CHIP-8 is an interpreted programming language, developed by Joseph Weisbecker made on his 1802 Microprocessor. It was initially used on the COSMAC VIP and Telmac 1800 8-bit microcomputers in the mid-1970s. CHIP-8 programs are run on a CHIP-8 virtual machine. It was made to allow video games to be more easily programmed for these computers.
CHIP-8 是一种解释型语言，设计之初就是为了编写简单的小游戏。我猜是作者嫌老机器的汇编语言太复杂繁琐，从而自己设计了一门汇编语言，并且摆脱硬件的束缚，在模拟器上运行。其实这个思想和 Java 等基于虚拟机的高级语言也是类似的，提供方便程序员编写的指令集，在硬件之上空架一层虚拟机，实现 "Write Once, Run Everywhere"。
make
./emulator <frequency> <rom name>- Memory：CHIP-8 最多有 4096 字节的内存
CHIP-8 解释器本身占用这些机器上的前 512 字节内存空间。因此，为原始系统编写的大多数程序都从内存位置 512 (0x200) 开始，并且不会访问位置 512 (0x200) 以下的任何内存。最上面的 256 个字节 (0xF00-0xFFF) 保留用于显示刷新，下面的 96 个字节 (0xEA0-0xEFF) 保留用于调用堆栈、内部使用和其他变量。
-
Program Counter：16 位的 PC，记录当前程序指令运行的内存位置，因为需要访问最多 4K 的内存（0xFFF）
-
Stack：16 位地址的堆栈，用于调用函数和返回。栈调用深度最初设计位 12 层，可以自行调整。
-
Registers：
- 16 个 8 位数据寄存器（data register），名为 V0 至 VF。 VF 寄存器兼作某些指令的标志；因此，应该避免这种情况。在加法运算中，VF 是进位标志，而在减法运算中，VF 是“无借位”标志。在绘制指令中，VF 在像素冲突时设置。
- 一个 16 位索引寄存器（index register），用于记录内存地址
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Timers
- 8 位延迟定时器，以 60 Hz（每秒 60 次）的速率递减，直至达到 0
- 8 位声音定时器，当其值非零时，会发出蜂鸣声。
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Display：64 x 32 像素（或 128 x 64 对于 SUPER-CHIP）单色，即黑或白
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Inputs：16 个输入键，与前 16 个十六进制值匹配：0 到 F。
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Opcode：CHIP-8 有 35 个操作码（指令），都是两个字节长并以大端存储。完整的列表可以参考 WiKi 上的。下面给出操作码的规范，将指令分为了 4 个半字节（4 bits）：
- NNN: 第二、第三和第四半字节。表示 12 位内存地址。
- NN: 第二个字节（第三个和第四个半字节）。8 位立即数
- N: 第四个半字节。4 位立即数
- X 和 Y：4 位寄存器标识符，指令的第二个和第三个半字节。用于查找从 V0 到 VF 的 16 个寄存器之一
如上所述，CHIP-8 有 4096 字节的内存，并且内存的最小分配单位是一字节，因此只需要 12 位（0xFFF）便可以寻址整个内存空间。
由于 C 语言中没有 12 位的类型，所以使用 uint16_t 也就是 unsigned short 来表示内存地址：
struct chip8 {
uint8_t mem[4096];
uint16_t index_reg;
uint16_t pc; // keep trace of opcode address
};CHIP-8 是支持函数调用的，因此也需要考虑函数调用栈的实现，栈的特性就是先进后出，先调用的函数后执行。比如下面的程序会输出：cba。
int main() {
a();
}
void a() {
b();
printf("a");
}
void b() {
c();
printf("b");
}
void c() {
printf("c");
}要实现栈的特性，可以简单使用数组来实现，我们需要记住最后一个函数入栈的下标 i。
