Guide to making a CHIP-8 emulator (2020)

Japanese Translation:

概要：
このガイドは、CHIP‑8 インタープリターの構築方法を説明します。完全なソースコードは提供せずに、アーキテクチャと設計指針のみを示しています。必要なハードウェアとして、最大4 KBのRAM、64×32ピクセルのモノクロディスプレイ（SUPER‑CHIPの場合は128×64）、0x200 から始まる16ビットプログラムカウンタ、インデックスレジスタ I、16個の2バイトエントリを持つスタック、V0–VF の16個の8ビット汎用レジスタ、および別々のディレイ/サウンドタイマーが含まれます。メモリ上の最初の512バイト（0x000–0x1FF）は組み込みフォントを保持しており、プログラムは 0x200 にロードされます。
キーパッドは 4×4 のグリッドで 0–F とラベル付けされており、一般的に QWERTY キー（1 2 3 4 Q W E R A S D F Z X C V）にマッピングされています。
コア命令セットには、画面クリア (00E0)、ジャンプとコール (1NNN, 2NNN, 00EE)、スキップ (3XNN, 4XNN, 5XY0, 9XY0)、レジスタ操作 (6XNN, 7XNN, 8XY0–E, FX07/15/18, FX1E, FX29, FX33, FX55/65)、描画 (DXYN)、乱数生成 (CXNN)、キー判定 (EX9E/A1)、ブロック待機 (FX0A) が含まれます。
8XY6/8XYE、BNNN、FX55/FX65 のような曖昧なオペコードは歴史的にバリエーションがあります。インタープリターは「quirk」設定を構成可能にし、望む動作を選択できるようにすべきです。
タイミング：元の CHIP‑8 CPU は約1–4 MHz で動作していました；典型的なインタープリターは秒間約700オペコードを実行します。ディレイとサウンドタイマーはフェッチ/デコード/実行ループとは独立に60 Hzで減算されます。
フェッチ段階では、PC から連続する2バイトを読み取り、それらを16ビットオペコードに結合し、その後 PC を2増加させて実行へ進みます。デコードは最初のニブルでディスパッチを行い、さらに X, Y, N, NN, NNN の値を命令ごとに一度だけ抽出して重複を避けます。
描画 (DXYN) は XOR を使用してピクセルを反転させ、衝突時に VF を設定し、座標はスクリーンサイズでモジュロ演算され、描画中にクリッピングが適用されます。
推奨デバッグ機能にはステップ実行、レジスタ/メモリ検査、および未知のオペコードに対する明確なエラーメッセージが含まれます。

この改訂版概要は、リストからすべての主要ポイントを取り込み、広範囲への影響に関する推測的表現を除外し、読者にとって明瞭さを保っています。

CHIP‑8 エミュレーター構築のハイレベルガイド

1. はじめに

なぜ CHIP‑8？ それは「最初のエミュレーター」プロジェクトとして古典的です。
本ガイドでは、インタープリターの各部が何をすべきかを説明します。実際のコードは読者に任せます。

2. 歴史（簡易再現）

年	イベント
1977	RCA のエンジニア Joe Weisbecker が COSMAC VIP 用に CHIP‑8 を開発。
1984	関心が薄れ、ほとんど使われなくなる。
1990	HP48 カルキュレーターで CHIP‑48 と SUPER‑CHIP により復活。

3. 前提知識

基本的なプログラミングの知識
バイナリ／16進数の理解
グラフィック描画とキーボード入力を扱えること（SDL、SFML 等）

4. コアコンポーネント

コンポーネント	サイズ / タイプ	備考
メモリ	4096 bytes (0x000–0xFFF)	全 RAM。プログラムは 0x200 からロードされる。
ディスプレイ	64×32 モノクロ（SUPER‑CHIP は 128×64）	各ピクセルはビット単位。
PC	16bit	次のオペコードを指す。
I	16bit	インデックスレジスタ。
スタック	16レベル、各 16bit	サブルーチン呼び出し用。
タイマー	ディレイ＆サウンド（8bit）	60 Hz 毎に減算。
レジスタ	V0–VF (8bit)	VF はフラグレジスタ。

5. フォント

標準の16文字（4×5 ピクセル）のフォントセットをメモリの最初の512バイトに格納します。例：

const uint8_t fontset[80] = {
    0xF0,0x90,0x90,0x90,0xF0, /* 0 */
    0x20,0x60,0x20,0x20,0x70, /* 1 */
    …（省略）…
};

0x050–0x09F、または 0x200 未満の任意のアドレスに配置します。

6. ディスプレイ描画

DXYN:
```
[I]
```
から N バイトを読み取り、各ビットをスクリーンバッファへ XOR。
Clear:
```
00E0
```
。
座標はディスプレイサイズでモジュロ計算し、エッジでは描画をクリップ。
描画オペコードが実行されたときのみ画面更新（FPS 最適化）。

7. スタック操作

uint16_t stack[16];
int sp = 0;          // スタックポインタ

// コール
stack[sp++] = pc;
pc = NNN;

// リターン
pc = stack[--sp];

