虛擬硬體元件開發完成後，接下來就進入模擬器最核心的階段：實作指令集模擬器（Instruction Set Simulator）！相較於現代處理器，CHIP-8 的指令集規模非常小，因此非常適合作為理解處理器取指（Fetch）、解碼（Decode）與執行流程（Execute）的入門專案。本篇將先介紹 CHIP-8 指令與機器碼的基本概念，接著實作二進位程式載入機制與最基本的 fetch 流程，為後續真正執行 CHIP-8 遊戲程式奠定基礎。
指令集與位元組碼的基礎觀念
CHIP-8 虛擬機的核心工作，就是依序讀取並執行一組預先定義的指令。每一條指令都以固定的二進位格式存在記憶體中，虛擬處理器讀取這些資料後，再根據其內容執行對應的操作。
機器碼與二進位資料
CHIP-8 程式本質上是一連串二進位資料，而我們平常看到的十六進位表示法，只是為了方便閱讀這些二進位數值。
例如，CHIP-8 的清除螢幕指令為：
00E0換成二進位則是：
00000000 11100000兩者代表的是完全相同的 16-bit 數值，只是十六進位表示法更適合人類閱讀。
因此，不能直接使用一般文字編輯器輸入 00E0 再將檔案當作 CHIP-8 程式執行。因為文字編輯器儲存的是字元：
'0' '0' 'E' '0'這些字元會以 ASCII 等文字編碼儲存，實際上形成 4 bytes 的資料，而 CHIP-8 所需要的是：
0x00 0xE0也就是實際直譯器能識別的 2-byte 二進位指令。
若想更直觀地理解文字資料與二進位資料的差異，可以使用 Hex Editor Neo 直接查看檔案內容。
CHIP-8 程式會以二進位形式儲存，每一條指令由一個 16-bit 的操作碼（opcode）表示。這些連續排列的指令資料，有時也會被統稱為 bytecode，也就是提供給 CHIP-8 虛擬機讀取並執行的位元組序列。
核心執行函式
接下來在 chip8.c 中建立 chip8_exec 函式，作為後續所有 CHIP-8 指令的執行入口：
void chip8_exec(struct chip8* chip8, unsigned short opcode)
{
}
這個函式接收兩項資料：
- CHIP-8 本身的實例指標。
- 一條 16-bit 的 opcode。
CHIP-8 每一條指令固定占用 2 bytes，也就是 16 bits。這 16 bits 又可以拆成四個 nibble，而每個 nibble 為 4 bits。
例如：
1ABC
1 A B C
---- ---- ---- ----
4bit 4bit 4bit 4bit之後進行指令解碼時，就會大量利用這四個 nibble 來判斷指令類型與取得參數。
程式載入機制與記憶體安全防護
在真正執行 CHIP-8 指令之前，我們必須先把遊戲 ROM 載入虛擬記憶體。
預設載入位址
根據 CHIP-8 規格書，多數的 CHIP-8 程式皆是從記憶體位址 0x200 開始載入，而 0x000 到 0x1FF 的空間則保留給直譯器與相關資料使用。
因此，可以先在 config.h 中定義程式的預設載入位置：
#define CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS 0x200
之後所有 CHIP-8 程式都會從這個位址開始放入虛擬記憶體。
實作載入函式（chip8_load）
接著建立 chip8_load，負責將外部讀入的程式資料複製到 CHIP-8 記憶體：
void chip8_load(struct chip8* chip8, const char* buf, size_t size)
{
// 待會實做
}
透過斷言預防緩衝區溢位
在複製資料之前，首先必須確認程式大小不會超出 CHIP-8 的可用記憶體範圍：
assert(size + CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS <= CHIP8_MEMORY_SIZE);
這項檢查確保：
程式起始位址 + 程式大小 <= CHIP-8 記憶體大小
如果載入的 ROM 太大，程式便會立即觸發 assertion，而不是繼續寫入超出陣列範圍的記憶體。
記憶體複製與 PC 初始化
當通過檢查後，函式會執行兩項關鍵動作：資料複製以及設定程式計數器。
第一，使用 memcpy 將程式資料複製到 CHIP-8 記憶體：
memcpy(&chip8->memory.memory[CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS], buf, size);
目的位址從：
&chip8->memory.memory[CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS]
