前言

Gameboy作为任天堂最成功的一代掌机产品，其近乎成为了掌机标志性代表，自己完成一个Gameboy模拟器一直是我的一个梦想。早在一年前，我就开始试着读了下Gameboy的文档资料，惊讶的发现有了计组和汇编课程的知识储备，看这些文档似乎也没有想象中的那么难，不过离写出一个模拟器差的还是有点多。幸运的是，Gameboy是很受Hacker们欢迎的一台机器，网络上能找到不少相关资料，Reddit上甚至有专门的模拟器开发板块，基本在开发中碰到的砍都能找到相应的解决方案。从构思到编码，完成这款模拟器总共花费了我一个月的时间，编码过程中由近乎一半的时间都在DEBUG。不过最终总算是做出了一个能用的模拟器：

既然模拟器跑起来了，那就可以做一些有意思的扩展了。现在都说云游戏是未来，那咱也来凑波热闹吧，你可以通过命令行进行“云游戏”游玩Gameboy游戏：

总的来说，编写一个Gameboy模拟器并不是特别特别困难的事，大学里的汇编和计算机组成的知识完全能应付过来，国外的文档资料也十分全面，赶紧动手吧！在复习汇编计组的同时，真的能学到不少新知识！这篇文章就以尽可能易懂的方式阐述Gameboy模拟器的基本思路，希望能给有类似想法的同学一个参考。

硬件概况

广义上的Gameboy指的是Gameboy家族，其产品线包括初代厚砖头Gameboy、Color、Advance及其附属改良、变种机型，并且每代机型都能向后兼容前代卡带。我所模拟的是初代的Gameboy（以下简称Gameboy）。初代的架构与其后的Color很相似，所以完成初代模拟后不需要较大工作也可完成Color的模拟。Gameboy的基本硬件信息如下：

• CPU：改良后的Z80，主频4.194304 MHz
• 工作内存：8KB
• 显存：8KB
• 图形：160x144分辨率，4阶灰度
• 声音：4个通道，包括2个方波通道、1个噪声通道和一个采样通道
• I/O：手柄按键、串口通信、卡带插槽

编写模拟器的主要工作也就是完成对上述组件的模拟。

模块模拟思路

我采用的思路是将现实的实机的功能部分对应到代码逻辑上来，将模拟分为了CPU、内存、图形、声音、卡带、控制器、外部驱动实现（串口通信、键盘、GUI显示）。这里我将以模拟器从启动到运行的顺序对这些部分分别解释。

卡带

没法插卡带的游戏机是没有灵魂的。

卡带是游戏的载体，卡带中以只读形式存储着游戏的全部数据，不同游戏使用的卡带可能有很大的不同。有的游戏卡带支持使用电池驱动的可擦写存储，以便用于游戏存档；有些卡带内装有增强芯片，以便用于实现原始机器不能实现的画面或声音特效；更有像Gameboy Camera这种异型卡带装有摄像头用于拍照。

模拟器的启动过程与真机类似，不过真机是从内置的BIOS启动的，其用于检查卡带授权信息、展示任天堂LOGO。在模拟时我们可以略去这一步（如果您对重现Gameboy的经典开机画面不是特别执着的话），只需要将初始状态CPU寄存器的初始化为和BIOS启动后真机的一致就行。

模拟器在启动时，首先要做的是读取卡带信息，尤其是识别卡带的类型，不同类型的卡带在后期模拟时处理方式也有稍微的不同。在模拟器这里，卡带实体是以ROM文件呈现的（一般为gb扩展名），这些ROM文件将卡带中记录的数据完整的DUMP出来，我们不必关注硬件连接，只需要读取ROM文件即可，这使得我们模拟的工作要轻松很多。在拿到ROM后，模拟器首先要做的是读取卡带的基本信息。

卡带头部

ROM文件中0x100到0x14F部分为卡带的头部信息，记录了卡带类型、游戏标题、版权标识等信息，模拟过程需要关注的主要有

• 0x100-0x103 - 卡带入口

  BIOS程序结束后游戏会从此处开始执行，通常会有JP指令跳转至游戏程序真正的起点。

• 0x104-0x133

  虽然模拟器不需要关心这一部分，但因为很有意思，所以也拿来说一下。

  这里记录的是任天堂LOGO的点阵图，与开机画面的那个一样。为什么要在卡带里包含一份呢？其实这是为了防止厂商未经任天堂许可私自生产卡带。因为Gameboy在启动时BIOS会检查卡带的这一部分数据，并与Gameboy自身存储的LOGO进行对比，如果不一致，游戏就无法启动。所以每个想要在Gameboy上运行的卡带都需要包含这一段数据，而使用任天堂LOGO又必须得到授权。这种做法与Oracle在代码里写诗有异曲同工之妙。

