红白机基本原理(二) CPU

CPU

首发公号：Rand_cs

NES 使用的 CPU 为 6502，但与标准的 6502 有些许不同，最大的不同在于 NES 使用的芯片拥有一个 pAPU(pseudo-Audio Processing Unit)，使其能够处理声音。本文主要来介绍 6502，废话不多说，直接来看

内存布局

前文简要介绍了 CPU 和 PPU 的地址空间，再来看看：

CPU 的地址空间主要分为三部分，CPU RAM，内存映射寄存器，卡带中的内存这三部分。

由前文任天堂给出的总线图知道，地址总线有 16 位，所以可以寻址

2

16

=

64

K

B

2^{16}=64KB

216=64KB 的空间，来看看这 64KB 详细的布局情况：

6502 的汇编里 16 进制使用 $ 来表示，$0000-$07ff 这 2KB 是其内部的 RAM，而后的 $0800-$1fff 都是 $0000-$07ff 的镜像，意思是说 $0000, $0800, $1000, $1800 这 4 个地址映射到同一块物理内存

$2000-$2007 是 CPU 与 PPU(Picture Process Unit) 交互的寄存器，PPU 是用来处理图像的，可以看作是 NES 的显卡，这在后面的 PPU 中再详述。$2008-$3FFF 为 $2000-$2007 的镜像

$4000-$4020 这部分是其他的 I/O 寄存器，这在后面的文章中介绍。

$4020-$6000 是卡带中的一块内存，不是每个卡带都会用到。

$6000-$8000 映射到卡带的一个 RAM 芯片，这块区域主要用来存档，有的卡带支持此选项，但据我的经历，还没有遇到过这种可以存档的卡带(小时候一个游戏每次只能从头开始，有时玩着是真的心累啊)。另外 RAM 保存信息需要定时刷新，所以这块芯片肯定也是会配有电池。

$8000-$10000 这 32KB 来存放游戏代码，其中游戏的代码又分为高低 bank，映射到不同的区域。另外 $FFFA-$FFFF 是拿来存放中断向量的(不是所有空间)，只有三种中断也就只有三个中断向量，这在后面中断详述。

关于 6502 地址空间的大致布局就先说那么多，有关 PPU，卡带留待后面详述，本篇主要讲述 CPU 6502，那就先来仔细看看，其内部的 RAM 的布局情况。

RAM 布局

6502 下将 256 字节称为 Page，Zero Page 是内存的第一页，它主要通过特定的寻址方式(零页寻址)来使得 CPU 执行速度更快，具体的寻址方式后面再论。

$0100-$0200 用作栈使用，也是向下扩展的，栈就不多说了，大家应该都很熟悉了，

其他部分就没什么了，就是当作普通的内存使用，另外虽然一些手册资料里面没有明确说明，但我看了一些 NES 游戏编程，$200-$2ff 这 256 字节用作精灵条目，这对应着 PPU 关于精灵的 256 字节空间。

寄存器

Program Counter

16 bit，程序计数器 PC，存放下一条指令的地址，一条指令执行时就会更新这个寄存器的值，使它指向下一条指令的地址，与我们熟悉的 PC 一样，可以被分支指令修改等等，不再多说。

Stack Pointer

栈指针 SP，6502 架构下的栈也是上下颠倒向下扩展的，即 push 一个元素 SP 减小，POP 一个元素 SP 增加。

这个栈指针并不是直接指向栈内存的地址，而是一个最大值为 $FF 的偏移量。6502 的栈没有溢出检测，栈指针的值就是从 $00 到 $FF 之间回绕(wrap around)，意思就是说当前值为 $FF 时再往下移时就变成了 $00

Accumulator(A)

8 bit，用来存放运算结果或者从内存取回来的数据

Index Register X(X)

8 bit，用来作为循环的计数器或者特定寻址下的偏移量，也可以存放从内存取出来的数据，还能用来设置或者获取栈指针

Index Register Y(Y)

