PHPで学ぶコンピュータアーキテクチャ

by HASEGAWA Tomoki

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PHPで学ぶコンピュータアーキテクチャ Learning: computer architecture with PHP 長谷川智希 HASEGAWA Tomoki

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今日のテーマ Learning: computer architecture with PHP PHPで学ぶコンピュータアーキテクチャ Today’s theme

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding.

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding.

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding. クールなライブラリやフレームワーク Cool libraries / frameworks.

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding. クールなライブラリやフレームワーク Cool libraries / frameworks.

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding. クールなライブラリやフレームワーク Cool libraries / frameworks. PHPをそんな風に使うのか！という驚き Exciting PHP usage.

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今風のカッコいいPHPの書き方 Modern style PHP coding. クールなライブラリやフレームワーク Cool libraries / frameworks. PHPをそんな風に使うのか！という驚き Exciting PHP usage. ゲームボーイの仕様の知識 Knowledge of GAMEBOY specs.

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この資料は後ほど公開します This slide will be published later.

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ライフワーク: Web / iOSアプリ開発, ビール, IoT,  サッカー観戦, レンタルカートレース, … 長谷川智希 Web / iOS App Development, Beer, IoT, Watch soccer match, Rental Kart Racing, … デジタルサーカス株式会社副団長CTO Digital Circus, Inc. Vice-master CTO Tokyo, Japan Lifework: @tomzoh

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WE ARE HIRING!! Web Development Mobile App Development （）（iOS, Android) http://www.dgcircus.com Omotesando, Tokyo

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今日のテーマ Learning: computer architecture with PHP PHPで学ぶコンピュータアーキテクチャ Today’s theme

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今年2月23日 23, February

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terminal-gameboy-emulator

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#Z5SBOTGSPN+1&(WFSTJPOBOESFNPWFXIJUFCBDLHSPVOE0SJHJOBMCZ&WBO"NPT.FEJB(BNF#PZ'-KQH 1VCMJD%PNBJO IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE terminal-gameboy-emulator

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#Z5SBOTGSPN+1&(WFSTJPOBOESFNPWFXIJUFCBDLHSPVOE0SJHJOBMCZ&WBO"NPT.FEJB(BNF#PZ'-KQH 1VCMJD%PNBJO IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE terminal-gameboy-emulator

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terminal-gameboy-emulator

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エミュレータエミュレータとは、機械装置やコンピュータのハードウェア（PC、ゲーム機など）の構造を、別の装置やソフトウェアで模倣することで実現させたもの。 In computing, an emulator is hardware or software that enables one computer system to behave like another computer system. Emulator terminal-gameboy-emulator

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terminal-gameboy-emulator ??

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demo

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！?

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SUGOI

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EXCITING

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It’s

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We are er.

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WE CAN READ IT!!

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ゲームボーイのCPU CPU of GAMEBOY

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ゲームボーイのCPU CPU of GAMEBOY IUUQTFOXJLJQFEJBPSHXJLJ(BNF@#PZ

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ゲームボーイのCPU CPU of GAMEBOY IUUQTFOXJLJQFEJBPSHXJLJ(BNF@#PZ

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#Z%SJLOBQBMN౤ߘऀࣗ਎ʹΑΔ࡞඼ $$දࣔܧঝ IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE #Z$$3+1(NPSJLPVEFSJWBUJWFXPSL6CDVMF͜ͷϑΝΠϧͷ೿ੜݩ$$3+1( ύϒϦοΫɾυϝΠϯ IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE #Zʢ:LBUTV UBML ʣ:LBUTV UBML TpMF ύϒϦοΫɾυϝΠϯ IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE

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レジスタ Registers Instructions 命令 Memory access and I/O メモリアクセスとI/O

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命令 Instructions

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LR35902の命令セット Instruction set of LR35902 http://www.pastraiser.com/cpu/gameboy/gameboy_opcodes.html

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LR35902 CPUのプログラム Program of CPU LR35902 +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0 0200 42 E0 43 E0 A4 E0 41 E0 01 E0 02 EA 00 D0 EA 01 0210 D0 3E 80 E0 40 F0 44 FE 94 20 FA 3E 03 E0 40 3E 0220 E1 E0 47 E0 48 3E E5 E0 49 21 26 FF 3E 80 32 3E 0230 FF 32 36 77 21 06 FF 3E BF 22 3E 04 77 3E 01 EA 0240 00 20 31 FF CF AF 21 FF DF 06 00 32 05 20 FC 21 0250 FF CF 0E 10 06 00 32 05 20 FC 0D 20 F9 21 FF 9F 0260 0E 20 AF 06 00 32 05 20 FC 0D 20 F9 21 FF FE 06

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プログラムの実行 Program execution +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0

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プログラムの実行 Program execution +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0

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プログラムの実行 Program execution AF 21 DF FF 0E 10 06 00 32 05 +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0

