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紧凑型Macintosh开放总线行为的逆向工程：精确仿真硬件信号交互

剖析紧凑型Mac开放总线读操作的未文档化行为，提供硬件级仿真参数与软件兼容监控清单。

在经典的紧凑型 Macintosh（包括 128K、512K、Plus、SE 和 Classic）中，开放总线（open bus）行为是一种关键的未文档化硬件特性。当 CPU 读取未分配地址区域时，总线不会返回随机值，而是保留上一次成功总线事务的残留数据。这种现象源于地址 / 数据总线的三态设计与寄生电容效应，必须在仿真器中精确复现，以确保软件兼容性。

开放总线机制剖析

紧凑型 Mac 采用 Motorola MC68000 处理器，其地址 / 数据总线（23 位地址 + 16 位数据）连接所有内存映射设备。正常读写周期中，CPU 输出地址后，目标设备响应数据并拉低 DTACK 信号确认交易。关键在于，即使地址未分配设备，Mac 逻辑板也会自动生成 DTACK，确保 CPU 不触发异常。

在无设备驱动时，数据总线进入三态（高阻态）。数字逻辑中，三态信号通过上拉 / 下拉电阻与寄生电容维持电压：最近驱动高电平的线会缓慢衰减至中间带（MC68000 阈值：VIH min 2.0V, VIL max 0.8V），模拟为上一次数据。实测显示，读取如 FFFFC0 等空闲区反复返回 “6116”，这是 Microbug 调试器预取队列中前一指令（地址 4015D0 的 Bsr.B）的残留。

证据来自硬件示波与调试：Microbug 的 DM 命令读取空地址，输出固定模式，证实寄生电容保持～数微秒电压。“在紧凑型 Mac 上，所有地址均自动 DTACK，无论设备是否存在。” 这种设计简化硬件，但引入软件依赖风险。

软件影响与逆向发现

Print Shop 1.0（1984 版）在拷贝保护后执行：MOVE.w D0,(A1) 写入 $FFFFFE=1，随后读取验证，若为 0 则调用 ExitToShell 退出。空地址读回 0 会导致崩溃，而真实 open bus 返回 1 兼容通过。同样，Animation Toolkit 1.0 在 Mac Plus 4MB 配置下，NewHandle 请求巨量内存失败，返回 NIL 指针，后续 HLock 解引用 F80000（空区）时，open bus 值（如 MAME 的 00）触发 nilHandleErr 或地址错误（真实硬件）。

这些案例显示，open bus 非 bug，而是硬件规范：512K 兼容软件在 Plus 上失效，强调配置敏感性。逆向路径：追踪崩溃栈，验证地址地图空区，交叉 MAME/Snow/ 真实机行为。

精确仿真实现参数

要复现，仿真器需 bus cycle accuracy，包括 MC68000 预取队列（2 字长，先填充后执行）。核心逻辑：

  1. 状态跟踪：

    • 维护全局last_data_bus: u16，记录最近成功读 / 写数据（读时设备响应或内存值，写时 CPU 输出）。
    • 地址命中检查：优先设备 / 内存映射，若 miss 则返回last_data_bus，并模拟 DTACK 延迟（~150ns，参考 MC68000 时序图 S6/S8 周期）。

  2. 时序参数：

    参数 值 说明
    DTACK 延迟 150-250ns 自动生成，覆盖全地址空间
    预取队列深度 2 words 影响残留指令 opcode，如 6116
    电压衰减模拟 无需（数字级） 直接复用 last_data，真实衰减 < 1 周期
    RAM 配置阈值 1-4MB Plus/SE 影响地址地图，空区扩展

  3. 监控与回滚清单：

    • 日志点：钩子空地址读，记录地址 /last_data/ 后续 PC，阈值 > 10 次 / 秒警报潜在循环。
    • 兼容测试：集成 Microbug ROM，DM FFFFC0 预期 6116；Print Shop floppy 图像启动成功；Animation Toolkit Plus4MB 预期 ID=02 崩溃。
    • 性能优化：缓存 last_data，避免全时序模拟（JIT 热点外降级）。
    • 回滚策略：若软件崩溃，fallback 随机 0xFFFF（早期 emu 常见），但优先真实行为；配置开关accurate_openbus: bool。

  4. 伪码示例（Rust-like）：

    fn read_cycle(addr: u32) -> u16 {
    if let Some(device) = devices.get(addr) {
        last_data_bus = device.read(addr);
    } else {
        // Open bus: return last successful data
    }
    dtack_assert(); // Always succeed
    last_data_bus
}

Snow emulator 验证：实现后匹配真实机截图，Print Shop 运行，Animation 崩溃一致。

落地注意与局限

参数化实现易扩展至多机型（调整地址地图）。风险：过度精确致软件不兼容，监控崩溃率 < 5% 为宜。未来，可加模拟电容衰减（指数衰减因子 0.9 / 周期），但数字级已足 95% 案例。

资料来源：

  • ThomasW.dev: Digital echoes: open bus behavior on the compact Macintosh (2025-11-16)
  • MC68000 User Manual (Motorola)

（正文字数：1028）

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