基本同 X，但是 Y 不能影响栈指针，就是不能用 Y 的值来设置栈指针

Processor Status§

状态寄存器，同 x86 下的 EFLAGS 寄存器，来看 6502 的状态寄存器记录了哪些信息：

Carry Flag，进位标志(一般对于无符号数来说)，如果最近一条指令有溢出——上溢：超出了 255，下溢：低于 0，则设置该 bit 为 1，比如说执行 255 + 1 会上溢，将 Carry Flag 置 1。有了 Carry Flag，使得可以进行长度超过 8 位的运算。
Zero Flag(Z)，最近一条指令的结果是否为 0，如果是，则置 1，否则清零
Interrupt Disable(I)，置 1 会使得系统忽略 IRQ 中断，清零则响应，SEI(Set Interrupt Disable) 指令将该位置 1，CLI(Clear Interrupt Disable)将该位清 0
Decimal Mode(D)，该位用来将 6502 切换到 BCD 模式，但 NES 里面不用
Break Command(B)，该位用来表示一个 BRK(Break) 指令在执行，该指令就是发出一个 IRQ 中断，类似 x86 下的 INT
Overflow Flag(V)，溢出标志(一般对于有符号数来说)，如果运算有溢出，则置 1
Negative Flag(N)，该位就是运算结果的最高位

寻址方式

下面主要来说说寻址方式，6502 的寻址方式很多，感觉有些乱，来看：

指令格式：操作码 + 操作数

操作码占用 1 个字节

Accumulator

累加器寻址，操作数在累加器中，CPU 直接操作累加器，只有移位指令会使用该寻址模式，比如说 ASL(算数左移)

ASL A   ;A << 1

Implied

隐式寻址，使用隐含寻址的指令不要额外“显式”的操作数，比如说 PHA，将累加器压栈，这个操作数累加器是隐式的，所以叫做隐式寻址

Immediate

立即数寻址，即指令指出操作数的部分给出的不是操作数地址，而是操作数本身，这就是立即数寻址，也就是说这条指令需要的操作数没有在内存或者寄存器中，而是在指令本身里面，使用汇编指令时，在立即数的前面加上 # 表示“这是个立即数”，举个例子：

LDA  #$01    ;A = 0x01

Absolute

绝对寻址，指令中操作数部分为操作数的绝对地址，举个例子：

AND $1234    ;将地址为1234的数据取出来与A相与

             ;A = A & [1234]

Zero Page

绝对寻址的地址高字节为 0 的话，就是零页寻址，零页寻址指令的操作数部分只有 1 个字节，所以使用零页寻址的指令更短，执行更快，因为只用取一个操作数。因此经常使用的数据通常都放在零页。

LDA   $12    ;将$0012地址处的值加载到A

Relative

相对寻址，只用于分支指令，操作数是一个有符号数，相对于当前 PC 的偏移量。

BEQ   $12    ;如果状态寄存器Z位为0，则PC+=(2+$12)，加2是因为跳过当前指令

Indirect

间接寻址，只有 jmp 跳转指令会使用间接寻址，此寻址方式有两操作数，比如说 aa 和 bb，它们形成一个 16 位地址 bbaa，aabb 上包含 xx，aabb + 1 上包含 yy，形成地址 yyxx，那么这个 jmp 指令会跳转到 yyxx，注意存放的位置顺序

$6C $34 $12   ;指令的机器码

JMP  ($1234)  ;跳转到$1234开始的两字节组成的地址

Zero Page X Indexed

零页 X 变址寻址，只有一个操作数，假如为 aa，则操作数的地址为 X + aa，所得地址一定要在零页之内，所以要作回绕处理。即

(

)

addr = (X+aa)\%FF

addr=(X+aa)%FF

AND  $12, X  ;将(X+$12)%$FF处的数据与A相与

Zero Page Y Indexed

用法同上，不过只有 LDX(Load X Register) 和 STX(Store X Register) 指令会用这种寻址方式，看名字应知道这指令是什么作用，不再赘述

Absolute X Indexed

绝对 X 变址，在绝对寻址获得的地址基础上再加上 X 的值，就是操作数的地址

LDA  $1234, X ;将$1234+X处的值加载到A

Absolute Y Indexed

绝对 Y 变址，同上，只是 X 换为 Y

Indexed Indirect

X 变址间接寻址，有些复杂，来看任天堂的 NES 文档中给出的图：

先变址后间接，变址部分同零页 X 变址(有回绕)，只不过获得的地址是个间接地址，还要再进行间接寻址，如上面的例子，操作码为 aa，操作数为 bb，则间接地址为 bb + X，bb + X 开始的两字节形成的地址 yyxx 才是最终操作数的地址，操作数为 zz。

