[CHIP-8 小東西] CHIP-8 規格介紹

CHIP-8 是一種直譯式程式語言，出現於 1970 年代末期至 1980 年代初期，主要應用在 DIY 電腦系統上。本篇將藉由介紹 CHIP-8 背景以及實際規格，為之後的小型專案鋪路。

背景知識

什麼是 CHIP-8

感覺這個名字似乎會引起誤會，CHIP-8 不是 chip，它是一種簡單的直譯式程式語言，也是一套簡單的虛擬機規格，出現於 1970 年代末期至 1980 年代初期，主要應用在 DIY 電腦系統上。那個年代系統規格非常有限：

通常被設計成直接連接電視作為顯示螢幕
系統的 RAM 通常只有 1K 到 4K 的容量
主要的輸入裝置是 16 鍵的十六進位鍵盤
CHIP-8 的直譯器本身僅佔用 512 bytes 的記憶體空間，而使用者以十六進位輸入的程式碼所佔用的空間甚至更小

它最早由 Joseph Weisbecker 在 1970 年代設計，用在 COSMAC VIP、Telmac 1800 這類早期 8-bit 微電腦上，目的是讓人在硬體資源很少的情況下，也能比較容易寫小遊戲或互動程式。

可以簡單想成 CHIP-8 規定了：

有多少記憶體
有哪些暫存器
螢幕怎麼顯示
鍵盤怎麼輸入
timer 怎麼運作
每個 opcode 代表什麼操作

這個小型的系統架構，總共只有 34 個指令需要實作，非常適合第一次學習模擬器開發的一套系統。很多經典入門 emulator 專案會選它，因為它規格簡單，但又包含完整的電腦概念。

什麼是 Emulator（模擬器）

要了解 emulator 在做什麼，可以把它想像成一位翻譯官，它的核心任務是讀取原本專為目標機器編譯出來的機器碼指令，接著進行解譯，最後在 host machine（在這個案例中就是現代電腦）重現目標機器的所有功能。

舊遊戲的 ROM 檔案裡面裝的其實就是滿滿的原始機器指令。模擬器會讀取這些 ROM 檔案裡的指令，並且透過軟體的方式，去模仿當年那台機器的真實運作行為。

如果是開發更進階的系統，模擬器不僅要模擬 CPU，還要模擬圖形處理器與音效晶片等複雜的硬體元件。那能不能現在不要搞那麼複雜，圖形先處理單色像素，音效也處理一道單一頻率的蜂鳴聲……那就是架構非常單純的 CHIP-8 啦！

所以寫 CHIP-8 emulator，就是用現代程式語言，例如 C 或是 C++ 去實作這套規格，讓 CHIP-8 程式可以在現代電腦上跑。

CHIP-8 = 一套小型程式語言 / 虛擬機規格
CHIP-8 ROM = 用 CHIP-8 寫成的程式檔
CHIP-8 emulator = 負責執行 CHIP-8 程式檔的模擬器

CPU 簡介

在開始動手寫 emulator 之前，必須先對 CPU（中央處理器）的運作方式有一個基本的認識。

CPU 的運作原理其實非常直觀：它會不斷地從記憶體中的某個地方讀取「指令」，然後照著指令告訴它的內容去做事。可以把 CPU 想像成一個執行速度極快、但本身沒有自主思考能力的工人，必須用一組非常明確且邏輯嚴謹的指令集（Instruction Set），一步一步地告訴它該做什麼。

這些指令在電腦底層都是以數字的方式進行編碼，用來代表某種操作與對應的資料。以 CHIP-8 來說，指令通常會以十六進位（Hexadecimal，常帶有 $ 或 0x 的前綴）來表示。在處理電腦底層資訊時，十六進位是最常被使用的進位制，因為它能用更簡潔的方式來表示龐大的二進位數值與記憶體位址。