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プログラムの実行 Program execution AF 21 DF FF 0E 10 06 00 32 05 XOR A LD HL, 0xFFDF LD C, 0x10 LD B, 0x00 LD (HL-), A DEC B +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0 AをAでXOR HLに0xﬀdfを入れる Cに0x10を入れる Bに0x00を入れる HLが指すアドレスにAの値を入れる Bを-1する Load 0xﬀdf into HL XOR A with A Load 0x10 into C Load 0x00 into B Load a value A has into memory address HL points at Decrement B

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レジスタ Registers

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SHARP LR35902 のレジスタ SHARP LR35902 registers ʜ ʜ " ' # $ ) - ʜ ʜ 41 4UBDL1PJOUFS 1$ 1SPHSBN$PVOUFS 8bit / 16bit registers 16bit registers Flag register ; / ) $ •Z - Zero Flag •N - Subtract Flag •H - Half Carry Flag •C - Carry Flag •0 - Not uses, always zero レジスタ: CPUが持つ、プログラム言語で言う変数 Registers: Variables in programing language.

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プログラムカウンタ Program Counter +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9 +A +B +C +D +E +F 01E0 01 E0 85 E1 D1 C1 F1 D9 AF 21 FF DF 0E 10 06 00 01F0 32 05 20 FC 0D 20 F9 3E 0D F3 E0 0F E0 FF AF E0 現在実行中の命令のアドレスを指す特殊なレジスタ。 A special register that contains the address of the instruction being executed now. PC

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LR35902 の命令 - LD LR35902 instructions - LD LD BC, 0x1234 BCレジスタに0x1234を入れる。 Load BC register with 0x1234. LD (BC), A BCレジスタの指し示すメモリアドレスにAレジスタの内容を入れる。 Load a value A register has into memory BC register points at.

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LR35902 の命令 - JP / CD LR35902 instructions - JP / CD JP 0x5678 0x5678番地にジャンプする。 Jump to location 0x5678. CALL 0x8181 スタックに現在のアドレスを入れて0x8181番地にジャンプする。 Push current address to stack pointer, then jump to 0x8181. RET スタック先頭のアドレスにジャンプする。 Jump to the location of top of stack pointer.

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レジスタ Registers Instructions 命令 Memory access and I/O メモリアクセスとI/O

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メモリアクセスとI/O Memory access and I/O

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ゲームボーイのハードウェアコンポネント CPU I/O Keys Sound Video Display Com Port Memory • RAM • Game   Cartridge • Video RAM Hardware components of GAMEBOY

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GAMEBOYのメモリマップ Memory map of GAMEBOY $FFFF Interrupt Enable Flag I/O $FF80-$FFFE Zero Page - 127 bytes RAM $FF00-$FF7F Hardware I/O Registers I/O $FEA0-$FEFF Unusable Memory $FE00-$FE9F OAM - Object Attribute Memory Video RAM $E000-$FDFF Echo RAM - Reserved, Do Not Use $D000-$DFFF Internal RAM - Bank 1-7 (switchable - CGB only) RAM $C000-$CFFF Internal RAM - Bank 0 (ﬁxed) $A000-$BFFF Cartridge RAM (If Available) Cartridge $9C00-$9FFF BG Map Data 2 Video RAM $9800-$9BFF BG Map Data 1 $8000-$97FF Character RAM $4000-$7FFF Cartridge ROM - Switchable Banks 1-xx Cartridge $0150-$3FFF Cartridge ROM - Bank 0 (ﬁxed) $0100-$014F Cartridge Header Area $0000-$00FF Restart and Interrupt Vectors ROM IUUQXXXIVDLpOHBNFTDPN QJE #Z5SBOTGSPN+1&(WFSTJPOBOESFNPWFXIJUFCBDLHSPVOE0SJHJOBMCZ&WBO"NPT.FEJB(BNF#PZ'-KQH 1VCMJD%PNBJO IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE

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エミュレータのCPU命令実装 CPU instructions implementation of emulator

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CPU実装のソースファイル Source ﬁle of CPU implementation

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CPU実装のソースファイル Source ﬁle of CPU implementation

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class Opcode { public static function run(Core $core, $address) { $function = 'opcode'.$address; return Opcode::$function($core); } public static function opcode0(Core $core) { // Do Nothing... } public static function opcode1(Core $core) { $core->registerC = $core->memoryRead($core->programCounter); $core->registerB = $core->memoryRead(($core->programCounter + 1) & 0xFFFF); $core->programCounter = ($core->programCounter + 2) & 0xFFFF; } Opcodeの実装 Implementation of opcodes

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LD BC, 0x1234 BCレジスタに0x1234を入れる。 Load BC register with 0x1234.

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public static function opcode1(Core $core) { $core->registerC =  $core->memoryRead($core->programCounter); $core->registerB =   $core->memoryRead(($core->programCounter + 1) & 0xFFFF); $core->programCounter =   ($core->programCounter + 2) & 0xFFFF; } LC BC, nn の実装 Implementation of LD BC, nn PC PC + 1 0x01 0x01 0x03 LD BC, nn 0x0301 Data Address

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QUIZ

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$core->memoryRead($core->programCounter); // //Main RAM, MBC RAM, GBC Main RAM, VRAM, etc. // //Main Core Memory public $memory = []; Core.php

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$core->memoryRead($core->programCounter); // //Main RAM, MBC RAM, GBC Main RAM, VRAM, etc. // //Main Core Memory public $memory = []; Core.php メインメモリは配列になっている。 Main memory is deﬁned as array.  なぜ $core->memory[$core->programCounter] ではない？ Q Why not $core->memory[$core->programCounter] ?

