ファミコンのエミュレータをRustで書いた

男もすなるNESエミュ作成といふものを、女もしてみむとてするなり。

概要

いろいろな人がやっているエミュレータ作成を、何番煎じかわからないけどやってみました。
ひとまずそこそこ動いたので公開し、ハマったポイントなどを紹介します。

成果物

githubリポジトリ

参考にすべきサイト

Nesdev
ここを見ましょう。ほぼ全て載っています。テストROMもあります。

NES on FPGA
書き始めはこのサイトにおせわになりました。

実装にあたり検討すべき事項

CPU命令の実装粒度

1クロック毎の動作を実装するか、命令毎に実装する（数クロック分を１つの処理として実装）か検討する必要があります。
よくある日本語の記事では、命令毎に実装していますが、厳密なエミュレーションはできないと思われます。
厳密に実装するのであれば、ダミーの読み書きや、IRQのタイミングなども制御できるメリットがありますが、
実行速度が犠牲になるので、要検討事項だと思われます。

今回は次のような実装としました。

pub(crate) enum CpuStepStateEnum {
    Continue,
    Exit(CpuStatesEnum),
}

pub(crate) trait CpuStepState {
    fn exec(
        core: &mut Core,
        ppu: &mut Ppu,
        cartridge: &mut Cartridge,
        controller: &mut Controller,
        apu: &mut Apu,
    ) -> CpuStepStateEnum;
}

pub(crate) enum CpuStatesEnum {
    FetchOpCode,
    Reset,
    Irq,
    AbsoluteIndirect,
    AbsoluteXRMW,
    AbsoluteX,
    // 以下同様にアドレッシングモード関連が続く
    And,
    Eor,
    Ora,
    // 以下同様に命令が続く
}

次のように利用します

while let CpuStepStateEnum::Exit(s) = machine(self, ppu, cartridge, controller, apu) {
    // 次の実装を呼び出す
}

書いて見たところ、あまり綺麗な実装とは言い難いので、要検討事項でしょう。

DMA転送とAPU DMCと例外の取り扱い

競合します。どう実装するか考えておいた方がよいかと思います。
今回の実装では後から追加したため、実装上の課題事項として残ってしまってます。

例外のタイミング

厳密に作ろうとするとかなり厄介です。NesDevを見たりしながら実装し、テストケースは通過しておりますが、
いまだによくわかっていません。

オープンバスの取り扱い

オープンバスに書き込んだ内容は時間経過と共に減衰します。
今回は次のような実装にしました。

struct DecayableOpenBus {
    data: u8,
    decay: [u8; 8],
}

impl DecayableOpenBus {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            data: 0,
            decay: [0; 8],
        }
    }

    pub fn unite(&mut self, data: OpenBusReadResult) -> u8 {
        for i in 0..8 {
            if (data.mask >> i) == 1 {
                self.decay[i] = 20;
            }
        }
        let result = (self.data & !data.mask) | (data.data & data.mask);
        self.data = result;
        result
    }

    pub fn write(&mut self, data: u8) -> u8 {
        self.data = data;
        self.decay = [20; 8];
        data
    }

    pub fn next(&mut self) {
        let mut result_mask: u8 = 0;
        for i in 0..8 {
            if self.decay[i] > 0 {
                self.decay[i] -= 1;
                result_mask |= 1 << i;
            }
        }
        self.data &= result_mask;
    }
}

実行速度の基準

60FPSを基準に実行速度を考えた場合、サウンドにズレが発生します。
サウンドの再生速度については、ハードウエア側で制御されることから、
そちらを基準にしてもよいかもしれません。

NTSCとPALの違い

対応するか事前に検討しておく方が良いかと思います。
特に1CPUクロック=3.2PPUクロックとなってしまうことから、
どちらかというとPALの方が実装が厄介そうです。
今回は対応しておりませんが。

ステートマシン

CPUはステートマシンであることから、実装においても念頭に置く必要があると思われます。ステートマシンの種類にはミーリマシンとムーアマシンがありますので理解しておいたよいかと思います。

GTK+

macにおけるOpenGL WidgetであるGLAreaにはv3.24現在、リサイズが正しく動作しない不具合があるようです。
mac自体がOpenGLを非推奨としていることもあり、どうしたものか検討中です。

OpenAL

実装をmacで実施したことから、CoreAudioをOpenALで叩いております。
OpenALはかなりお手軽なのでこのまま行きたいのですが、
Androidだと遅延が激しいと聞いています。
今後Android等で実装する場合はせめてOpenSL ESを利用した方がよいと思われます。

おわりに

とりあえず書いて見ましたが、ここの解説が欲しい、ここが間違っているなどがありましたら、気軽にコメントください。