🎸 🈵 👨🏾‍🌾 创建一个模拟器街机。第4部分 🧤 🔔 📛

机器的其余部分

我们编写的用于模拟8080处理器的代码非常通用，可以很容易地使其适应于使用C编译器的任何计算机上运行，但是为了玩游戏本身，我们需要做更多的事情。我们将必须模拟整个街机的设备，并编写将我们的计算环境的特定功能粘贴到模拟器的代码。

（您可能会对查看机器的电路图感兴趣。）

时机

游戏运行在2 MHz 8080上。您的计算机速度更快。为了考虑到这一点，我们将不得不提出某种机制。

打断

中断的设计使处理器能够以精确的执行时间处理任务，例如I / O。处理器可以执行程序，并在触发中断引脚时停止执行当前程序并执行其他操作。

我们需要模拟街机生成中断的方式。

图形

Space Invaders在0x2400地址范围内将图形绘制到其内存中。真正的硬件视频控制器将读取RAM并控制CRT显示。我们的程序必须通过在窗口中渲染游戏图片来模仿这种行为。

按键

游戏中有一些物理按钮，程序可以使用8080处理器的IN命令读取这些按钮，我们的仿真器需要将键盘输入绑定到这些IN命令。

ROM和RAM

我必须承认：我们通过创建一个16 KB的内存缓冲区来“偷工减料”，其中包括低16 KB的处理器内存分配。实际上，内存分配的前2 KB是实际的只读内存（ROM）。我们将需要将内存中的写操作放入一个函数中，这样就不可能写到ROM。

音效

到目前为止，我们还没有说出任何声音。 Space Invaders具有可爱的模拟声音方案，可再现由OUT命令控制的8种声音之一，并传输到端口之一。为了在我们的平台上播放声音样本，我们将必须转换这些OUT命令。

这似乎是一项艰巨的工作，但还不错，我们可以逐步进行。我们要做的第一件事是查看屏幕，为此我们需要中断，图形以及IN和OUT命令的部分处理。

显示和更新

基础知识

您可能熟悉视频显示系统的组件。系统中的某处有某种RAM，其中包含要在屏幕上显示的图像。对于模拟设备，有些设备会读取此RAM，并将字节转换为传输到监视器的模拟电压。

对系统的深入了解将有助于我们分析内存分配和代码功能的目的。

模拟显示器对刷新率和时序有要求。在任何给定时间，显示器都有更新的特定像素。传输到屏幕的图像从左上角到右上角逐点填充，然后是第二行的第一个点，第二行的最后一个点，依此类推。在屏幕上绘制最后一行之后，视频控制器可以生成垂直空白中断（也称为VBI或VBL）。

为确保动画流畅，视频控制器处理的RAM中的图像无法更改。如果RAM更新发生在帧的中间，则观看者将看到两张图像的一部分。当与底部框架不同的框架显示在屏幕顶部时，将导致“撕裂”效果。如果您曾经看过换行符，那么您会知道它的外观。

为避免出现间隙，软件必须采取措施避免转移屏幕更新的位置。而且只有一种方法可以做到这一点。

VBL是在最后一行的结尾之后生成的，通常在重画第一行之前需要一定的时间。（这是垂直空白时间，大约为1毫秒。）

收到VBL时，程序将从上方开始渲染屏幕。

在进行帧扫描反向处理之前绘制每条线。

CPU总是在回热之前，因此可以避免断线。

太空入侵者视频系统

内容丰富的网页告诉我们，太空侵略者有两个视频中断。一个用于帧的结尾，但它也在屏幕中间产生一个中断。该页面描述了屏幕更新系统-游戏在屏幕中间收到中断时在屏幕的上半部分绘制图形，而在帧末尾收到中断时在屏幕的下部绘制图形。这是消除换行的一种非常聪明的方法，并且是当您同时开发硬件和软件时可以实现的良好示例。

我们必须强制我们的机器仿真以生成此类中断。如果我们以60 Hz的频率以及Space Invaders机器生成它们，则将以正确的频率绘制游戏。

在下一节中，我们将讨论中断的机制并考虑如何模拟它们。

按钮和端口

8080使用IN和OUT指令实现I / O。它具有8个独立的IN和OUT端口-该端口由命令的数据字节确定。例如， IN 3将端口3的值放入寄存器A， OUT 2将A发送到端口2。

我从计算机考古学网站上获取了有关每个端口用途的信息。如果此信息不可用，我们将必须通过研究电路图以及阅读和逐步执行代码来获取。

:
1
0 (0, )
1 Start
2 Start
3 ?
4
5
6
7 ?

2
0,1 DIP- (0:3,1:4,2:5,3:6)
2 ""
3 DIP- , 1:1000,0:1500
4
5
6
7 DIP-, 1:,0:

3

2 ( 0,1,2)
3
4
5
6 "" ? , ,
(0=a,1=b,2=c ..)

