CPU (Central Processing Unit)

모스 6502 - MOS Technology 6502

• https://en.wikipedia.org/wiki/MOS_Technology_6502
• [27C3] (en) Reverse Engineering the MOS 6502 CPU
  • 27차 CCC(Chaos Computer Club)
• http://www.visual6502.org/

ADC구현하면 거의 다 한것

어디에서 사용?

• 애플 II
• 반다이 다마고치

리코 2A03/2A07 - Ricoh 2A03 or RP2A03

• https://en.wikipedia.org/wiki/Ricoh_2A03
• 게임용 CPU
  • RP2A03/RP2A03 = MOS 6502(BCD기능 비활성화된 버전) + NES용 APU

• MOS 6502에서 BCD기능이 비활성화됨
  • 특허 침해 소송 방지 및 생산 단가 절감
• 2KB WRAM (Working Ram)

BCD(Binary-Coded Decimal) - 10진수 모드

딱히 필요없음

10진수 45를 저장한다고 할때

일반 방식 : 0010_1101 :
           (32) + (8 + 4 + 1) => 45
BCD  방식 : 0100_0101
               4    5

레지스터

• 8bit cpu - 16비트 어드레스 버스( 2^16 => 64kB 메모리 )
• NES Architecture Explained

메모리는 리틀엔디언(Little Endian)

SP를 0xFD 로

https://www.nesdev.org/wiki/CPU_power_up_state

• SP는 Push시 감소 / Pop시 증가
  • 스택은 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 자라나는 하향식 스택 구조
  • NES (6502): 현재 위치에 값을 먼저 저장하고, 스택 포인터를 감소 (Post-decrement)
  • x86: 스택 포인터를 먼저 감소시키고, 그 바뀐 주소에 값을 저장 (Pre-decrement)
    • 현대 컴퓨터 구조에서는 스택의 맨 위 데이터를 자주 들여다보고(PEEK) 읽기 성능이 중요한 경우가 많아 감소 후 저장(x86 방식)이 표준처럼 자리
• 0x00 -> 0xFD 는 하드웨어 절약의 결과
  • 6502 설계 당시 트랜지스터 수를 극한으로 줄이기 위해, 리셋 전용 회로를 따로 만드는 대신 기존의 인터럽트 회로를 그대로 재활용
  • 가짜 Push - 0x00이었던 스택 포인터가 언더플로우를 일으키며 0xFF -> 0x0E -> 0xFD 순으로 세 번 감소
  • 회로를 적게씀
• 스택 영역(Page 1: $0100-$01FF)을 온전히 256바이트 모두 사용하고 싶은 개발자들은
  • 프로그램 시작부(Reset Routine)에 직접 LDX #$FF, TXS 명령어를 넣어 스택 포인터를 0xFF로 초기화 해서 사용
• 0xFF ==> 0x01FF
  • SP는 8비트라 0x00~0xFF까지만 지정가능하나, 주소를 지정할때는 16비트 0x0100과 합쳐저 $0x0100-$0x01FF 범위를 접근하게됨

메모리 맵

• CPU memory map
  • https://www.nesdev.org/wiki/CPU_memory_map

OAM

• PPU 내부 OAM이 존재.
• CPU가 직접 읽거나 쓰는 것이 느림.
• $0200-$02FF영역에 스프라이트 데이터를 먼저 작성
• V-Blank 시간에 DMA(Direct Memory Access, $4014 레지스터)기능을 사용 한번에 복사

Instruction과 opcode

8bit - 2^8 opcode가 존재하고, 56개의 instruction이 존재.

https://www.nesdev.org/wiki/Instruction_reference

opcode https://www.pagetable.com/c64ref/6502/ instruction

• https://www.pagetable.com/c64ref/6502/?tab=2
• https://www.masswerk.at/6502/6502_instruction_set.html

INX(Increment X Register)