開始，也就是記憶體中的 0x200。
第二，將程式計數器（Program Counter，PC）設定為相同位置：
chip8->registers.PC = CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS;
如此一來，虛擬處理器啟動後，第一條指令就會從 0x200 開始讀取。
完整函式如下：
void chip8_load(struct chip8* chip8, const char* buf, size_t size)
{
assert(size + CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS <= CHIP8_MEMORY_SIZE);
memcpy(&chip8->memory.memory[CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS], buf, size);
chip8->registers.PC = CHIP8_PROGRAM_LOAD_ADDRESS;
}
在還沒有加入真正的 ROM 檔案之前，可以先在 main loop 中簡單測試：
chip8_load(&chip8, "Hello, World!", sizeof("Hello, World!"));
這裡的目的不是執行 "Hello, World!"，而只是暫時確認 chip8_load 能順利將資料寫入記憶體，並且不會造成程式 crash。
從檔案載入 CHIP-8 程式
確認記憶體載入流程正常後，下一步就是從外部檔案讀取真正的 CHIP-8 ROM。
命令列參數檢查
在 main.c 中，我們使用 argc 與 argv 接收要執行的 CHIP-8 程式路徑。
如果使用者沒有提供檔案名稱，也就是 argc < 2，便直接顯示錯誤訊息並結束程式：
if (argc < 2)
{
printf("You must provide a CHIP-8 file to run.\n");
return -1;
}
使用二進位唯讀模式
取得檔案名稱後，就可以透過 fopen 開啟 ROM：
const char* filename = argv[1];
printf("Loading CHIP-8 file: %s\n", filename);
FILE* file = fopen(filename, "rb");
if (!file)
{
printf("Failed to open the file: %s\n", filename);
return -1;
}
這裡特別使用 rb，其中：
r = read
b = binary
代表以二進位唯讀模式開啟檔案。
對 CHIP-8 ROM 這類原始二進位資料而言，應避免使用單純的文字模式 "r"，尤其在 Windows 環境下，文字模式可能對部分位元組進行換行相關的轉換，導致原始資料發生變化。
取得檔案大小
接下來先將檔案位置移動到尾端：
fseek(file, 0, SEEK_END);
再使用：
long size = ftell(file);
取得目前位置，也就是檔案大小。
取得大小後，再將讀取位置移回檔案開頭：
fseek(file, 0, SEEK_SET);
完整流程為：
fseek(file, 0, SEEK_END); long size = ftell(file); fseek(file, 0, SEEK_SET);
配置緩衝區並讀取檔案
知道檔案大小之後，就可以使用 malloc 動態配置足夠的記憶體：
char* buf = malloc(size);
接著利用 fread 將整個 ROM 讀入：
size_t res = fread(buf, 1, size, file);
這裡的意思是：
每個元素大小 = 1 byte
最多讀取 = size 個元素
因此 fread 的回傳值代表實際成功讀取的 byte 數。
完成讀取後應確認：
if (res != size)
{
printf("Failed to read the file: %s\n", filename);
free(buf);
fclose(file);
return -1;
}
接著關閉檔案：
fclose(file);
在 CHIP-8 初始化完成後，再將讀取到的資料交給 chip8_load：
chip8_load(&chip8, buf, size); free(buf);
由於 chip8_load 已經利用 memcpy 將內容複製進 CHIP-8 的虛擬記憶體，所以外部的 buf 在這之後便可以安全釋放。
