3.1.模拟CPU入门
让我们开始吧。
让我们尝试解释我们的第一个程序。该程序如下所示：
a9 c0 aa e8 00这有点神秘，因为它不是为人类阅读而设计的。如果我们用汇编代码表示程序，我们可以更容易地破译发生了什么：
现在它更具可读性：它由 4 条指令组成，第一条指令有一个参数。
让我们通过引用6502 指令参考中的操作码来解释发生了什么
看起来该命令将十六进制值 0xC0 加载到累加器 CPU 寄存器中。它还必须更新处理器状态寄存器 P 中的一些位（即第 1 位 - 零标志和第 7 位 - 负标志）。
LDA规范显示操作码0xA9有一个参数。指令大小为 2 个字节：一个字节用于操作码本身（所有 NES CPU 操作码的标准），另一个用于参数。 NES 操作码可以没有显式参数或一个显式参数。对于某些操作，显式参数可以占用 2 个字节。在这种情况下，机器指令将占用 3 个字节。 值得一提的是，有些操作使用 CPU 寄存器作为隐式参数。 让我们从高层次的角度勾勒出我们的 CPU 的样子：
pub struct CPU {
pub register_a: u8,
pub status: u8,
pub program_counter: u16,
}impl CPU {
pub fn new() -> Self {
CPU {
register_a: 0,
status: 0,
program_counter: 0,
}
}
pub fn interpret(&mut self, program: Vec<u8>) {
todo!("")
}
}请注意，我们引入了一个程序计数器寄存器，它将帮助我们跟踪我们在程序中的当前位置。另外，请注意，解释方法采用对 self 的可变引用，因为我们知道我们需要在执行期间修改register_a 。 CPU 以恒定周期工作：
- 从指令存储器中取出下一条执行指令
- 解码指令
- 执行指令
- 重复循环 让我们尝试更准确地编码：
pub fn interpret(&mut self, program: Vec<u8>) {
self.program_counter = 0;loop {
let opscode = program[self.program_counter as usize];
self.program_counter += 1;
match opscode {
_ => todo!()
}
}
}到现在为止还挺好。无限循环？不，会没事的。现在让我们实现**LDA (0xA9)**操作码：
match opscode {
0xA9 => {
let param = program[self.program_counter as usize];
self.program_counter +=1;
self.register_a = param;
if self.register_a == 0 {
self.status = self.status | 0b0000_0010;
} else {
self.status = self.status & 0b1111_1101;
}
if self.register_a & 0b1000_0000 != 0 {
self.status = self.status | 0b1000_0000;
} else {
self.status = self.status & 0b0111_1111;
}
}
_ => todo!()
}我们在这里并没有做任何疯狂的事情，只是遵循规范并使用 rust 结构进行二进制运算。
根据结果设置或取消设置 CPU 标志状态至关重要。 由于无限循环，我们还不能测试这个功能。在继续之前，让我们快速实现**BRK (0x00)**操作码：
match opcode {
// ...
0x00 => {
return;
}
_ => todo!()
}现在让我们编写一些测试：
#[cfg(test)]
mod test {
use super::*;#[test]
fn test_0xa9_lda_immidiate_load_data() {
let mut cpu = CPU::new();
cpu.interpret(vec![0xa9, 0x05, 0x00]);
assert_eq!(cpu.register_a, 0x05);
assert!(cpu.status & 0b0000_0010 == 0b00);
assert!(cpu.status & 0b1000_0000 == 0);
}#[test]
fn test_0xa9_lda_zero_flag() {
let mut cpu = CPU::new();
cpu.interpret(vec![0xa9, 0x00, 0x00]);
assert!(cpu.status & 0b0000_0010 == 0b10);
}
}你认为这就够了吗？我们还应该检查什么？ 好的。让我们尝试实现另一个操作码，好吗？
这也很简单：将值从 A 复制到 X，并更新状态寄存器。 我们需要在我们的 CPU 结构中引入register_x，然后我们可以实现**TAX (0xAA)**操作码：
pub struct CPU {
//...
pub register_x: u8,
}
impl CPU {
// ...
pub fn interpret(&mut self, program: Vec<u8>) {
// ...
match opscode {
//...
0xAA => {
self.register_x = self.register_a;
if self.register_x == 0{
self.status = self.status | 0b0000_0010;
} else {
self.status = self.status & 0b1111_1101;
}
if self.register_x & 0b1000_0000 != 0 {
self.status = self.status | 0b1000_0000;
} else {
self.status = self.status & 0b0111_1111;
}
}
}
}
}不要忘记编写测试：
#[test]
fn test_0xaa_tax_move_a_to_x() {
let mut cpu = CPU::new();
cpu.register_a = 10;
cpu.interpret(vec![0xaa, 0x00]);assert_eq!(cpu.register_x, 10)
}在转到下一个操作码之前，我们必须承认我们的代码非常复杂：
- 解释方法已经很复杂并且做了很多事情
- TAX和LDA的实施方式之间存在明显的重复。 让我们解决这个问题：
// ...
fn lda(&mut self, value: u8) {
self.register_a = value;
self.update_zero_and_negative_flags(self.register_a);
}
fn tax(&mut self) {
self.register_x = self.register_a;
self.update_zero_and_negative_flags(self.register_x);
}
fn update_zero_and_negative_flags(&mut self, result: u8) {
if result == 0 {
self.status = self.status | 0b0000_0010;
} else {
self.status = self.status & 0b1111_1101;
}
if result & 0b1000_0000 != 0 {
self.status = self.status | 0b1000_0000;
} else {
self.status = self.status & 0b0111_1111;
}
}
// ...
pub fn interpret(&mut self, program: Vec<u8>) {
// ...
match opscode {
0xA9 => {
let param = program[self.program_counter as usize];
self.program_counter += 1;self.lda(param);
}
0xAA => self.tax(),
0x00 => return,
_ => todo!(),
}
}
}行。代码现在看起来更易于管理。希望所有测试仍然通过。
我不能足够强调为我们正在实现的所有操作码编写测试的重要性。操作本身几乎是微不足道的，但微小的错误可能会在游戏逻辑中引起不可预知的涟漪。
从程序中实现最后一个操作码应该不是问题，我将把这个练习留给你。
完成后，这些测试应该通过：
#[test]
fn test_5_ops_working_together() {
let mut cpu = CPU::new();
cpu.interpret(vec![0xa9, 0xc0, 0xaa, 0xe8, 0x00]);assert_eq!(cpu.register_x, 0xc1)
}
#[test]
fn test_inx_overflow() {
let mut cpu = CPU::new();
cpu.register_x = 0xff;
cpu.interpret(vec![0xe8, 0xe8, 0x00]);assert_eq!(cpu.register_x, 1)
}本章的完整源代码：GitHub。