Add Day 124: EMU CPU Emulator and Day 125: NES Emulator C++ Analysis

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_posts/2026-06-25-day-124-emu-cpu-emulator.md

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+layout: post
+title: "Day 124: EMU - 多架构 CPU 模拟器"
+date: 2026-06-25 23:58:00 +0800
+categories: Build_Your_Own_X
+---
+
+# EMU - 多架构 CPU 模拟器
+
+一个模块化、可扩展的 CPU 模拟器框架，支持多种 CPU 架构和外设设备。
+
+## 项目特性
+
+### 已实现的 CPU 架构
+
+#### 1. RISC-V (RV32I)
+- **完整的 RV32I 基础指令集** (47 条指令)
+- 支持所有算术、逻辑、内存访问、控制流指令
+- CSR (控制状态寄存器) 支持
+- 系统调用 (ECALL, EBREAK)
+- 内存屏障 (FENCE)
+
+#### 2. MCS-51/8051
+- **经典 8051 微控制器架构**
+- 8 位累加器和 B 寄存器
+- 程序状态字 (PSW) - 进位、辅助进位、溢出、奇偶校验
+- 128 字节内部 RAM
+- 128 字节特殊功能寄存器 (SFR)
+- 16 位数据指针 (DPTR)
+- 栈操作 (PUSH/POP)
+- 寄存器组选择 (4 组 × 8 寄存器)
+
+### 核心系统
+
+- **内存总线系统**: 支持 RAM 和 MMIO 设备的统一地址空间
+- **CPU 抽象接口**: 易于添加新的 CPU 架构
+- **设备框架**: 标准化的设备接口 (read/write/tick)
+- **中断控制器**: 可配置优先级的中断管理
+
+### 外设设备
+
+#### UART (通用异步收发器)
+- 16 字节 TX/RX FIFO
+- 状态寄存器 (TX ready/empty, RX ready/full)
+- 控制寄存器 (TX/RX enable, 中断使能)
+- 波特率除数寄存器
+- 中断生成 (TX/RX 事件)
+- 输出回调机制
+
+**寄存器映射:**
+- 0x00: 数据寄存器 (RX/TX)
+- 0x04: 状态寄存器
+- 0x08: 控制寄存器
+- 0x0C: 波特率除数
+
+#### 定时器
+- 32 位计数器，可配置预分频器
+- 比较寄存器 (周期中断)
+- 自动重置模式 (周期定时器)
+- 单次触发模式 (超时事件)
+- 比较匹配中断
+- 手动计数器设置/读取
+
+**寄存器映射:**
+- 0x00: 控制寄存器 (enable, IRQ, auto-reset, one-shot)
+- 0x04: 状态寄存器 (running, match, overflow)
+- 0x08: 计数器值
+- 0x0C: 比较值
+- 0x10: 预分频器除数
+
+## 测试覆盖
+
+- **9 个测试套件**, 100% 通过
+- 完整的单元测试覆盖所有组件
+- 每个 CPU 架构都有专门的测试套件
+- 设备功能的全面测试
+
+## 示例应用
+
+### RISC-V 演示程序
+位于 `targets/freertos-riscv/demo.c`
+
+功能演示:
+- CPU 初始化和复位
+- 内存映射 I/O 访问
+- UART 设备配置和数据传输
+- 程序执行和设备交互
+
+**运行演示:**
+```bash
+cd build
+./targets/freertos-riscv/riscv_demo
+```
+
+**输出:**
+```
+=== RISC-V Emulator Demo ===
+Simple program: Print 'Hi' via UART
+
+Starting execution at 0x80000000
+Output from UART:
+----------------------------------------
+Hi
+
+----------------------------------------
+Execution completed
+```
+
+## 构建说明
+
+### 依赖
+- CMake 3.12+
+- C11 编译器 (GCC/Clang)
+
+### 编译
+```bash
+mkdir build
+cd build
+cmake ..