Indirect Indexed

间接 Y 变址寻址，同样来看图：

基本与上面相反，直接来说这个图的意思，指令 aa bb，aa 为操作码，bb 为操作数部分，是一个间接地址，这个地址开始的两字节形成一个新地址 yyxx，再做变址 yyxx+Y 得到的地址即为操作数 zz 的地址。

上述就是所有的寻址方式，13 种，属实有些多，不过也还是有规律可循，基本上就是基址，变址，间接这些的组合。

中断

中断的概念就不说了，由什么疑惑的可以看看我之前写的关于中断的文章：################，这里直接来看 6502 如何处理中断。

NES 有三种形式的中断，NMI，IRQ，RESET。

中断向量表放在 $FFFA-$FFFF，中断向量表存放的是中断处理程序(Interrupt Handler) 的地址。

IRQ

IRQ，Interrupt Request，Maskable Interrupts，主要是由一些卡带里的 Mapper 发起，Mapper 主要用来突破游戏 40KB 的限制(32KB的PRG+8KB的CHR)，现下可以简单理解为指导卡带里的数据如何映射到 CPU 的地址空间，后面再详述这方面的内容。另外 BRK 指令也可以发起一个 IRQ，前面说过就跟 x86 下的 INT 一样的。

IRQ 类型的中断处理程序的地址位于 $FFFE 和 $FFFF，这两个地址上存放的内容合起来才是真正的处理程序的地址

NMI

NMI，Non-Maskable Interrupt，不可屏蔽中断，其实可以屏蔽的，只是不会被 CPU 的状态寄存器的 I 位屏蔽，但是可以设置 $2000(PPU Control Register) 来屏蔽该中断。

NMI 是当 V-Blank 发生时产生的一种中断，前文也简要说过 V-Blank，我们玩游戏时，整个屏幕大小为

256

240

256 \times 240

256×240，每一帧的图像都是从上到下一行一行的渲染，我们可见的部分有 256 行，渲染的每一行叫做 Scanline，当渲染完可见部分的 256 行之后回到最左上角准备渲染下一帧的这一段时间我们就叫做 V-Blank。而这段时间就要发起 NMI 中断，关于图像是 NES 最难的一部分，具体情况讲述 PPU 时再详述。

NMI 的中断处理程序的地址位于 $FFFA 和 $FFFB

Reset

重置，第一次启动或者按下重置按钮时发生的中断，中断处理程序的地址位于 $FFFC 和 $FFFD

中断处理过程

上述就是 NES 的三种类型中断，下面来看中断的处理过程，下面的步骤来自任天堂的文档，当个翻译工：

识别发生了哪种中断，查了查 6502 的一个手册，虽然看不太懂里面的电路，但是明确表示了里面有相应的 detector，比如说 NMI edge detector，所以是能够检测识别出发生了哪一种中断
完成当前指令，不会一检测到中断就立马停下手头事务取处理中断
程序计数器，状态寄存器压栈
设置状态寄存器的 I 位关中断
PC 设置为中断处理程序的地址
执行中断处理程序
执行 RTI(Return From Interrupt) 指令从中断返回，程序计数器，状态寄存器出栈
回到原任务继续执行

这就是 6502 的中断处理过程，比较简单，过程和了解的 x86，MIPS 等等都差不多，中断处理需要花费 CPU 7 个 clock。

指令

下面来说说 6502 的指令，前面有说过一些，基本格式为操作码 + 操作数，操作码占据一个字节，操作数部分要视寻址方式而定。

具体的指令我就不再本文叙述了，太多了，这个东西还是查手册为好。有兴趣的可以戳这个链接：

https://wiki.nesdev.org/w/index.php?title=CPU_unofficial_opcodes

https://wusiyu.me/6502-cpu汇编语言指令集/

只是再多说一点，操作码有官方给出的，还有一些非官方的，有一些游戏它是要使用非官方的操作码，所以再写 NES 模拟器的时候，若想要支持绝大多数游戏，则要将所有的指令，不论官方还是非官方的全都实现了

NES 的 CPU 6502 或者说 2A03 就说到这，有什么问题还请批评指正，也欢迎大家来同我交流讨论学习。下一篇讲述最困难也是最令人兴奋的 PPU 部分。

首发公号：Rand_cs