好的方法来集成它。测试组装
我尝试了几件事，但最终我决定使用这个漂亮的页面。我将文本cpudiag.asm粘贴到左窗格中，并且构建完成，没有任何问题。我花了一分钟的时间弄清楚如何下载结果，但是通过单击左下方的“ Make Beautiful Code”按钮，我下载了一个名为test.bin的文件，该文件的编译代码为8080。我能够使用反汇编程序进行验证。从我的网站上的镜像下载cpudiag.asm。从我的网站下载cpudiag.bin（编译代码8080）。将测试上传到我的模拟器
而不是加载入侵者*文件，而是加载此二进制文件。这里出现一些小困难。首先，源汇编程序代码中有一行ORG 00100H，即，这意味着在假定第一行代码为0x100 hex的情况下编译整个文件。我以前从未在汇编器8080中编写过代码，所以我不知道此行的作用。我花了一分钟的时间才发现所有分支分支地址都不正确，并且内存必须从0x100开始。其次，由于仿真器是从头开始的，因此我必须首先过渡到真实代码。将十六进制值插入到零地址的内存中后JMP $0100，我进行了处理。 （或者您可以将PC初始化为0x100。）第三，我在编译后的代码中发现了一个错误。我认为原因是对最后一行代码的处理不正确STACK EQU TEMPP+256，但是我不确定。尽可能地，编译期间的堆栈位于$ 6ad，并且前几个PUSH开始重写代码。我建议该变量也应像代码其余部分一样偏移0x100，因此我通过在初始化堆栈指针的代码行中插入“ 0x7”来修复该变量。最后，由于我没有在模拟器中实现DAA或辅助迁移，因此我修改了代码以跳过此检查（我们只是使用JMP跳过了此检查）。 ReadFileIntoMemoryAt(state, "/Users/kpmiller/Desktop/invaders/cpudiag.bin", 0x100);
测试试图得出一个结论
显然，该测试依赖于CP / M OS的帮助。我发现CP / M在$ 0005处有一些代码可以将消息打印到控制台，并更改了CALL仿真以处理此行为。我不确定是否一切正常，但是对于程序尝试打印的两条消息，它是否起作用。我运行此测试的CALL仿真如下所示： case 0xcd:
通过此测试，我在模拟器中发现了几个问题。我不确定他们会参与其中的游戏，但是如果他们参与了，那么很难找到他们。我继续执行所有的操作码（DAA和他的朋友除外）。我花了3-4个小时来解决挑战中的问题并实施新的挑战。绝对比我上面描述的手动过程要快-在我找到此测试之前，我花了4个小时以上的时间进行手动过程。如果您能弄清楚这个解释，那么我建议您使用这种方法，而不要手动进行比较。但是，了解手动过程也是一项很好的技能，如果您想模拟另一个处理器，则应该返回到它。如果您无法执行此过程或看起来过于复杂，那么绝对值得选择上述方法，并在程序中运行两个不同的模拟器。当程序中出现数百万个命令并添加了中断时，将无法手动比较两个仿真器。