( 3,5,6 1=$01 2=$00
, (attract mode))

有三种方法可以在我们的软件堆栈中实现I / O（由8080仿真器，机器代码和平台代码组成）。

将机器知识嵌入我们的8080仿真器
在机器代码中嵌入8080仿真器知识
在代码的三个部分之间创建一个正式接口，以通过API进行信息交换

我排除了第一个选项-很明显，仿真器位于此调用链的最底部，应该分开放置。（想象一下，您需要将模拟器重新用于另一款游戏，您就会明白我的意思了。）在一般情况下，将高级数据结构传输到较低级别是一种较差的体系结构解决方案。

我选择了选项2。让我先显示代码：

  while (!done) { uint8_t opcode = state->memory[state->pc]; if (*opcode == 0xdb) //machine specific handling for IN { uint8_t port = opcode[1]; state->a = MachineIN(state, port); state->pc++; } else if (*opcode == 0xd3) //OUT { uint8_t port = opcode[1]; MachineOUT(state, port); state->pc++; } else Emulate8080Op(state); }

该代码在同一层中重新实现了针对IN和OUT的操作码的处理，这将为其余命令调用仿真器。我认为，这使代码更整洁。这类似于两个命令的覆盖或子类，后者是指自动机层。

缺点是我们在两个地方转移了操作码的仿真。我不会怪您选择第三个选项。在第二个选项中，需要的代码更少，但是选项3更“干净”，但是价格却增加了复杂性。这是样式选择的问题。

移位寄存器

太空侵略者机器有一个有趣的硬件解决方案，它实现了移位命令。 8080具有1位移位的命令，但将需要数十个8080组来实现多位/多字节移位，特殊的硬件允许游戏仅用少量指令即可执行这些操作。在它的帮助下，每一帧都绘制在游戏场上，也就是说，每帧使用了多次。

我认为我无法比对计算机考古学的出色分析更好地解释它：

; 16- :
; f 0
; xxxxxxxxyyyyyyyy
;
; 4 x y, x, :
; $0000,
; write $aa -> $aa00,
; write $ff -> $ffaa,
; write $12 -> $12ff, ..
;
; 2 ( 0,1,2) 8- , :
; offset 0:
; rrrrrrrr result=xxxxxxxx
; xxxxxxxxyyyyyyyy
;
; offset 2:
; rrrrrrrr result=xxxxxxyy
; xxxxxxxxyyyyyyyy
;
; offset 7:
; rrrrrrrr result=xyyyyyyy
; xxxxxxxxyyyyyyyy
;
; 3 .

对于OUT命令，写入端口2设置移位量，写入端口4设置移位寄存器中的数据。用IN 3读取将返回移位量后的数据。在我的机器中，这是这样实现的：

  -(uint8_t) MachineIN(uint8_t port) { uint8_t a; switch(port) { case 3: { uint16_t v = (shift1<<8) | shift0; a = ((v >> (8-shift_offset)) & 0xff); } break; } return a; } -(void) MachineOUT(uint8_t port, uint8_t value) { switch(port) { case 2: shift_offset = value & 0x7; break; case 4: shift0 = shift1; shift1 = value; break; } }

琴键

为了获得机器的响应，我们需要将键盘输入绑定到它。大多数平台都有一种方法来接收击键和释放事件。按钮的平台代码如下所示：

  if(PeekMessage(&msg,NULL,0,0,PM_REMOVE)) { if (msg.message==WM_KEYDOWN ) { if ( msg.wParam == VK_LEFT ) MachineKeyDown(LEFT); } else if (msg.message==WM_KEYUP ) { if ( msg.wParam == VK_LEFT ) MachineKeyUp(LEFT); } }

将平台代码粘贴到仿真器代码的机器代码将如下所示：

  MachineKeyDown(char key) { switch(key) { case LEFT: port[1] |= 0x20; //Set bit 5 of port 1 break; case RIGHT: port[1] |= 0x40; //Set bit 6 of port 1 break; /*....*/ } } PlatformKeyUp(char key) { switch(key) { case LEFT: port[1] &= 0xDF //Clear bit 5 of port 1 break; case RIGHT: port[1] &= 0xBF //Clear bit 6 of port 1 break; /*....*/ } }

如果您愿意，可以根据需要组合机器和平台的代码-这是实现的选择。我不会这样做，因为我要将机器移植到几个不同的平台。

打断

研究了手册之后，我意识到8080可以按以下方式处理中断：

中断源（CPU外部）设置CPU中断引脚。
当CPU确认接收到中断时，中断源可以将任何操作码发送到总线，而CPU可以看到它。（大多数情况下，他们使用RST命令。）
CPU执行该命令。如果它是RST，则这类似于内存底部固定地址的CALL命令。它将当前PC推入堆栈。
低位存储器地址中的代码处理中断要告诉程序的内容。处理完成后，RST通过调用RET终止。

游戏的视频设备会产生两个我们必须以编程方式模拟的中断：帧的结尾和帧的中间。两者均以60 Hz（每秒60次）执行。 1/60秒是16.6667毫秒。

为了简化处理中断的过程，我将向8080仿真器添加一个函数：

  void GenerateInterrupt(State8080* state, int interrupt_num) { //perform "PUSH PC" Push(state, (state->pc & 0xFF00) >> 8, (state->pc & 0xff)); //Set the PC to the low memory vector. //This is identical to an "RST interrupt_num" instruction. state->pc = 8 * interrupt_num; }

平台代码必须实现一个我们可以调用的计时器（目前，我仅将其称为time（））。机器代码将使用它来将中断传递给8080仿真器。在机器代码中，当计时器到期时，我将调用GenerateInterrupt：

  while (!done) { Emulate8080Op(state); if ( time() - lastInterrupt > 1.0/60.0) //1/60 second has elapsed { //only do an interrupt if they are enabled if (state->int_enable) { GenerateInterrupt(state, 2); //interrupt 2 //Save the time we did this lastInterrupt = time(); } } }

关于8080如何实际处理中断的一些详细信息，我们将不进行仿真。我相信这种处理足以满足我们的目的。

创建一个模拟器街机。 第4部分