Emulation matérielle

Je joue régulièrement à des jeux vidéo sur émulateur et je comprends dans les grandes lignes le principe de l’émulation mais j’ai envie d’en apprendre plus et de “mettre les mains dedans”. J’aimerais bien savoir écrire un émulateur de GameBoy, et c’est probablement faisable avec suffisamment de patience, mais j’aime comprendre les choses en partant de la base. C’est pour cette raison que je me suis donné pour projet de construire un système électronique simple et d’écrire ensuite l’émulateur correspondant. Ainsi je peux commencer en douceur avec les principes fondamentaux de l’émulation, et complexifier progressivement par la suite selon mes envies.

J’ai choisi de me baser sur le processeur 6502 et son interface 6522 et la série de vidéos de Ben Eater qui leur est consacrée. Le 6502 était le CPU utilisé par de nombreux appareils grand public des années 1980 notamment l’Apple II, le Commodore 64 et l’Atari 2600. C’est un microprocesseur relativement simple et donc idéal pour débuter. Des versions modernisées sont toujours en production aujourd’hui et il existe une large communauté de passionnés.

Le 6502 est un microprocesseur, et sa fonction principale est donc d’exécuter des instructions. Contrairement à un microcontrôleur, il n’a aucune mémoire interne et aucun périphérique. Il interragit avec le monde extérieur via un bus de données et un bus d’addresse, sur lesquels il peut lire et écrire des données. Les instructions à éxécuter, les données à traiter, et les données produites, tout passe par le bus. En général on connecte sur le bus une mémoire qui contient le programme et les données de travail, et des périphérique comme un afficheur, une carte son, etc.

Je commence par installer le 6502 sur une breadboard, je connecte l’alimentation et les signaux de contrôle de base, et j’ajoute un bouton reset. Le signal d’horloge est généré par un module basé sur un circuit 555 que j’ai construit précédemment en suivant les vidéos de Ben Eater sur le sujet. J’utilise mon Arduino comme source d’alimentation et pour faire des observations par la suite.

Pour vérifier qu’il se passe quelque chose dans le processeur j’ai connecté les 4 bits de poids faible du bus d’adresse sur 4 LEDs, et j’ai constaté une activité. J’ai également connecté les lignes du bus de données directement sur l’alim ou la masse avec des résitances pour faire en sorte qu’à chaque fois que le CPU lit une donnée sur le bus il récupère la valeur 0xEA, qui correspond à l’instruction NOP (« No Operation »). Quand on observe les lignes d’adresse, on constate un comptage, qui correspond au fait que le CPU lit les instructions les unes après les autres dans la mémoire.

Je connecte les lignes d’adresses à l’Arduino ainsi que le signal d’horloge, et écrit un programme simple pour lire et afficher les données à chaque tic d’horloge via une interruption. Ben Eater utilise un Arduino Mega pour observer les 16 lignes d’adresse et les 8 lignes de données, mais mon Arduino Uno n’a pas assez de pins pour me permettre d’observer toutes les lignes, je suis donc resté sur les 4 bits de poids faible de l’adresse uniquement.

Lorsque le processeur démarre ou est réinitialisé, il va chercher l’adresse de la première instruction à exécuter. Pour cela il va lire une donnée de 16 bits aux adresses 0xFFFC et 0xFFFD, puis commence à récupérer les instructions à partir de cette adresse. Comme je n’observe que les 4 derniers bits de l’adresse, je m’attends à voir passer les valeurs C et D, qui correspondent aux valeurs binaires 1100 et 1101 respectivement. Lorsque j’appuie sur le bouton reset, je vois effectivement passer ces adresses. Comme le bus de données est câblé pour renvoyer 0xEA, le CPU va commencer à lire les instructions à partir de l’adresse 0xEAEA. La valeur A en binaire s’écrit 1010, et c’est effectivement la première adresse qu’on voit après C et D. Très cool !

Le code Arduino est disponible sur GitHub.

La suite

La prochaine étape est de fournir au CPU des données dynamiques en fonction de l’adresse qu’il demande, de sorte à former un programme qui ait du sens. Classiquement c’est le rôle d’une puce mémoire. Mais on peut aussi utiliser Arduino.