雖然不同 CPU 架構有不同的指令集與硬體設計，但大多數 CPU 執行程式時，都可以簡化成三個主要步驟：

提取指令 Fetch：從記憶體取出下一條指令
解碼指令 Decode：解析這條指令代表什麼操作
執行指令 Execute：執行該指令，並更新暫存器、記憶體或其他系統狀態

CPU 都在不斷重複三個核心動作，而撰寫模擬器的核心任務，就是用軟體程式碼完美重現這個無窮迴圈。CHIP-8 emulator 的核心也會圍繞這個流程實作。每一次執行循環中，emulator 會從 CHIP-8 記憶體取出 opcode，判斷它是哪一種指令，然後執行對應的行為。

從這個專案起頭的原因

要做一件事情之前一定要搞清楚目的，為什麼選擇做 CHIP-8 emulator 主要有兩個原因：

現代電腦看不懂 CHIP-8 程式

CHIP-8 遊戲檔裡面不是 Windows / macOS / Linux 可以直接執行的指令。

例如 CHIP-8 程式可能有一條指令意思是：把 0x05 放進 V1 暫存器，但我現在手邊的機器 CPU 不知道什麼是 V1，也不知道 CHIP-8 的螢幕、鍵盤、timer 等規則，所以需要一個 CHIP-8 emulator 來做翻譯，轉換成現代電腦上的行為，讓 CHIP-8 程式可以在現代電腦上面跑。

Emulator / CPU 基礎練手

這其實才是最最最主要的目的：CHIP-8 很小，所以很適合當入門專案。
從讀取程式放進 memory、fetch、decode、執行指令，甚至於更新畫面、鍵盤、timer 等等，這就是很多 CPU、VM、emulator 的核心流程。所以初學者很適合從 CHIP-8 emulator 著手，主要不是因為實用度，而是因為它剛好夠小又包含完整概念。

用軟體開發角度看，CHIP-8 emulator 很適合練：

instruction decoding
memory model
fetch-decode-execute cycle
graphics rendering
keyboard input
timers
emulator architecture

至少我會因為這個專案學會一台電腦怎麼執行指令。

認識 CHIP-8 規格

接下來呢，就要來解讀規格，這樣才可以知道 emulator 該怎麼製作。我將會以經典的《Cowgod’s Chip-8 Technical Reference》這份規格書作為藍圖。

Memory

首先需要了解這台虛擬機器有多少記憶體以及如何分區。

CHIP-8 具有 4KB（4,096 bytes）的記憶體，位址範圍從 0x000 到 0xFFF：

系統保留區（0x000 – 0x1FF）
這前 512 bytes 原本是保留給早期的直譯器使用的。但在現代模擬器中，這裡通常用來存放 0 到 F 的十六進位字型資料（Font Data）。
程式存放區（0x200 – 0xFFF）
大多數的 Chip-8 遊戲或程式，都會從 0x200 這個位址開始載入並執行。

+---------------+= 0xFFF (4095) End of Chip-8 RAM  
|               |  
|               |  
|               |  
|               |  
|               |  
| 0x200 to 0xFFF|  
|     Chip-8    |  
| Program / Data|  
|     Space     |  
|               |  
|               |  
|               |  
+- - - - - - - -+= 0x600 (1536) Start of ETI 660 Chip-8 programs  
|               |  
|               |  
|               |  
+---------------+= 0x200 (512) Start of most Chip-8 programs  
| 0x000 to 0x1FF|  
| Reserved for  |  
|  interpreter  |  
+---------------+= 0x000 (0) Start of Chip-8 RAM

