《rust实战》深入理解数据——CPU模拟器的尝试（模拟6502 CPU）

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《rust实战》深入理解数据——CPU模拟器的尝试（模拟6502 CPU） [复制链接]

模拟器的开发不仅是编程技巧的展示，更是对计算机硬件和架构深刻理解的体现。本文将带你一步步实现一个简单的6502 CPU模拟器。

6502 CPU简介

6502 CPU是MOS科技公司在1975年推出的一款8位微处理器，广泛应用于早期家用计算机和游戏机中，如任天堂的NES（Nintendo Entertainment System）。它以低成本和高性能著称，对于学习和研究计算机体系结构非常有帮助。

Rust实现6502 CPU模拟器

首先，我们需要定义CPU的结构，包括寄存器和内存。接下来，实现基本的指令集，如LDA（加载累加器）和STA（存储累加器）。

struct CPU {
    a: u8,
    x: u8,
    y: u8,
    sp: u8,
    pc: u16,
    status: u8,
    memory: [u8; 65536],
}

impl CPU {
    fn new() -> Self {
        CPU {
            a: 0,
            x: 0,
            y: 0,
            sp: 0xFD,
            pc: 0x8000,
            status: 0x24,
            memory: [0; 65536],
        }
    }

    fn load_rom(&mut self, rom: &[u8]) {
        self.memory[0x8000..(0x8000 + rom.len())].copy_from_slice(rom);
    }

    fn lda(&mut self, value: u8) {
        self.a = value;
        self.update_zero_and_negative_flags(self.a);
    }
    
    fn sta(&mut self, addr: u16) {
        self.memory[addr as usize] = self.a;
    }

    fn update_zero_and_negative_flags(&mut self, result: u8) {
        self.status = if result == 0 { self.status | 0x02 } else { self.status & !0x02 };
        self.status = if result & 0x80 != 0 { self.status | 0x80 } else { self.status & !0x80 };
    }

    fn run(&mut self) {
        loop {
            let opcode = self.memory[self.pc as usize];
            match opcode {
                0xA9 => {
                    let value = self.memory[self.pc as usize + 1];
                    self.lda(value);
                    self.pc += 2;
                },
                0x8D => {
                    let addr = self.read_word(self.pc + 1);
                    self.sta(addr);
                    self.pc += 3;
                },
                _ => todo!("Opcode not implemented: {:#X}", opcode),
            }
        }
    }

    fn read_word(&self, addr: u16) -> u16 {
        let lo = self.memory[addr as usize] as u16;
        let hi = self.memory[addr as usize + 1] as u16;
        (hi << 8) | lo
    }
}

fn main() {
    let mut file = File::open("/home/chen/projects/nes_emulator").expect("Failed to open ROM");
    let mut rom = Vec::new();
    file.read_to_end(&mut rom).expect("Failed to read ROM");

    let mut cpu = CPU::new();
    cpu.load_rom(&rom);
    cpu.run();
}

测试6502 CPU模拟器

为了确保我们的模拟器正确执行指令，我们编写了一些测试用例。

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_lda_immediate() {
        let mut cpu = CPU::new();
        cpu.memory[0x8000] = 0xA9;
        cpu.memory[0x8001] = 0x42;

        cpu.pc = 0x8000;
        cpu.run();

        assert_eq!(cpu.a, 0x42);
        assert_eq!(cpu.pc, 0x8002);
    }

    #[test]
    fn test_sta_absolute() {
        let mut cpu = CPU::new();
        cpu.memory[0x8000] = 0xA9;
        cpu.memory[0x8001] = 0x42;
        cpu.memory[0x8002] = 0x8D;
        cpu.memory[0x8003] = 0x00;
        cpu.memory[0x8004] = 0x20;

        cpu.pc = 0x8000;
        cpu.run();

        assert_eq!(cpu.memory[0x2000], 0x42);
        assert_eq!(cpu.pc, 0x8005);
    }
}

 

易错点和注意事项

1. 确保ROM路径正确：路径错误会导致ROM加载失败。
2. 正确处理内存地址和数据：小心内存读写，避免缓冲区溢出或数据丢失。
3. 处理未实现的操作码：使用todo!宏提示未实现的操作码，以便后续补充。

参考网址：

• 6502 Microprocessor: https://en.wikipedia.org/wiki/MOS_Technology_6502
• Visual 6502: http://www.visual6502.org/
• Rust 6502 Emulator Implementation:
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• Rust编写任天堂(NES)模拟器https://zhuanlan.zhihu.com/p/454919543

只是对于书本上的介绍和想法的一些常识，可能有些许问题，欢迎指正

 

lugl4313820

我一直在想机器码是怎么样来定义的。汇编可以看得一些，但是到了机器码就完全死记了吧。

chejm

感谢楼主分享的技术内容，值得收藏学习，希望楼主能分享更多精彩内容