• 0x134-0x143 - 游戏标题

  这里记录的时游戏大写标题的ASCII码。

• 0x147 - 卡带类型

  这一部分是模拟器重点关注的部分，其值具体含义如下：

    
    00h  ROM ONLY                 13h  MBC3+RAM+BATTERY
    01h  MBC1                     15h  MBC4
    02h  MBC1+RAM                 16h  MBC4+RAM
    03h  MBC1+RAM+BATTERY         17h  MBC4+RAM+BATTERY
    05h  MBC2                     19h  MBC5
    06h  MBC2+BATTERY             1Ah  MBC5+RAM
    08h  ROM+RAM                  1Bh  MBC5+RAM+BATTERY
    09h  ROM+RAM+BATTERY          1Ch  MBC5+RUMBLE
    0Bh  MMM01                    1Dh  MBC5+RUMBLE+RAM
    0Ch  MMM01+RAM                1Eh  MBC5+RUMBLE+RAM+BATTERY
    0Dh  MMM01+RAM+BATTERY        FCh  POCKET CAMERA
    0Fh  MBC3+TIMER+BATTERY       FDh  BANDAI TAMA5
    10h  MBC3+TIMER+RAM+BATTERY   FEh  HuC3
    11h  MBC3                     FFh  HuC1+RAM+BATTERY
    12h  MBC3+RAM
  

  卡带类型的区别主要是体现在MBC (Memory Bank Controller)上，具体是啥后面再说。

MBC

虽然还没讲到内存部分，不过咱可以先预告一下，Gameboy的内存映射中，分给卡带ROM部分的内存地址空间值只有32KB！也就是说在原始情况下，Gameboy只能玩32KB的游戏。对于俄罗斯方块这种小游戏，32KB完全够用，但对于宝可梦这种游戏来说肯定是完全不够的。所以ROM容量为1MB的初代宝可梦是怎样实现在Gameboy上运行的呢？这里就要介绍一种名为Memory Banking的技术，它与计算机中内存的分页和交换机制很类似。Gameboy将内存分为了16KB大小的“bank”，也就是有两个bank大小的卡带ROM数据可同时映射到内存中。这样就可以实现用有限的地址空间访问更大范围的数据：游戏在运行时之将当前时刻需要的bank映射到内存中，需要其他数据的时候再将新的bank替换进来。对于ROM ONLY类型的游戏，这个过程就不需要啦，32KB的地址空间正好完全对应32KB的卡带ROM。

除了ROM需要使用Bank以外，Gameboy映射给用于存档的卡带内置RAM的地址空间也很有限，所以大部分情况下，带有RAM功能的卡带也需要对RAM进行类似的Banking操作。

什么时候需要替换新的bank？在现代计算机中，内存分页、交换是由操作系统完成的，应用程序无需干涉，而在Gameboy中，这一过程是由游戏程序控制的。前面说过，卡带有不同的类型，不同类型的卡带主要体现在对Memory Banking控制逻辑的不同，常见的类型有MBC1、MBC2、MBC5等。下面以最最常见的MBC1为例说明。

前面说到，Gameboy内存中有32KB映射为卡带ROM，这一部分存放的主要是游戏程序、资源等等不可修改的数据，理论上这一部分内存是只读的。但在MBC中，游戏可以通过想这一部分地址写入数据来控制Memory Bank。Gameboy内存中，0x0000-0x3FFF是第一块ROM Bank，但这一块Bank不可操纵，总对应着卡带的第一块Bank，随后的0x000-0x7FFF为第二块，可通过MBC改变Bank。向这些地址写入产生的控制效果如下：