Registers

CPU 在進行運算時，需要有地方暫時存放資料，這就是暫存器的功用。CHIP-8 系統中定義了幾種不同用途的暫存器：

一般用途暫存器（V0 – VF）
CHIP-8 共有 16 個 8-bit 的暫存器，通常被標示為 V0 到 VF。其中，VF 是一個非常特殊的暫存器，一般程式不應該隨意使用它，因為某些特定的指令會把它當作「旗標（Flag）」來使用，例如用來標記加減法是否發生進位（Carry Flag、Borrow Flag）、像素是否產生碰撞（Collision Flag）等。
索引暫存器（I）
這是一個 16-bit 的特殊暫存器。由於 CHIP-8 的最大記憶體位址到了 0xFFF，超出了 8-bit 暫存器能儲存的上限，因此必須使用這個 16-bit 的暫存器來專門儲存記憶體位址（通常用來指向繪圖時需要的圖形資料位置）。
程式計數器（Program Counter, PC）
這是一個 16-bit 的指標，CPU 必須依靠它來記錄「下一步要從哪個記憶體位址讀取指令」。
堆疊（Stack）與堆疊指標（Stack Pointer, SP）
當程式執行「呼叫副程式」的指令時，CPU 必須記住原本執行的位置以便未來返回。CHIP-8 具備了 16 層的堆疊，代表它可以處理最多 16 層的副程式呼叫。同時，它需要一個 8-bit 的堆疊指標來記錄目前堆疊陣列使用到了哪一層（最頂端在哪裡）。

Keyboard

原本執行 CHIP-8 語言的早期電腦，使用的是一種 16 鍵的十六進位鍵盤。它的原始佈局長這樣：

1	2	3	C
4	5	6	D
7	8	9	E
A	0	B	F

在現代開發模擬器時，就必須將這個 16 宮格的硬體鍵盤，對應到現代電腦鍵盤的按鍵上。

Display

原始的 CHIP-8 語言是透過一台解析度為 64×32 像素的單色顯示器來呈現畫面。它的座標系統從左上角開始：

(0,0)	…	(63,0)
…	…	…
(0,31)	…	(63,31)

關於畫面的顯示，規格書有幾個重要的定義：

精靈圖（Sprites）
CHIP-8 是透過把精靈圖畫到螢幕上來顯示圖像。精靈圖本質上是一段二進位資料（1 代表亮，0 代表暗），一般的精靈圖最大可以達到 8×15 像素（15 bytes）。
內建字型
系統本身內建了 0 到 F 共 16 個十六進位數字的精靈圖，每個字型固定為 8×5 像素（5 bytes）。這些字型的資料就存放在剛剛提到的「記憶體系統保留區」中。
XOR 繪圖邏輯
這是 CHIP-8 繪圖最特別的地方。當新圖形被畫到螢幕上時，會與螢幕現有的像素進行「互斥或（XOR）」運算。也就是說，如果畫上去的新像素與原本畫面上的亮點重疊，該像素就會反白變暗（關閉）。如果這導致了畫面上有任何像素被關閉，剛剛提到的 VF 暫存器就會被設定為 1，遊戲就是靠這個機制來判斷物體是否發生了碰撞。

Timers & Sound

CHIP-8 提供了兩個獨立的 8-bit 計時器來控制遊戲節奏與發出聲音：

延遲計時器（Delay Timer）
這個計時器負責控制時間。只要它的數值不為 0，它就會以 60Hz 的速率自動遞減，直到歸零為止。
音效計時器（Sound Timer）
運作的原理與延遲計時器一模一樣，也是以 60Hz 的速率遞減。唯一的差別在於，只要音效計時器的數值大於 0，CHIP-8 就會控制蜂鳴器發出單一頻率的嗶聲，直到數值歸零聲音才會停止。

後記

之前因為工作花了不少心思在硬體概念上，買了不少書、聽了不少線上課程都一知半解，結果透過經典案例卻學更多更快，更能融會貫通。這個 CHIP-8 emulator 的例子也是，因為要認識軟體的 emulator 製作概念，透過大家的熱心分享以及專案的開放，反而先理解了所謂 CPU 基礎架構，進而貫通了整個運作方式。

在我學習硬體概念的這條路上反而是因為軟體的開放性而被解救（或是西方文化？），果然還是比較喜歡軟體圈的開放氛圍。