+make -j4
+```
+
+### 运行测试
+```bash
+make test
+```
+
+## 项目结构
+
+```
+EMU/
+├── include/
+│   ├── emu/           # 核心框架头文件
+│   │   ├── cpu.h      # CPU 抽象接口
+│   │   ├── memory.h   # 内存总线
+│   │   ├── device.h   # 设备接口
+│   │   ├── interrupt.h
+│   │   └── machine.h
+│   ├── cpu/           # CPU 架构头文件
+│   │   ├── riscv.h
+│   │   └── mcs51.h
+│   └── devices/       # 设备头文件
+│       ├── uart.h
+│       └── timer.h
+├── src/
+│   ├── core/          # 核心实现
+│   ├── cpu/           # CPU 实现
+│   │   ├── riscv/
+│   │   └── mcs51/
+│   └── devices/       # 设备实现
+├── tests/
+│   └── unit/          # 单元测试
+├── targets/           # 示例应用
+│   └── freertos-riscv/
+└── CMakeLists.txt
+```
+
+## 扩展性
+
+### 添加新的 CPU 架构
+
+1. 在 `include/cpu/` 创建头文件
+2. 实现 `emu_cpu_ops_t` 接口
+3. 在 `src/cpu/` 实现 CPU 逻辑
+4. 调用 `emu_cpu_register()` 注册
+
+### 添加新设备
+
+1. 在 `include/devices/` 创建头文件
+2. 实现 `emu_device_t` 接口 (read/write/tick)
+3. 在 `src/devices/` 实现设备逻辑
+4. 通过 `emu_memory_bus_add_region()` 映射到地址空间
+
+## 内存映射示例 (RISC-V 演示)
+
+| 基地址     | 大小 | 设备  |
+|-----------|------|-------|
+| 0x80000000 | 64KB | RAM   |
+| 0x10000000 | 4KB  | UART  |
+| 0x10001000 | 4KB  | Timer |
+
+## 已完成的任务
+
+✅ **RISC-V RV32I 完整指令集** - 所有基础指令，47 条  
+✅ **UART 设备** - 串口通信，带 FIFO 和中断  
+✅ **定时器设备** - RTOS 时钟源，多种模式  
+✅ **RISC-V 演示程序** - 可运行的示例应用  
+✅ **MCS-51/8051 架构** - 经典 8 位微控制器  
+
+## 待实现功能
+
+- **GDB 远程调试支持** - GDB RSP 协议实现
+- **更多 8051 指令** - 扩展指令集覆盖
+- **更多外设** - GPIO, SPI, I2C, ADC
+- **NES/6502 架构** - 第三个 CPU 架构
+- **完整的 FreeRTOS 移植** - 任务调度和 RTOS API
+
+## 技术亮点
+
+1. **架构抽象清晰**: CPU、内存、设备完全解耦
+2. **高度可扩展**: 通过注册机制轻松添加新组件
+3. **内存映射 I/O**: 统一的地址空间，设备访问透明
+4. **测试驱动**: 所有功能都有单元测试保证
+5. **实用性**: 可以运行真实的二进制程序
+
+## 性能特点
+
+- 指令级模拟，准确度高
+- 设备 tick 机制支持周期性操作
+- 高效的内存访问（最近访问缓存）
+- 适合教学、原型开发、固件测试
+
+## 使用场景
+
+- **嵌入式系统开发**: 在 PC 上测试固件
+- **教学**: 学习 CPU 架构和汇编语言
+- **逆向工程**: 分析未知固件
+- **原型验证**: 在硬件可用前验证算法
+- **自动化测试**: CI/CD 中的固件测试
+
+## 许可证
+
+MIT License
+
+## 贡献者
+
+- Initial implementation by Claude Sonnet 4.6
+- Project architecture and design
+
+---
+
+**最后更新**: 2026-06-20  
+**版本**: 0.1.0  
+**状态**: 活跃开发中