• 向0x0000-0x1FFF写入 RAM Bank 使能

  有些卡带带有可读写的RAM用于存储游戏存档数据（后面会说到，这一部分在Gameboy内存中也有映射），原则上，在向卡带RAM写数据前要先启用RAM，写入完毕后立马禁用，以防止关闭Gameboy电源时对卡带RAM造成损坏。但对于模拟器来说，如果不追求精确模拟的话，这个其实无所谓，就当一直启用着就行。写入值的含义为：

   00h  禁用RAM (默认)
   0Ah  启用RAM
  

• 向0x2000-0x3FFF写入 - 指定ROM Bank 序号

  被写入的值即为需要的ROM Bank编号的低5位（剩下的位怎么决定在下一段）。MBC会将需求的Bank序号从卡带映射到0x000-0x7FFF。

• 向0x4000-0x5FFF 写入 - 指定ROM Bank 序号的高位或者RAM Bank序号

  向这一部分写入会产生不同的效果：指定ROM Bank序号的高位、或者指定RAM Bank序号，到底哪种影响，取决于下一段中的描述。

• 向0x6000-0x7FFF 写入 - 指定上一段中的操作是用来控制ROM Bank还是RAM BANK

   00h = ROM Banking Mode (up to 8KByte RAM, 2MByte ROM) (default)
   01h = RAM Banking Mode (up to 32KByte RAM, 512KByte ROM)
  

在编写模拟器时，我们可以对写内存的操作，根据写入地址进行划分，如果在上面的范围内，就调用MBC相应的功能进行Memory Banking，具体会在内存章节中进行说明；对于读内存的操作，如果读取地址范围处于某个Memory Bank中，就根据当前选择的Bank序号去卡带ROM或RAM中取回相应的数据返回。

内存

模拟器获取到卡带的基本信息后，需要完成内存地址对卡带ROM和RAM的映射，并完成内存的初始化。内存是模拟Gameboy中很重要的部分，Gameboy采用“内存映射的I/O” (Memory-mapped I/O) 与外部硬件通信，对诸如LCD、声音处理单元的控制都是通过读写内存实现的。

在模拟内存部分时，我们主要需要实现两个接口：

• WriteMemory(address word, value byte) - 向指定内存地址写字节
• ReadMemory(address word) byte - 读取指定内存地址一个字节的数据

Gameboy可用的工作内存只有8KB，但其总共可寻址的范围为0x000 - 0XFFFF，所以我们可以简单粗暴的用一个数组来模拟全部的内存空间：

type Memory struct {
	MainMemory [0x10000]byte
}

但实际上，Gameboy主机并没有这么多可用内存，这些地址空间中有很大部分都被映射给了外部的硬件，真正属于主机内存部分的只有8KB，所以在处理读写内存指令时，除了访问MainMemory数组或其他外部存储设备外，模拟器需要根据目的地址所处范围执行不同的外部操作。

内存映射图大致如下：

  0000-3FFF   16KB的ROM Bank  序号0       一直对应卡带的0号 ROM Bank
  4000-7FFF   16KB的ROM Bank  序号1...N   可变的 ROM Bank
  8000-9FFF   8KB的显存
  A000-BFFF   8KB的外部RAM		如果卡带有RAM功能的话，这里也是可以进行 RAM Banking 的
  C000-DFFF   8KB工作内存
  E000-FDFF   内容与C000-DDFF一致(ECHO)    (通常不被使用)
  FE00-FE9F   Sprite属性表 (OAM)
  FEA0-FEFF   不可用
  FF00-FF7F   I/O 端口映射
  FF80-FFFE   High RAM (HRAM)
  FFFF        中断使能寄存器

下面从上到下依次介绍。

• 0000-3FFF

  这一部分始终对应卡带ROM的第0号Bank，对于这一区域的读请求，直接返回卡带ROM对应地址的字节就行了；写操作可能根据卡带类型的不同，交给卡带的MBC处理或者忽略掉。

• 4000-7FFF

  在ROM Only的卡带中，这一部分对应着卡带ROM的相同位置，直接返回对应字节即可。对于带有MBC的卡带，模拟器需要根据当前选择的Bank序号计算出卡带中对应的真实地址并返回字节。

• 8000-9FFF

  这一部分对应主机显存，直接对MainMemory数组的对应地址进行存取操作。至于游戏画面的处理，咱放在后面说。

• A000-BFFF

  这一部分时可读写的外部RAM，对于有MBC的卡带，存取前，模拟器需要进行RAM Banking操作。有些没有MBC的卡带也支持外部RAM，不过不需要Banking。

• C000-DFFF

  这里的处理很简单，直接对MainMemory数组的对应地址进行存操作.