在正式使用 ROM 前，可以先建立一個暫時的 file.txt，確認整個檔案讀取與記憶體載入流程不會發生重大錯誤：
./bin/main.exe ./bin/file.txt這個階段我們只是在驗證載入流程，因此檔案內容是否為合法 CHIP-8 指令還不是重點。
取指（Fetch）與主迴圈執行流程
程式成功載入記憶體後，接下來就可以開始建立處理器最核心的 fetch 流程。
合併雙位元組（get_short）
CHIP-8 的每一條指令為 2 bytes，但記憶體陣列一次只能讀取一個 byte。
因此需要從目前的 PC 讀取兩個連續的位元組 PC 和 PC + 1，再將它們合併成一個 16-bit opcode。
unsigned short chip8_memory_get_short(struct chip_memory* memory, int index)
{
unsigned char byte1 = chip8_memory_get(memory, index);
unsigned char byte2 = chip8_memory_get(memory, index + 1);
return (byte1 << 8) | byte2;
}
假設記憶體中包含：
memory[0x200] = 0x12
memory[0x201] = 0x34其中 byte1 << 8 會將第一個 byte 移到高 8 bits 0x12 -> 0x1200，接著與第二個 byte 執行 OR：
0x1200
OR 0x0034
---------
0x1234最後便得到完整的 16-bit opcode：
0x1234主迴圈運作步驟
有了 chip8_memory_get_short 之後，就可以在主迴圈中建立最基本的指令執行流程：
- Fetch：根據目前的 PC 從記憶體讀取一條 16-bit opcode。
- Execute：將 opcode 傳入
chip8_exec進行解碼與模擬執行。 - Advance PC：暫時將 PC 加 2，前往下一條指令。
目前可以先寫成：
unsigned short opcode = chip8_memory_get_short(&chip8.memory, chip8.registers.PC); chip8_exec(&chip8, opcode); chip8.registers.PC += 2;
因為 CHIP-8 每條指令固定占用 2 bytes，所以在沒有任何流程控制指令的情況下：
0x200
-> 0x202
-> 0x204
-> 0x206
-> ...PC 會依序向後移動。
不過，這裡的 PC += 2 只是目前用來建立基本 fetch 流程的暫時實作。
後續加入 Jump、Call、Return 等流程控制指令後，PC 並不一定永遠指向下一個連續位址，因此 PC 的更新方式也需要配合指令執行邏輯重新整理，不能無條件在每次 chip8_exec 後加 2。
使用 CHIP-8 ROM 進行整合測試
基本的程式載入與 fetch 流程完成後，就可以開始使用真正的 CHIP-8 ROM 進行測試囉！
例如，可以從 Zophar’s Domain CHIP-8 Games Pack 取得測試用遊戲，並將其中一個 ROM 放到 bin 目錄，這裡以 Space Invaders 為例子：
./bin/main.exe ./bin/INVADERS此時模擬器會：
讀取 ROM
-> 載入至 0x200
-> 將 PC 設為 0x200
-> Fetch opcode
-> 呼叫 chip8_exec
-> 移動 PC
-> Fetch 下一條 opcode
如果同時輸出 PC 與 opcode，就可以觀察 ROM 中的指令資料逐條被讀取。
printf("PC: %04x, Opcode: %04x\n", chip8.registers.PC, opcode);
不過，目前 chip8_exec 尚未真正實作 Jump、Call、Return 或其他 subroutine（副程式）呼叫等能控制 PC 走向的指令等會改變控制流程的指令，因此 PC 只會持續向後增加。
當 PC 最終超出合法的記憶體範圍時，先前在記憶體模組中加入的安全檢查便可能觸發 assertion，使程式停止執行。
在目前這個開發階段，這種停止是可以預期的結果。它至少證明：
- ROM 已成功載入
- PC 能從
0x200開始 fetch - 兩個 bytes 能正確組成 opcode
- 主迴圈能持續進行 fetch
- 記憶體邊界檢查能阻止非法存取
接下來真正重要的工作，就是開始實作 chip8_exec 中的 opcode decoding 與各項 CHIP-8 指令，讓 PC 不再只是一路向後增加，而是能依照遊戲程式的實際控制流程執行。
