Game boy模拟器：中断

Posted 2021-09-06 妇男主人

中断

• 中断和中断处理程序
• • 中断的硬件实现
  • CPU中断处理流程图
  • GameBoy 中的中断
• 实现：中断标志
• 实现：中断处理
• 下一次：更大的游戏

在上一部分中，通过引入精灵，为模拟游戏奠定了基础。但是，仿真器缺少一个方面：垂直消隐中断。这部分会从整体上介绍中断，特别是实现消隐中断；完成此操作后，模拟器将运行俄罗斯方块。

想象一下，您有一台带有网卡的计算机，以及一些处理来自网络的数据的软件。从计算机的角度来看，数据只是每隔一段时间就会进来，因此您需要某种方式让软件知道新数据已经到达。有两种方法可以实现：

轮询：软件每隔一段时间询问网卡是否有新数据到达。这是一种简单的做事方式，但有缺点：

• 软件在定期检查之前不知道新数据，这意味着数据到达计算机与软件处理之间存在延迟；
• 必须定期抽出时间进行检查，即使没有数据到达，也要从其他工作中抽出时间；
• 如果轮询进程每次检查都处理一个新数据，但数据到达速度更快，则网卡中会产生数据积压，并且有可能丢失某些数据；
• 如果没有其他工作要做，软件仍然要检查数据，这使计算机保持全速运行而无需做任何工作。

中断：网卡通知软件有新数据到达。这是一种更复杂的数据接收方式，涉及的步骤更多，但它减轻了轮询的所有缺点：

• 新数据一到就可以处理，到达和处理数据之间没有延迟；
• 当确实有数据要处理时，软件只需要花时间处理数据，并且可以根据需要随时调用处理例程以清除任何积压；
• 如果没有其他工作要做，计算机可以进入低功耗模式，直到网卡唤醒它以获取新数据。

中断和中断处理程序

中断的硬件实现

很明显，中断的概念是一个有用的概念，但是中断的工作同时有硬件和软件要求。在硬件方面，当中断到达时，CPU 必须暂时停止执行它正在执行的操作，而是开始执行中断处理程序（有时称为中断服务程序）。在上述场景中，网卡和 CPU 之间运行了一条线，允许网卡在数据到达时通知 CPU。

CPU中断处理流程图

CPU 将在每条指令结束时检查其中断输入。如果某个附加的外围设备（如网卡）发出了中断信号，则 CPU 将采取步骤启动中断处理程序：CPU 将保存它停止正常执行的位置，注册中断发生的事实，以及跳转到处理程序。

GameBoy 中的中断

在 GameBoy 中，有五种不同的中断线，从各种外设馈入。每个都有自己的 ISR，位于内存中的不同地址；中断列表如下。

打断	ISR 地址（十六进制）
垂直空白	0040
LCD 状态触发	0048
定时器溢出	0050
串行链接	0058
手柄按键	0060

在垂直空白的情况下，在LCD底部穿入一根电线；一旦 GPU 完成对所有 LCD 线的扫描并运行到屏幕底部，中断就会触发并且 CPU 跳转到0040，执行消隐 ISR。

实现：中断标志

大多数 CPU 包含用于中断的“主标志”：如果启用此标志，它们将仅由 CPU 处理。GameBoy 中的 Z80 也不例外，但还有一些额外的寄存器可以处理 GameBoy 中可用的各个中断。这些是内存寄存器，因此它们由内存管理单元处理：

MMU 中的中断标志

登记	地点	笔记	细节
中断 使能	FFFF	当位被设置时，可以触发 相应的 中断	少量 当 0 当 1 0 空白关闭 空白 1 液晶显示器关闭 液晶显示 2 定时器关闭 打开定时器 3 串行关闭 连续上 4 手柄关闭 手柄开启
中断 标志	FF0F	当位被设置时，发生 了中断	位的 顺序与FFFF

