我从来没有做过像模拟游戏机这样奇特的事情，但我曾经上过一门课程，作业是为Andrew Tanenbaums结构化计算机组织中描述的机器编写模拟器。这很有趣，给了我很多顿悟的时刻。在开始编写一个真正的模拟器之前，您可能需要先阅读一下这本书。

还可以查看Darek Mihocka的Emulators.com，获得关于jit指令级优化的建议，以及许多关于构建高效模拟器的其他好东西。

仿真是一个多方面的领域。下面是基本思想和功能组件。我将把它分成几部分，然后通过编辑填充细节。我将要描述的许多东西都需要了解处理器的内部工作原理——组装知识是必要的。如果我在某些事情上有点太模糊，请提问，这样我可以继续改进这个答案。

基本思想:

仿真通过处理处理器和各个组件的行为来工作。您构建系统的每个单独部分，然后将这些部分连接起来，就像硬件中的电线一样。

处理器仿真:

有三种处理处理器仿真的方法:

解释 动态重新编译 静态重新编译

使用所有这些路径，您有相同的总体目标:执行一段代码来修改处理器状态并与“硬件”交互。处理器状态是给定处理器目标的处理器寄存器、中断处理程序等的集合体。对于6502，你有一些8位整数表示寄存器:a, X, Y, P和S;你还会有一个16位的PC寄存器。

通过解释，从IP(指令指针——也称为PC，程序计数器)开始，从内存中读取指令。您的代码解析此指令并使用此信息更改处理器指定的处理器状态。解释的核心问题是它非常慢;每次处理给定指令时，都必须对其进行解码并执行必要的操作。

With dynamic recompilation, you iterate over the code much like interpretation, but instead of just executing opcodes, you build up a list of operations. Once you reach a branch instruction, you compile this list of operations to machine code for your host platform, then you cache this compiled code and execute it. Then when you hit a given instruction group again, you only have to execute the code from the cache. (BTW, most people don't actually make a list of instructions but compile them to machine code on the fly -- this makes it more difficult to optimize, but that's out of the scope of this answer, unless enough people are interested)

对于静态重新编译，您所做的与动态重新编译相同，但是您遵循分支。最终构建的代码块代表程序中的所有代码，然后可以在没有进一步干扰的情况下执行。如果没有以下问题，这将是一个很棒的机制:

不在程序中开始的代码(例如压缩、加密、运行时生成/修改等)不会被重新编译，因此不会运行 已经证明，在给定的二进制文件中找到所有的代码等同于停止问题

这些结合在一起使得静态重新编译在99%的情况下完全不可行的。要了解更多信息，Michael Steil对静态重新编译做了一些很好的研究——这是我所见过的最好的研究。

处理器模拟的另一方面是与硬件交互的方式。这确实有两面性:

处理器时间 中断处理

处理器时间:

某些平台——尤其是NES、SNES等较老的主机——要求你的模拟器具有严格的兼容时间。对于NES，您有PPU(像素处理单元)，它要求CPU在精确的时刻将像素放入内存。如果你使用解释，你可以很容易地计算周期并模拟适当的计时;对于动态/静态重新编译，事情要复杂得多。

中断处理:

中断是CPU与硬件通信的主要机制。通常，硬件组件会告诉CPU它所关心的中断。这非常简单——当您的代码抛出一个给定的中断时，您查看中断处理程序表并调用适当的回调。

硬件仿真:

模拟一个给定的硬件设备有两个方面:

模拟设备的功能 模拟实际的设备接口

以硬盘为例。通过创建备份存储、读/写/格式化例程等来模拟该功能。这部分通常非常简单。

设备的实际界面要复杂一些。这通常是内存映射寄存器(例如，设备观察变化以发出信号的内存部分)和中断的某种组合。对于硬盘驱动器，您可能有一个内存映射区域，您可以在其中放置读取命令，写入等，然后读取此数据。

我想说得更详细一些，但你有很多方法可以用它。如果你有任何具体的问题，请提出来，我会补充信息。

资源:

我认为我在这里做了一个很好的介绍，但是还有很多其他的领域。我非常乐意帮助解答任何问题;我在这方面的大部分内容都很模糊，因为它非常复杂。

强制性的维基百科链接:

模拟器 动态重新编译

一般仿真资源:

Zophar—这是我开始模拟的地方，首先下载模拟器，最终掠夺它们巨大的文档档案。这绝对是你能拥有的最好的资源。 NGEmu——没有太多直接资源，但他们的论坛是无敌的。 RomHacking.net—文档部分包含有关流行控制台的机器架构的资源

模拟器项目参考:

IronBabel -- This is an emulation platform for .NET, written in Nemerle and recompiles code to C# on the fly. Disclaimer: This is my project, so pardon the shameless plug. BSnes -- An awesome SNES emulator with the goal of cycle-perfect accuracy. MAME -- The arcade emulator. Great reference. 6502asm.com -- This is a JavaScript 6502 emulator with a cool little forum. dynarec'd 6502asm -- This is a little hack I did over a day or two. I took the existing emulator from 6502asm.com and changed it to dynamically recompile the code to JavaScript for massive speed increases.

处理器重新编译引用:

Michael Steil对静态重新编译的研究(如上所述)在本文中达到了顶峰，您可以在这里找到源代码等。

附录:

自从这个答案提交以来已经有一年多了，它得到了所有的关注，我认为是时候更新一些东西了。

也许现在仿真中最令人兴奋的东西是libcpu，由前面提到的Michael Steil发起。它是一个旨在支持大量CPU内核的库，这些CPU内核使用LLVM进行重新编译(静态和动态!)它有巨大的潜力，我认为它会在模拟方面做得很好。

Emu-docs也引起了我的注意，它有一个很棒的系统文档存储库，对于模拟目的非常有用。我在那里待的时间不长，但看起来他们有很多很棒的资源。

我很高兴这篇文章对你有所帮助，我希望我能在年底/明年初完成我关于这个主题的书。

我知道这个问题有点老了，但我想在讨论中补充一些东西。这里的大多数答案都围绕模拟器解释它们所模拟的系统的机器指令。

然而，有一个非常著名的例外，称为“UltraHLE”(维基百科文章)。UltraHLE是有史以来最著名的模拟器之一，它模拟了商用任天堂64游戏(在家用电脑上表现不错)，当时人们普遍认为这是不可能的。事实上，当UltraHLE诞生时，任天堂还在为任天堂64制作新游戏!

这是我第一次在印刷杂志上看到关于模拟器的文章，而以前我只在网上看到过它们的讨论。

UltraHLE的概念是通过模拟C库调用而不是机器级调用来实现不可能。

值得一看的是Imran Nazar尝试用JavaScript编写Gameboy模拟器。

当你开发一个模拟器时，你是在解释系统正在运行的处理器组件(Z80、8080、PS CPU等)。

您还需要模拟系统拥有的所有外设(视频输出、控制器)。

你应该开始为简单的系统编写模拟器，比如旧的Game Boy(使用Z80处理器，我是不是没有弄错)或C64。