Hotdry.
归档
systems-engineering

实现 CHIP-8 虚拟机：操作码分发器、ROM加载与显示定时器键盘

工程化参数与清单：64x32 XOR显示、60Hz定时器、十六进制键盘映射、35 opcode switch实现。

CHIP-8 是一种 1970 年代的虚拟机语言，用于早期微型计算机游戏开发。其规格简单，仅 35 条 16 位操作码、4KB 内存、64×32 单色显示，适合作为系统编程入门项目。实现 CHIP-8 VM 能深入理解 CPU 指令周期、内存管理与 I/O 仿真。本文聚焦核心组件：操作码分发器、ROM 加载、显示渲染、定时器与键盘处理，提供可落地 C-like 伪码清单与工程参数。

CHIP-8 架构数据结构

核心状态用以下结构体表示（C++ 示例）：

struct Chip8 {
    uint8_t memory[4096];      // 4KB内存
    uint8_t V[16];             // 寄存器V0-VF
    uint16_t I;                // 索引寄存器
    uint16_t pc = 0x200;       // 程序计数器，从0x200开始
    uint16_t stack[16];        // 16级返回栈
    uint8_t sp;                // 栈指针
    uint8_t gfx[64*32];        // 64x32像素显示缓冲（0/1）
    uint8_t delay_timer;       // DT延迟定时器
    uint8_t sound_timer;       // ST声音定时器
    uint8_t keys[16];          // 十六进制键盘状态（0x0-F）
};

内存布局：0x000-0x1FF 预置解释器（字体 0x050-0x0A0，80 字节 5×16 像素十六进制字形），0x200 起加载 ROM。风险：PC 溢出模 0x1000，避免越界读写。

ROM 加载与内存初始化

加载 ROM 前，初始化字体（固定 80 字节数组，如 0xF0 0x90... 表示 '0'）：

const uint8_t fontset[80] = {0xF0,0x90,0x90,...}; // 详见规范
memcpy(chip8.memory, fontset, 80); // 置于0x000或0x050

加载 ROM（.ch8 文件，二进制）：

bool load_rom(const char* path) {
    FILE* f = fopen(path, "rb");
    fseek(f, 0, SEEK_END); uint32_t size = ftell(f);
    if (size > 3584) return false; // 0x200-0xFFF上限
    fseek(f, 0, SEEK_SET);
    fread(chip8.memory + 0x200, 1, size, f);
    fclose(f);
    return true;
}

参数：ROM 大小≤3584 字节，校验头无（纯二进制）。

操作码分发器：Fetch-Decode-Execute

主循环每周期（推荐 700Hz CPU，60Hz 刷新）：

void emulate_cycle(Chip8& chip8) {
    uint16_t opcode = (chip8.memory[chip8.pc] << 8) | chip8.memory[chip8.pc + 1];
    chip8.pc += 2;
    uint8_t N = opcode & 0xF;
    uint8_t X = (opcode >> 8) & 0xF;
    uint8_t Y = (opcode >> 4) & 0xF;
    uint8_t NN = opcode & 0xFF;
    uint16_t NNN = opcode & 0xFFF;

    switch (opcode & 0xF000) {
        case 0x0000:
            if (opcode == 0x00E0) { memset(chip8.gfx, 0, 2048); draw_flag = true; }
            else if (opcode == 0x00EE) { chip8.pc = chip8.stack[--chip8.sp]; }
            break;
        case 0x1000: chip8.pc = NNN; break; // 1NNN JP
        case 0x2000: chip8.stack[chip8.sp++] = chip8.pc; chip8.pc = NNN; break; // 2NNN CALL
        case 0x3000: if (chip8.V[X] == NN) chip8.pc += 2; break; // 3XNN SE
        // ... 其他33条类似，按位掩码提取参数
        case 0x6000: chip8.V[X] = NN; break; // 6XNN LD Vx, byte
        case 0xA000: chip8.I = NNN; break; // ANNN LD I, addr
        case 0xD000: { // DXYN DRW: 精灵XOR绘制
            uint8_t collision = 0;
            for (int y = 0; y < N; y++) {
                uint8_t byte = chip8.memory[chip8.I + y];
                for (int x = 0; x < 8; x++) {
                    if (byte & (0x80 >> x)) {
                        int px = chip8.V[X] + x;
                        int py = chip8.V[Y] + y;
                        if (px >= 64) px -= 64; if (py >= 32) py -= 32; // 环绕
                        int idx = py * 64 + px;
                        if (chip8.gfx[idx]) collision = 1;
                        chip8.gfx[idx] ^= 1;
                    }
                }
            }
            chip8.V[0xF] = collision;
            draw_flag = true;
            break;
        }
        // 键盘: FxA1/ExA1等，检查keys[Vx]
        // ...
    }
    // 定时器递减（独立60Hz逻辑）
    if (chip8.delay_timer > 0) chip8.delay_timer--;
    if (chip8.sound_timer > 0) { chip8.sound_timer--; play_beep(); }
}

分发器关键：位运算提取 nibble（>>12 首 nibble，&0xF 低 4 位），35 case 覆盖全集。准时器用 SDL 定时器或线程，每 1/60s 递减。键盘轮询映射 QWERTY：1->0x1, Q->0x4, A->0x7 等（标准布局）。

显示仿真与渲染

gfx [2048] 位图（每像素 1bit 实际用 uint8_t [2048]，但简化 bool）。渲染：放大 10x（640x320），黑白调色板。SDL2 示例：

void render(SDL_Renderer* renderer) {
    for (int y = 0; y < 32; y++)
        for (int x = 0; x < 64; x++)
            SDL_SetRenderDrawColor(renderer, chip8.gfx[y*64+x] ? 0xFF : 0, 0, 0, 0xFF);
            SDL_RenderDrawPoint(renderer, x*10, y*10); // 放大
    SDL_RenderPresent(renderer);
}

参数：scale=10-20，背景 #000，前景 #FFF，XOR 确保精灵翻转碰撞 VF=1。

定时器与键盘 I/O 工程化

  • 定时器：DT/ST uint8_t，60Hz 独立循环（SDL_AddTimer (16, decrement, NULL); // ~60Hz）。声音：ST>0 单频蜂鸣（440Hz 方波）。
  • 键盘：16 键布局：

| 1 2 3 C | | 4 5 6 D | | 7 8 9 E | | A 0 B F |

映射数组：{1:'1',2:'2',...,0:'X',...}，事件轮询 set keys [idx]=1/0。阻塞 Fx0A：while (all keys==0) poll。

监控与调试参数

  • CPU 周期：500-1000Hz（SDL_Delay 调速）。
  • 帧率：60FPS VSync。
  • 日志：printf ("PC=0x%03X OP=0x%04X V0=0x%02X",pc,opcode,V [0])。
  • 测试 ROM：ibmpc.ch8（logo）、test_opcode.ch8（全指令覆盖）。

回滚：若乱码，检查大端 fetch、PC+=2、环绕 mod。完整实现 < 1000 行，落地 Web / 桌面。

资料来源：CHIP-8 技术参考、Wikipedia 规范。

查看归档