- 入栈：新函数的内存地址从
i+1位置讲函数内存地址写入数组 - 出栈：新函数调用结束（return），递减栈的下标
i = i-1
函数调用对应指令为：2NNN，函数返回的指令为：00EE。
uint16_t stack[16];
uint8_t sp; // keep trace of stack top
/**
* Return from a subroutine
*/
void opcode_00EE(CHIP8 *chip8) {
byte pc = chip8->stack[chip8->sp--];
chip8->pc = pc;
}
/**
* Call subroutine at NNN
*/
void opcode_2NNN(CHIP8 *chip8) {
chip8->stack[chip8->sp++] = chip8->pc;
chip8->pc = NNN(_OPCODE);
}CHIP-8 有两个独立的定时器寄存器：延迟定时器和声音定时器。大小为 1 个字节，只要它们的值大于 0，它们就应该每秒减少 60 次（即 60 Hz ），并且与执行指令的速度无关。也就是说无论代码怎么执行，即使进入了死循环，定时器也需要以 60 Hz 的频率运行。
-
延时计时器作用是，使用 CHIP-8 游戏将检查计时器的值并根据需要自行等待
-
声音计时器则是只要它高于 0，就会让计算机发出“蜂鸣声”
uint8_t delay_timer;
uint8_t sound_timer;
long last_timer_time = current_micros();
while (1) {
long now = current_micros();
if (now - last_timer_time >= TIMER_DELAY) {
if (chip8->delay_timer > 0) {
chip8->delay_timer--;
}
if (chip8->sound_timer > 0) {
chip8->sound_timer--;
}
}
}CHIP-8 的显示屏宽 64 像素，高 32 像素。每个像素都可以打开或关闭（黑色或者白色）。换句话说，每个像素都是一个布尔值，或者说是一个 bit。
最初的 CHIP-8 解释器以 60 Hz 的频率更新显示（即它们的帧率为 60 FPS）。并且仅在模拟器执行修改显示数据的指令时才更新屏幕，以便运行得更快。现代计算器运行速度更快，因此这个优化可做可不做。
CHIP-8 模拟器有一组内置的字体，就是 0 到 F 的十六进制数字，需要加载到内存中。例如，字符 F 表示为 0xF0、0x80、0xF0、0x80、0x80。看一下二进制表示：
11110000
10000000
11110000
10000000
10000000可以看到 “F” 吗？绘制屏幕的原理就是这样：用一个 bit 表示像素的打开或者关闭，然后以一个字节为一组来绘制。
更新显示屏前，需要将索引寄存器 I 设置为字符的内存位置，然后开始绘制。因此将字体数据放在内存的前 512 字节中的任何位置 ( 000 – 1FF ) 都可以。内置的字体都以 5 个字节来表示，一共 16 个字体，需要 80 个字节，一般规定将字体放在 050 – 09F。
uint8_t chip8_fontset[80] = {
0xF0, 0x90, 0x90, 0x90, 0xF0, // 0
0x20, 0x60, 0x20, 0x20, 0x70, // 1
0xF0, 0x10, 0xF0, 0x80, 0xF0, // 2
0xF0, 0x10, 0xF0, 0x10, 0xF0, // 3
0x90, 0x90, 0xF0, 0x10, 0x10, // 4
0xF0, 0x80, 0xF0, 0x10, 0xF0, // 5
0xF0, 0x80, 0xF0, 0x90, 0xF0, // 6
0xF0, 0x10, 0x20, 0x40, 0x40, // 7
0xF0, 0x90, 0xF0, 0x90, 0xF0, // 8
0xF0, 0x90, 0xF0, 0x10, 0xF0, // 9
0xF0, 0x90, 0xF0, 0x90, 0x90, // A
0xE0, 0x90, 0xE0, 0x90, 0xE0, // B
0xF0, 0x80, 0x80, 0x80, 0xF0, // C
0xE0, 0x90, 0x90, 0x90, 0xE0, // D
0xF0, 0x80, 0xF0, 0x80, 0xF0, // E
0xF0, 0x80, 0xF0, 0x80, 0x80 // F
};对应的绘制指令为 DXYN，绘制流程如下，需要考虑绘制屏幕边缘的场景：
CHIP-8 最早的计算机使用十六进制键盘。它们有 16 个键，标记为 0 到 F ，并排列在 4x4 网格中。