Instructions

• Mnemonic(연상 기호) + Operand
• Opcode + Operand opcode
• CPU가 수행해야 할 ‘구체적인 동작’ 그 자체를 나타내는 컴퓨터의 기계어(바이너리 코드
• NES(6502) Opcode는 무조건 1바이트(8비트) 고정 사양 - 2^8 == 256개

unofficial opcodes - https://www.nesdev.org/wiki/CPU_unofficial_opcodes

opcode https://www.pagetable.com/c64ref/6502/ instruction https://www.pagetable.com/c64ref/6502/?tab=2 addressing https://www.pagetable.com/c64ref/6502/?tab=3

LDX $FF, TXS

addressing 모드

• https://www.nesdev.org/obelisk-6502-guide/addressing.html

cycle 동기화 - if page crossed CPU가 메모리 주소를 계산하는 과정에서 256바이트(Page) 경계를 넘어가는 경우 0x00_FF => 0x01_00 처럼 High Byte가 변경 AbsoluteX AbsoluteY IndirectY 시 발생 읽기(Read) 명령시 발생. 쓰기(Store)에는 발생 안함.

if branch taken BCC와 같이 분기(PC가 변경)시

ABSOLUTE_X
        u16 baseAddr = Absolute(cpu);
        u16 nextAddr = baseAddr + cpu.Register.X;

        outIsPageCrossed = (baseAddr & 0xFF00) != (nextAddr & 0xFF00);
ABSOLUTE_Y
        u16 baseAddr = Absolute(cpu);
        u16 nextAddr = baseAddr + cpu.Register.Y;

        outIsPageCrossed = (baseAddr & 0xFF00) != (nextAddr & 0xFF00);
Indirect_Y (INDIRECT_INDEXED)
        u8 data = cpu.FetchByte();

        u16 lo = (u16)cpu.ReadByte((u16)data);
        u16 hi = (u16)cpu.ReadByte((u16)(data + 1));
        u16 baseAddr = (hi << 8) | lo;
        u16 nextAddr = baseAddr + cpu.Register.Y;

        outIsPageCrossed = ((lo & 0xFF) + cpu.Register.Y > 0xFF);

immediate lda $#01 - read 1byte

A: 01

zero-page lda $#01 - immediate sta $02 - zero-page - 1byte(0x00 ~ 0xFF) addr ldx $02 - zero-page (0x00 ~ 0xFF)

X: 01

zero-page index lda $#01 ldx $#02 sta $05 ldy $03, X ($05 = $03 + X($#02))

A: 01 X: 02 Y :01

absolute lda $#01 - immediate sta $0200 - absolute - 2byte(0x00_00 ~0xFF_FF) addr ldx $0200

X: 01

absolute-x

todo

Cpu cycle 처리 방식

• 완전한 타이밍을 일일이 맞추는 ‘Tick-perfect’ 방식 대신
• 구현이 간단하고 직관적인 ’Instruction by instruction
  • CPU가 한 명령어를 실행하면, 그 주기(Cycle)에 맞춰 PPU가 캐치업(Catch-up) 형태

Cycle을 한번에 받아서 돌리는 일괄(Batch) 방식

Cpu.Step(out int cpuCycle);

for (int i = 0; i < cpuCycle * 3; ++i)
{
    Ppu.Step(out bool isNmiTriggerRequired);
    if (isNmiTriggerRequired)
    {
        Cpu.Nmi();
    }
}

for (int i = 0; i < cpuCycle; ++i)
{
    Apu.Step();
}


- 후에 Ppu.Step에서 채워진 FrameBuffer로 화면을 그리고
- Apu.Step에서 채워진 SampleBuffer로 오디오 플레이

스탭 안에서 Tick을 호출하여 정확도를 높이는 방식

Cpu.Step();

Cpu
{
    Step()
    {
        op_Blabla();
    }

    op_Blabla()
    {
        Tick();
        Tick();
        Tick();
    }

    Tick()
    {
        for (int i = 0; i < 3; ++i)
        {
            Ppu.Step(out bool isNmiTriggerRequired);
            if (isNmiTriggerRequired)
            {
                Cpu.Nmi();
            }
        }
        Apu.Step();
    }
}

테스트

nestest.nes / nestest.log

• https://www.nesdev.org/wiki/Emulator_tests
• https://github.com/christopherpow/nes-test-roms
• How Inaccurate are Nintendo’s Official Emulators?
  • https://github.com/100thCoin/AccuracyCoin