2020q3 專題: Game Boy 模擬器

目標

• 改進給定的 Game Boy 模擬器，提升其執行效率、程式碼重構 (refactor)，及其相容性
  • 透過 GBIT 確保程式碼實作的相容性和正確性
• 量化分析直譯器效率，並尋求效能改進的方案
  • 善用 perf 和 GNU Toolchain
• 實作 CPU 除錯器，允許單步執行和分析特定記憶體內容

準備工作

• 研讀 Gameboy Overview，理解 Game Boy 硬體和相關模擬器的撰寫
• 研讀 Z80 Emu Evolution 以理解模擬器設計考量。注意: Game Boy CPU 使用 Z80 的客製化版本，和原本的 Z80 不相容
• 研讀 Game Boy 遊戲軟體發展，理解 Game Boy 產品、硬體資訊、記憶體映射，及 GBDK 流程

Game Boy 硬體資訊

Game Boy 的硬體設計與運作原理

現有的 Game Boy 模擬器

• binjgb
  • 可在網頁瀏覽器中啟動
  • Convenient Python test harness using hashes to validate
  • Debugger with various visualizations
• jgbc
  • 實作完整
  • 內建測試
• SameBoy
  • Supports Game Boy (DMG) and Game Boy Color (CGB) emulation
  • High quality 96KHz audio
  • Battery save support
  • Save states
  • Advanced text-based debugger with an expression evaluator, disassembler, conditional breakpoints, conditional watchpoints, backtracing and other features
  • Several scaling algorithms (Including exclusive algorithms like OmniScale and Anti-aliased Scale2x; Requires OpenGL 3.2 or later or Metal)
• PlutoBoy
  • 非常完整
• GBC
  • When the emulator detects unexpected behavior (e.g., accessing an unknown memory region), it will drop into a built-in debugger.
• Worldwide: GameBoyColor emulator written in Go
  • 具備 hq2x
  • 非常完整
• dmg
  • 程式碼架構清晰
  • 內建 test suite
• mgba/src/sm83: mGBA 是 Game Boy Advance 模擬器，儘管主要針對 ARMv4T，但裡頭的 sm83 則是針對 GBZ80，這部分程式碼相當簡潔並附有指令層級除錯器

給定的 Game Boy 模擬器

1. 取得原始程式碼:

$ git clone https://github.com/sysprog21/gameboy-emu

2. 安裝 SDL2 套件
3. 編譯

$ cd gameboy-emu
$ make

4. 下載 Game Boy ROM 並測試

$ make download_rom
$ build/emu roms/HungryBirds.gb 

預期會見到以下執行畫面:

Computed Goto

• Computed goto for efficient dispatch tables
• 使用案例: q3vm

  Interpreter	Time
  Default	3.063 s
  w/ computed gotos	1.771 s

  • commit speed up computed gotos with the right GCC flags
  • USE_COMPUTED_GOTOS : src/vm/vm.c

Opcode Generator / Instruction Tester

• 參照 emu-gameboy，允許由表格來產生 opcode 及其實作程式碼
• 預期產出
  • 讀取 Gameboy CPU (LR35902) instruction set 表格和現有的實作，產生對應的 C 程式碼
  • 將 CPU 指令分類，提供個別實作，例如 src/instructions
• GBIT: Game Boy Instruction Tester
  • Tests all instructions of a Game Boy CPU against a known-good implementation to detect implementation bugs.
  • Useful for testing and debugging, especially early on in Game Boy emulator development where test ROMs do not run yet.

研究進度

gameboy-emu

參考資訊

• Nintendo Learning Environment: AI-oriented, high-performance and minimal Nintendo Gameboy emulator