模拟器如何工作以及它们是如何编写的？

如何解决模拟器如何工作以及它们是如何编写的？

仿真是一个多方面的领域。以下是基本思想和功能组件。我将把它分成几部分，然后通过编辑填写详细信息。我要描述的许多事情都需要了解处理器的内部工作原理——汇编知识是必要的。如果我对某些事情有点含糊不清，请提出问题，以便我可以继续改进这个答案。

基本思路：

仿真通过处理处理器和各个组件的行为来工作。您构建系统的每个单独部分，然后像硬件中的电线一样连接这些部分。

处理器仿真：

处理处理器仿真的三种方法：

解释
动态重新编译
静态重新编译

通过所有这些路径，您有相同的总体目标：执行一段代码来修改处理器状态并与“硬件”交互。处理器状态是给定处理器目标的处理器寄存器、中断处理程序等的集合。对于 6502，您将有许多 8 位整数表示寄存器：A、X、Y、P和S; 你也会有一个 16 位的PC寄存器。

通过解释，您从IP（指令指针——也称为PC程序计数器）开始并从内存中读取指令。您的代码解析此指令并使用此信息来更改处理器指定的处理器状态。解释的核心问题是它非常慢。每次处理给定指令时，都必须对其进行解码并执行必要的操作。

使用动态重新编译，您可以像解释一样迭代代码，但不仅仅是执行操作码，而是建立一个操作列表。到达分支指令后，您将此操作列表编译为主机平台的机器代码，然后缓存此编译代码并执行它。然后，当您再次点击给定指令组时，您只需执行缓存中的代码。（顺便说一句，大多数人实际上并没有列出指令列表，而是将它们即时编译为机器代码——这使得优化变得更加困难，但这超出了这个答案的范围，除非有足够多的人感兴趣）

使用静态重新编译，您执行与动态重新编译相同的操作，但您遵循分支。您最终构建了代表程序中所有代码的代码块，然后可以在没有进一步干扰的情况下执行这些代码。如果没有以下问题，这将是一个很好的机制：

开始时不在程序中的代码（例如压缩、加密、在运行时生成/修改等）将不会被重新编译，因此它不会运行
已经证明找到给定二进制文件中的所有代码等价于停机问题

这些结合在一起，使得静态重新编译在 99% 的情况下完全不可行。有关更多信息，Michael Steil 对静态重新编译做了一些很棒的研究——这是我见过的最好的。

处理器仿真的另一面是您与硬件交互的方式。这真的有两个方面：

处理器时序
中断处理

处理器时序：

某些平台——尤其是像 nes、Snes 等较旧的控制台——要求你的模拟器有严格的时间来完全兼容。使用 nes，您拥有 PPU（像素处理单元），它要求 cpu 在精确的时刻将像素放入内存中。如果您使用解释，您可以轻松地计算周期并模拟正确的时间；使用动态/静态重新编译，事情变得/很多/更复杂。

中断处理：

中断是 cpu 与硬件通信的主要机制。通常，您的硬件组件会告诉 cpu 它关心什么中断。这非常简单——当您的代码引发给定中断时，您查看中断处理程序表并调用正确的回调。

硬件仿真：

模拟给定的硬件设备有两个方面：

模拟设备的功能
模拟实际的设备接口

以硬盘驱动器为例。通过创建后备存储、读/写/格式化例程等来模拟功能。这部分通常非常简单。

设备的实际接口要复杂一些。这通常是内存映射寄存器（例如，设备监视更改以执行信令的内存部分）和中断的某种组合。对于硬盘驱动器，您可能有一个内存映射区域，您可以在其中放置读取命令、写入等，然后将这些数据读回。

我会更详细地介绍，但是您可以使用一百万种方法。如果您在这里有任何具体问题，请随时提出，我会添加信息。

资源：

我想我在这里做了一个很好的介绍，但还有很多的领域。我很乐意为您解答任何问题；由于巨大的复杂性，我对其中的大部分内容都非常模糊。

强制性维基百科链接：

通用仿真资源：

Zophar—— 这是我开始仿真的地方，首先下载仿真器并最终掠夺他们庞大的文档档案。这是您可能拥有的绝对最佳资源。
NGEmu -- 没有多少直接资源，但他们的论坛是无与伦比的。
RomHacking.net - 文档部分包含有关流行控制台机器架构的资源

仿真器项目参考：

IronBabel——这是一个 .NET 的仿真平台，用 Nemerle 编写，可即时将代码重新编译为 C#。免责声明：这是我的项目，所以请原谅无耻的插件。
BSnes - 一个很棒的 Snes 模拟器，目标是循环完美的准确性。
MAME—— 模拟器。很好的参考。
6502asm.com -- 这是一个 JavaScript 6502 模拟器，带有一个很酷的小论坛。
dynarec’d 6502asm -- 这是我在一两天内做的一个小技巧。我从 6502asm.com 获取了现有的模拟器并将其更改为将代码动态重新编译为 JavaScript 以大幅提高速度。

处理器重新编译参考：

Michael Steil（上面引用过）对静态重新编译的研究在本文中达到了高潮，您可以在此处找到源代码等。

附录：

自提交此答案以来已经有一年多的时间了，并且受到了所有关注，我认为是时候更新一些东西了。

也许现在仿真中最令人兴奋的事情是libcpu，由前面提到的 Michael Steil 启动。它是一个旨在支持大量 cpu 内核的库，这些内核使用 LLVM 进行重新编译（静态和动态！）。它有巨大的潜力，我认为它会为仿真做很多事情。

emu- docs也引起了我的注意，其中包含一个很棒的系统文档存储库，这对于仿真目的非常有用。我在那里的时间不多，但看起来他们有很多很棒的资源。

我很高兴这篇文章对我有所帮助，我希望我能在今年年底/明年年初之前完成我关于这个主题的书。

解决方法

模拟器是如何工作的？当我看到 NES/SNES 或 C64 仿真器时，我感到很震惊。

您是否必须通过解释其特定的汇编指令来模拟这些机器的处理器？还有什么内容？它们通常是如何设计的？

您能给有兴趣编写模拟器（尤其是游戏系统）的人提供任何建议吗？