#madskillz

Сделай свой эмулятор процессора Motorola 68000 🖥

В свободное время программисты могут заниматься странными вещами. Например, я сделал эмулятор процессора Motorola 68000. Сейчас там поддержано 94% инструкций и все нужные абстракции, это заняло ~2500 строк кода.

Мне было интересно, рекомендую это делать всем, кто хочет лучше понять работу процессора 🍅

m68k (сокращенно) это процессор, сильно обогнавший свое время. Он использовался на протяжении десятилетий в компьютерах Macintosh, Amiga, Atari, приставке Sega Mega Drive, и прочих устройствах.

1️⃣ Представление в C++

В архитектуре процессора уже есть элементы 32-битовости, но с ограничениями.
Всего есть 16 регистров 32-битных (и 1 регистр 16-битный).
Несмотря на то, что "адресные" регистры (A0-A7) 32-битные, по факту для адреса берутся младшие 24 бита. То есть адресуется пространство в 16 мегабайт памяти.
Процессор поддерживает зачаток виртуализации для многозадачных систем - обращение к регистру A7 по факту будет обращением либо к USP, либо к SSP, в зависимости от флага в статусном регистре.
🔍 registers.h - представление регистров

Процессор может что-то читать/писать по адресам 0x000000 - 0xFFFFFF (24 бита), не обязательно это будет физическая память. Иногда запись в определенные адреса будет влиять на периферийные устройства. Поведение определяется "шиной".
Эмулятор имеет дело с интерфейсом. Запись/чтение могут спровоцировать ошибку по любой причине (например, чтение по нечетному адресу). Я не использую исключения C++ в эмуляторе - объект ошибки возвращается из методов.
🔍 i_device.h - интерфейс записи/чтения памяти

"Текущее состояние" эмулятора, которое можно менять, можно представлять так:

struct TContext {
    NRegisters::TRegisters& Registers;
    NMemory::IDevice& Memory;
};

Операнды в инструкциях ("цели") могут указывать на адрес в памяти/регистр большим количеством способов. Для этих способов можно выделить примерно такой интерфейс с общим методом чтения/записи данных:
🔍 target.h - представление операнда в инструкциях

Последнее, самый большое представление - у инструкций. У них есть "тип" инструкции и все нужные параметры. Ассемблер очень "ортогональный", поэтому представление в виде набора переменных подходит лучше всего.
🔍 instructions.h - представление инструкций

2️⃣ Как реализовать и протестировать инструкции

Каждая инструкция занимает 2 байта. Иногда могут потребоваться 2/4 байта дополнительных данных после инструкции (обязательно четное число).

Декодирование инструкции можно написать глядя на крутую таблицу от GoldenCrystal (сайт регулярно лежит, в комментариях к посту есть PDF).

Краткое описание инструкции можно читать в этой markdown-документации. Иногда этого недостаточно, тогда можно читать длинное описание в этой книге.

Самое важная часть - тестирование. Небольшая ошибка в каком-нибудь статусном флаге может привести к катастрофе во время эмуляции. Когда программа большая, ее становится легко сломать в неожиданном месте, поэтому нужны тесты на все инструкции.

Мне очень помогли тесты из этого репозитория. На каждую инструкцию есть 8000+ тестов, которые покрывают все возможные случаи. Суммарно тестов чуть больше миллиона.
Они могут находить даже самые мелкие ошибки - нередко бывает ситуация, что не проходятся ~20 тестов из 8000.
Например, инструкция MOVE (A6)+ (A6)+ (обращение к регистру A6 делается с пост-инкрементом) должна работать не так, как я реализовал, поэтому я сделал костыль, чтобы работало корректно.

Продолжение в комментариях (эмуляция программ)