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使用 Claude Code 实现纯净室 Z80 与 ZX Spectrum 模拟器：指令解码与时序参数

从零构建 Z80 指令解码器、内存模型、视频时序与中断处理：给出精确 T-states 计数、争用延迟表与帧同步参数。

在嵌入式系统与复古计算复兴的背景下，从零（clean-room）实现 Z80 与 ZX Spectrum 模拟器已成为验证 AI 辅助编程能力的标杆实验。这种方法避免参考现有开源代码，仅依赖官方规范与测试向量，确保原创性与准确性。焦点在于低层工程细节：指令解码的 opcode 分发、内存访问回调、ULA 内存争用模型、视频时序同步与中断机制。这些要素直接决定了模拟器的周期精确性（T-states 准确率）和兼容性（如通过 ZEXALL 测试套件）。

Z80 指令解码与执行循环

Z80 模拟器的核心是高效的指令解码与执行循环。采用 “指令步进”（instruction-stepping）而非 “时钟步进”（cycle-stepping），每个 z80_step () 调用执行完整一条指令，返回消耗的 T-states 总数。这种设计简化了实现，同时满足 ZX Spectrum 等平台的时序需求。

解码采用 switch-case 或跳转表实现 256 个主 opcode、CB/ED/DD/FD 等前缀组，以及所有非官方指令（如 SLL、IXH 操作）。例如，主循环从 PC 读取 opcode，计算 T-states（包含 M 周期与内存访问），更新寄存器与标志位（SZ53P 表预计算 X/Y 位）。

关键参数清单：

  • Opcode 分发表：uint8_t opcode_handlers [256]，映射到执行函数。
  • T-states 计算：LD r,r' = 4T；JR NZ = 12/7T（条件分支）；BLOCK（如 LDIR）= 21/16T/5M。
  • 标志位表：预计算 sz53p_table [256]，覆盖 S/Z/5/3/P；特定指令如 CP 从操作数取 X/Y。
  • R 寄存器：每指令递增低 7 位（opcode fetch + prefix），位 7 来自 LD R,A。

落地实现：每步前检查 PC 陷阱（如 CP/M BDOS CALL 0005h），后更新 cpu.clocks += tstates。测试覆盖 154 单元测试 + ZEXDOC/ZEXALL（100% 通过）。

“Claude Code 产生的 Z80 核心在 1200 行 C 代码中通过了 ZEXDOC 和 ZEXALL 测试。” 此验证确保标志与时序精确，避免 “硅行为” 偏差。

内存模型与访问回调

内存模型通过函数指针解耦：z80_t.mem_read (addr)、mem_write (addr, val)。ZX Spectrum 布局：0x0000-0x3FFF ROM（只读，写忽略）；0x4000-0xFFFF RAM（48K）。

回调注入平台特定逻辑：

  • ROM：直接返回 rom [addr]（不复制节省内存）。
  • RAM：spectrum->ram [addr-0x4000]，注入 ULA 争用。
  • I/O：端口解码（偶地址），ULA 返回键盘矩阵（行选择 & 按键位）/ 边框色。

参数：

  • 地址掩码：I/O 仅低位有效，A0=0 触发 ULA。
  • 键盘矩阵：8 行 x 5 位（active low），多行 OR。
  • Kempston 摇杆：A14-A12=0，返回高电平方向 / 火键。

此模型支持多平台：Spectrum/CP/M 通过不同回调复用 Z80 核心。

ZX Spectrum 视频时序与 ULA 争用

ZX Spectrum 的挑战在于 ULA 与 Z80 共享 0x4000-0x7FFF RAM，导致 “争用”（contention）。显示期（scanline 64-255，前 128 T-states），ULA 抢占总线，CPU 等待。

精确模型不用 69KB 查找表，而是算术计算：

  • 帧 T-state → scanline = ts / 224，pos = ts % 224。
  • 若 contended（scanline 64-255，pos <128），延迟 = contention_table [(ts % 8)]。
  • 争用表（8 T-state 周期）：
    周期位 0 1 2 3 4 5 6 7
    等待态 6 5 4 3 2 1 0 0

在 mem_read/write 回调中添加 cpu.clocks += delay，确保总 T-states 匹配真实硬件。

视频时序：

  • 帧参数：69888 T-states，312 scanline x 224 T-states，50.08 Hz。
    • V-sync：前 8 线。
    • 上 / 下边框：各 56 线。
    • 显示：192 线（256x192 像素）。
  • zx_tick (min_tstates)：执行 ≥min，帧边界优先返回（frame_tstates=0）。
  • 渲染：自动（逐 scanline zx_set_framebuffer）或按需 zx_render_screen。
    • 位图：0x4000-0x57FF，非线性（像素 x,y → 010 Y7Y6 Y2Y1Y0 | Y5Y4Y3 X7..X3）。
    • 属性：0x5800-0x5AFF，墨 / 纸 / 亮度 / 闪光。

音频：1-bit 蜂鸣，帧末生成 882 PCM 样本（44.1kHz），队列深度控速。

中断与帧同步

中断使用 IM1：每帧 T-state 0 生成 INT（向量从 0x0038 取）。FLASH 每 16 帧翻转（attr bit 7）。

参数：

  • 中断向量：0x0038（ROM 处理键盘 / FLASH）。
  • 帧事件：边界时 flush scanline、渲染音频、递增 frame_count、FIRE NMI（可选）。
  • 粒度控制：
    调用 min_tstates 用例
    zx_tick(zx, 0) 1 指令 磁带加载（EAR 更新）
    zx_tick(zx, 224) 1 scanline 嵌入式渲染
    zx_frame(zx) 全帧 桌面模拟

监控点：

  • cpu.clocks：总 T-states（uint64_t）。
  • frame_tstates：当前帧内（0-69887）。
  • border_color：实时边框（0-7）。
  • speaker：当前电平（0/1）。

工程化落地清单

  1. 规范收集：Z80 数据手册、Spectrum ULA 文档、ZEX 测试二进制。
  2. 核心实现：Z80 (z80.c) → Spectrum (spectrum.c) → TZX (tzx.c)。
  3. 测试：make test (232 单元)；make fulltest (ZEX)。
  4. 回滚阈值：T-states 偏差 >1% → 调试标志 / 转储。
  5. 嵌入式优化：无 SDL，ROM 指针（非复制），8B 争用表。

此实践证明，AI 辅助下 clean-room 实现可达生产级：1.2k 行 Z80 通过全测试，Spectrum 支持 .z80/.tzx 加载，CP/M 跑 WordStar。适用于 RP2040 等 MCU，推动复古游戏 / 教育模拟。

资料来源：

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