由于这些是内存寄存器，因此它们的实现是针对 MMU 的：

MMU.js：中断标志

MMU = {
    _ie: 0,
    _if: 0,

    rb: function(addr)
    {
	switch(addr & 0xF000)
	{
	    ...
	    case 0xF000:
	        switch(addr & 0x0F00)
			{
			    ...
			    // Zero-page
			    case 0xF00:
			    	if(addr == 0xFFFF)
					{
					    return MMU._ie;
					}
				        else if(addr >= 0xFF80)
					{
					    return MMU._zram[addr & 0x7F];
					}
					else
					{
					    // I/O control handling
					    switch(addr & 0x00F0)
					    {
					    	case 0x00:
						    if(addr == 0xFF0F) return MMU._if;
						    break;
					    	...
					    }
					    return 0;
					}
			}
		}
    },
    ...
};

Z80 的“主启用”开关以类似的方式用于 Z80 实现。CPU 为软件提供操作码以将主使能切换到开或关位置，因此还需要实现这些：

Z80.js：中断主使能

Z80 = {
    _r: {
        ime: 0,
        ...
    },

    reset: function()
    {
        ...
	Z80._r.ime = 1;
    },

    // Disable IME
    DI: function()
    {
    	Z80._r.ime = 0;
		Z80._r.m = 1;
		Z80._r.t = 4;
    },

    // Enable IME
    EI: function()
    {
    	Z80._r.ime = 1;
		Z80._r.m = 1;
		Z80._r.t = 4;
    }
};

实现：中断处理

中断标志就位后，可以重新开发主执行循环，使其更符合 CPU中断处理流程图 中的执行路径。执行后，需要检查中断标志以查看是否发生了启用的中断；如果有，则可以调用其处理程序。

Z80.js：Vblank 中断处理程序

Z80 = {
    _ops: {
		...

        // Start vblank handler (0040h)
        RST40: function()
        {
            // Disable further interrupts
    	    Z80._r.ime = 0;
    
    	    // Save current SP on the stack
    	    Z80._r.sp -= 2;
    	    MMU.ww(Z80._r.sp, Z80._r.pc);
    
    	    // Jump to handler
    	    Z80._r.pc = 0x0040;
	    	Z80._r.m = 3;
    	    Z80._r.t = 12;
        },
        
        // Return from interrupt (called by handler)
        RETI: function()
        {
		    // Restore interrupts
		    Z80._r.ime = 1;
	
		    // Jump to the address on the stack
		    Z80._r.pc = MMU.rw(Z80._r.sp);
		    Z80._r.sp += 2;
	
		    Z80._r.m = 3;
		    Z80._r.t = 12;
        }
    }
};

while(true)
{
    // Run execute for this instruction
    var op = MMU.rc(Z80._r.pc++);
    Z80._map[op]();
    Z80._r.pc &= 65535;
    Z80._clock.m += Z80._r.m;
    Z80._clock.t += Z80._r.t;
    Z80._r.m = 0;
    Z80._r.t = 0;

    // If IME is on, and some interrupts are enabled in IE, and
    // an interrupt flag is set, handle the interrupt
    if(Z80._r.ime && MMU._ie && MMU._if)
    {
        // Mask off ints that aren't enabled
        var ifired = MMU._ie & MMU._if;

		if(ifired & 0x01)
		{
		    MMU._if &= (255 - 0x01);
		    Z80._ops.RST40();
		}
    }

    Z80._clock.m += Z80._r.m;
    Z80._clock.t += Z80._r.t;
}

下一次：更大的游戏

模拟器已经达到了一个合理的阶段：它至少能够以某种形式模拟已发布的游戏。但是，它确实存在游戏大小的问题。俄罗斯方块是一个 32kB ROM，完全适合内存映射中的“ROM”空间。游戏往往具有比这更大的 ROM，并且卡带遵循将 ROM 的一部分映射到内存的过程。下一次，我将研究 GameBoy 最简单的可用 ROM 映射形式，以及它在 64kB 游戏 ROM 上的实现。