• E000-FDFF

  这部分的内容与C000-DFFF一致，可以在处理C000-DFFF部分写指令的同时将字节写入到这部分对应的位置。

• FE00-FE9F

  这部分也可以放在MainMemory数组里，具体作用放到图形章节说。

• FEA0-FEFF

  不可用区域，直接忽略掉这部分的读写请求。

• FF00-FF7F

  这部分很重要，这里映射给了各种外部硬件的寄存器，也是CPU与外部硬件通讯的通道。这部分的很多读写请求都要单独处理，具体后面遇到了再说。

• FF80-FFFE

  这一部分内存的读写速度要比别处要高，不过模拟时可以忽略，放到MainMemory数组。

• FFFF

  这一个字节是中断使能位，具体放到CPU章节说。

CPU

目前，我们的模拟器已经读取了卡带信息、完成了内存部分的基本模拟，之后模拟器就要进入主循环了，后续的全部工作都是在这个循环中完成的，每轮模拟器循环只需要依次执行以下操作：让CPU运行一段时间、更新控制器状态。这里的每次循环都会让游戏画面更新一帧，而Gameboy实机的帧率为59.73FPS，方便起见，模拟时可以假定为60FPS。也就是说，模拟器循环的执行是需要控制为和帧率一致的速率的。下面是模拟器循环的实现代码：

// Start the emulation loop
func (core *Core) Run() {
	// Execution interval depends on the FPS
	ticker := time.NewTicker(time.Second / time.Duration(core.FPS))
	for range ticker.C {
		core.Update()
		// Check controller input interrupt
		if core.Controller.UpdateInput() {
			core.RequestInterrupt(4)
		}
	}
}

其中core.Update()是最重要的部分，Update中主要的工作是让CPU运行指定的指令周期，并在每次Update结束后绘制一帧游戏画面。所以每轮模拟器循环CPU要运行多少个指令周期呢？前面提到过，Gameboy CPU的时钟频率CLOCK为4.194304 MHz，而模拟器循环频率FPS为60HZ，所以每轮模拟器循环中CPU可用的时钟周期为CLOCK/FPS。

指令周期

Update中，CPU会一直运行，直到所花费的总时钟周期达到CLOCK/FPS，我们可以把Update大致的框架写出来：

func (core *Core) Update() {
	cyclesThisUpdate := 0
	for cyclesThisUpdate < core.Clock/core.FPS {
		/*
			执行一个指令周期，并把所花费的时钟周期加到cyclesThisUpdate
		*/
	}
	core.RenderScreen()
}

在模拟器中，“指令周期”除了执行指令外，还要执行包括更新时钟、画面等更多的操作。模拟指令周期需要执行的操作依次为：执行下一条操作码、更新计时器、更新画面、更新串口I/O、检查中断。

在开始最耗时的指令码模拟之前，我们还需要将CPU的寄存器表示出来。

寄存器

Gameboy的CPU有6个16位寄存器，除了栈顶指针SP、程序计数器PC外，剩下的寄存器分别为AF、BC、DE、HL，这些寄存器可以被当作完整的16位使用，也可以把高低位拆分为两个8位寄存器使用。但是AF的低位F是状态标志寄存器，不可以直接使用。

在模拟时，你可以选择将每个寄存器表示为一个WORD，在需要拆分使用时再使用位运算拆分，或者使用BYTE表示每半个寄存器。我使用的组合的方式：

type Registers struct {
	A  byte
	B  byte
	C  byte
	D  byte
	E  byte
	F  byte
	HL uint16
	PC uint16
	SP uint16
}

方便起见，我使用了另一个结构体来表示状态标志寄存器的值，以将各个状态拆分开来：

type Flags struct {
	Zero      bool	//零位
	Sub       bool	//加减位
	HalfCarry bool	//半移位
	Carry     bool	//移位

	InterruptMaster bool
	PendingInterruptEnabled bool
}

在后期进行指令模拟时，寄存器的值需要根据具体情况进行更新。不过后面实际操作的时候，我发现这种分开表示的方法不怎么方便….更好的方式是想其他寄存器那样，用一个字节把F寄存器、用位操作更改各个标志位的值。