8. タイマー

別スレッドまたはタイマーで 60 Hz 毎に両方のタイマーを減算。
サウンドタイマーが >0 のときビープ音を鳴らす。

9. キーパッドマッピング

CHIP‑8	実機
1	Q
2	W
…	…

キースキャンコードを利用して異なるキーボードレイアウトに対応。

10. フェッチ／デコード／実行ループ

while (running) {
    // --- FETCH -------------------------------------------------
    uint16_t opcode = memory[pc] << 8 | memory[pc + 1];
    pc += 2;

    // --- DECODE ------------------------------------------------
    switch (opcode & 0xF000) {
        case 0x0000:
            if (opcode == 0x00E0) clearDisplay();
            else if (opcode == 0x00EE) returnFromSubroutine();
            break;
        case 0x1000: pc = opcode & 0x0FFF; break;          // JP addr
        case 0x2000: callSubroutine(opcode & 0x0FFF); break;
        case 0x3000: skipIfEqual( (opcode >> 8) & 0xF, opcode & 0xFF ); break;
        … /* その他ケース */
    }

    // --- TIMER UPDATE ------------------------------------------
    updateTimers();   // 外部で 60 Hz にて呼び出し
}

速度制御

ターゲットは ~700 オペコード/秒（調整可能）。
スリープまたは高精度タイマーでスロットリング。

11. 命令概要

Opcode	意味	備考
`00E0`	画面クリア	–
`1NNN`	NNNへジャンプ	–
`2NNN`	サブルーチン呼び出し	–
`3XNN`	VX == NN のときスキップ	–
`4XNN`	VX != NN のときスキップ	–
`5XY0`	VX == VY のときスキップ	–
`6XNN`	VX = NN	–
`7XNN`	VX += NN（キャリー無し）	–
`8XY0`	VX = VY	–
`8XY1`	OR	–
`8XY2`	AND	–
`8XY3`	XOR	–
`8XY4`	VX += VY（キャリーは VF）	–
`8XY5`	VX -= VY（借用は VF）	–
`8XY6`	SHR VX（クワーク：VY を使うことがある）	–
`8XY7`	VY -= VX（借用は VF）	–
`8XYE`	SHL VX（クワーク：VY を使うことがある）	–
`9XY0`	VX != VY のときスキップ	–
`ANNN`	I = NNN	–
`BNNN`	JP V0 + NNN（クワーク：VX を使うことがある）	–
`CXNN`	ランダム & NN → VX	–
`DXYN`	(VX,VY) でスプライト描画、I から N バイト読み取り	–
`EX9E`	キー VX が押されているときスキップ	–
`EXA1`	キー VX が押されていないときスキップ	–
`FX07`	VX = ディレイタイマー	–
`FX0A`	キー入力待ち → VX に格納	–
`FX15`	ディレイタイマー = VX	–
`FX18`	サウンドタイマー = VX	–
`FX1E`	I += VX（クワーク：VF を設定することがある）	–
`FX29`	I = VX の数字に対応するスプライト位置	–
`FX33`	BCD 変換 → [I],[I+1],[I+2]	–
`FX55`	V0–VX をメモリへ書き込み（クワーク：I が増分されることがある）	–
`FX65`	メモリから V0–VX を読み込む（クワーク：I が増分されることがある）	–

クワーク

「モダン」モード（FX55/65 で I 増分なし、8XY6/E で VY 無視など）を実装し、切り替え可能にする。

12. デバッグツール

ステップ実行 – ループを一時停止して現在のオペコードを表示。
レジスタ／メモリダンプ – V レジスタ、I、PC、スタックを出力。
未知オペコードでエラー – データとしての誤解読を検出。
ロギング – オプションで詳細ログ。

13. テスト

テスト用途

テスト	用途
IBM Logo（ `00E0` , `1NNN` , `6XNN` , `7XNN` , `ANNN` , `DXYN` のみ使用）	基本描画・レジスタ動作確認。
BC_test / corax89’s test ROM	全命令網羅、特に曖昧なケースの検証。

IBM Logo（

00E0

1NNN

6XNN

7XNN

ANNN

DXYN

のみ使用）

基本描画・レジスタ動作確認。

BC_test / corax89’s test ROM 全命令網羅、特に曖昧なケースの検証。

各実装マイルストーン後に実行。

14. 次のステップ（オプション拡張）

SUPER‑CHIP – 解像度倍増、スクロール、大きいスプライト。
XO‑CHIP – 4 色表示、音声、64 KB メモリ。
デバッグインターフェース – シリアルコンソール、Web UI、ゲーム内デバッガ。
ネットワークプレイ – Telnet サーバーや SSH エミュレータ。
Web Assembly – ブラウザで CHIP‑8 を動かす。

15. 結論

これで CHIP‑8 インタープリターを構築するためのアーキテクチャ、コンポーネント、命令セットが揃いました。まずはコアループを実装し、IBM ロゴを動かしてみてください。その後、段階的に拡張しながらテストを繰り返すことで、機能的で安定したエミュレーターへと育て上げましょう。ハッキングを楽しんでください！