1 2 3 C
4 5 6 D
7 8 9 E
A 0 B F
在现代计算器中一般使用 QWERTY 键盘（目前只考虑这种排列的键盘），为了方便游戏，我们需要做键位映射：
1 2 3 4
Q W E R
A S D F
Z X C V
chip-8 使用两个字节的十六进制编码来编写程序，两个字节对应 cpu 指令集中的一个指令，虚拟机需要将其翻译成现代系统的操作。
- 设计 chip-8 的结构体，需要包含符合规定的内存、调用栈、寄存器、定时器、显示器和键盘输入；
- 加载程序文件到内存数组中，程序可访问的内存从
0x200开始； - 虚拟机的任务就是以对应的频率（不同的游戏以不同的频率运行效果比较好）无限循环运行，执行下面三个步骤：
- Fetch：从当前 PC 的内存中取出 CPU 指令，并将 PC 指针 +2 指向下一个指令；
- Decode：解码指令，根据指令规范计算 X，Y，N，NN，NN 的值，便于执行使用；
- Excute：执行指令运算。
- 实现键盘输入（使用 SDL2，一个用 C 语言实现视频、音频、输入设备（如键盘、鼠标）等操作的库，主要用于游戏开发）；
- 实现屏幕显示（使用 SDL2）。
根据不同的指令实现同步的操作，最直观的方式就是使用 if 语句 或者 switch 语句判断，唯一的缺点是会导致代码比较长，可读性不好。后面可以考虑用函数表实现。
可以优先实现下面几个指令，然后运行 IBM Logo.ch8 这个程序用于测试，只这个程序是会显示 IBM 的标志，并且只使用下面的指令。包括最重要的显示指令 DXYN：
00E0 (clear screen)
1NNN (jump)
6XNN (set register VX)
7XNN (add value to register VX)
ANNN (set index register I)
DXYN (display/draw)
IBM Logo.ch8 成功绘制的结果如下，然后程序进入无限循环：
接下来就是实现 CHIP8 所有 35 个指令：
| 指令 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
0NNN |
调用 | 执行地址 NNN 的子程序 |
00E0 |
显示 | 清空屏幕 |
00EE |
流程控制 | 从子程序中返回 |
1NNN |
流程控制 | 跳转到地址 NNN |
2NNN |
流程控制 | 从 NNN 跳转到子程序 |
3XNN |
条件 | 如果 VX == NN，则跳过下一条指令 |
4XNN |
条件 | 如果 VX != NN，则跳过下一条指令 |
5XY0 |
条件 | 如果 VX == VY，则跳过下一条指令 |
6XNN |
常量 | VX = NN |
7XNN |
常量 | VX += NN |
8XY0 |
赋值 | VX = VY |
8XY1 |
位运算 | VX = VX | VY |
8XY2 |
位运算 | VX = VX & VY |
8XY3 |
位运算 | VX = VX ^ VY |
8XY4 |
数学 | VX += VY，有进位时 VF = 1 |
8XY5 |
数学 | VX -= VY，有借位时 VF = 0 |
8XY6 |
位运算 | VX >> 1 |
8XY7 |
位运算 | VX = VY - VX |
8XYE |
位运算 | VX << 1 |
9XY0 |
条件 | 如果 VX != VY，则跳过下一条指令 |
ANNN |
内存地址 | 寄存器 I = NNN |
BNNN |
流程控制 | PC = V0 + NNN |
CXNN |
随机 | VX = rand() & NN，生成一个随机数并与 NN 按位与运算 |
DXYN |
显示 | 在 (VX, VY) 位置绘制一个图像，其宽为 8bit，高为 N+1bit |
EX9E |
按键操作 | 等待按键，如果 key() == VX，跳过下一条指令 |
EXA1 |
按键操作 | 等待按键，如果 key() != VX，跳过下一条指令 |
FX07 |
计时器 | 将 VX 设置为延迟计时器 |
FX15 |
计时器 | 将延迟计时器设置为 VX |
FX18 |
声音 | 将声音计时器设置为 VX |
FX0A |
按键 | 等待按键，然后 VX = get_key() |
FX1E |
内存地址 | I += VX (VF 不受影响) |
FX29 |
内存地址 | 将 I 设置为 VX 的字符地址，字符 0-F 由 4X5 字体表示 |
FX33 |
BCD | 将 VX 中值的 BCD 码存入 I 中的地址内，百位在 I，十位在 I+1，个位在 I+2 |
FX55 |
内存地址 | 将 V0 到 VX 的值存入 I 中地址为起始的内存空间 |
FX65 |
内存地址 | 将 I 中地址为起始的内容依次存入 V0-VX |