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エミュレータのI/O実装 I/O implementations of emulator

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ゲームボーイのハードウェアコンポネント CPU I/O Keys Sound Video Display Com Port Memory • RAM • Game   Cartridge • Video RAM Hardware components of GAMEBOY

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ゲームボーイのハードウェアコンポネント CPU I/O Keys Sound Video Display Com Port Memory • RAM • Game   Cartridge • Video RAM Hardware components of GAMEBOY CPUはキーにI/O経由でアクセスする CPU accesses keys through the I/O

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実行のメインループ $keyboard = new Keyboard($core); while (true) { $core->run(); $keyboard->check(); } boot.php Main loop of excution

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実行のメインループ $keyboard = new Keyboard($core); while (true) { $core->run(); $keyboard->check(); } boot.php メインループ Main loop.  Main loop of excution

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キー状態の取得 public function __construct(Core $core) { $this->core = $core; exec('stty -icanon -echo'); $this->file = fopen('php://stdin', 'r'); stream_set_blocking($this->file, false); } public function check() { $key = fread($this->file, 1); if (!empty($key)) { $this->keyDown($key); } elseif (!empty($this->keyPressing)) { $this->keyUp($this->keyPressing); } $this->keyPressing = $key; } Get key status

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I/O 読み込み public function memoryRead($address) { if ($address < 0x4000) { } elseif ($address >= 0xFF00) { switch ($address) { case 0xFF00: return 0xC0 | $this->memory[0xFF00]; break; I/O read

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I/O 書き込み I/O write 7 6 5 4 3 2 1 0 - - P15 out P14 out P13 in P12 in P11 in P10 in - - 0 1 A B Select Start - - 1 0 → ← ↑ ↓ I/O port 0xFF00

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public function memoryWrite($address, $data) { if ($address < 0x8000) { //I/O Registers (GB + GBC): } elseif ($address == 0xFF00) { $this->memory[0xFF00] = ($data & 0x30) | (((($data & 0x20) == 0) ? ($this->JoyPad >> 4) : 0xF) & ((($data & 0x10) == 0) ? ($this->JoyPad & 0xF) : 0xF)); } elseif ($address == 0xFF02) { I/O 書き込み I/O write 7 6 5 4 3 2 1 0 - - P15 out P14 out P13 in P12 in P11 in P10 in - - 0 1 A B Select Start - - 1 0 → ← ↑ ↓ I/O port 0xFF00

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結論 Conclusion

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エミュレータのソースを読むのは楽しい

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Webアプリとも  フレームワークともフロントエンドの非同期アプリとも  違う感じのコード群

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ハードウェアの動作をソフトウェアで表現

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とても面白い

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皆さんも是非読んでみてください

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Thanks WE ARE HIRING Drupal / Mobile App Engineer  Digital Circus, Inc. Tokyo, Japan @tomzoh

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Appendix

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セットアップ How to run $ git clone https://github.com/gabrielrcouto/php- terminal-gameboy-emulator.git $ cd php-terminal-gameboy-emulator $ composer install -o $ bin/php-gameboy drmario.rom

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle ＿人人人人人人人＿＞　drmario.gb　＜￣Y^Y^Y^Y^Y^Y￣

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle

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ROMいずこ How to get ROM ﬁle $rom = base64_decode(file_get_contents($argv[1])); $rom = file_get_contents($filename);

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ボトルネックはどこか PHP5.5.30 OSX Native FPS: 4 PHP7.0.1 VirtualBox FPS: 14 We need more FPS

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エミュレータのビデオ実装 Video implementations of emulator

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タイルでの色表現ゲームボーイは4色出せるが1色&パターンで表現している。 GAMEBOY has 4 color display. PHP version uses only 1 color. Color using tile pattern

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Pentiumのアドレスバスとデータバス IUUQEPXOMPBEJOUFMDPNEFTJHOQFOUJVNEBUBTIUTQEG $$දࣔܧঝ IUUQTDPNNPOTXJLJNFEJBPSHXJOEFYQIQ DVSJE D0〜D63 A3〜A31 Data bus and address bus of Pentium

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ノイマン型コンピュータ http://e-words.jp/w/ノイマン型コンピュータ.html von Neumann architecture プログラムをデータとして記憶装置に格納し、  これを順番に読み込んで実行するコンピュータ。 "DPNQVUFSXIJDIIBTBNFNPSZBOE$165IJT$16DBOJOUFSQSFUUIF DPOUFOUTPGNFNPSZFJUIFSBTJOTUSVDUJPOTPSBTEBUBBDDPSEJOHUPUIF GFUDIFYFDVUFDZDMF http://www.dictionary.com/browse/von-neumann-architecture

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エンディアン Endian UTF-16のBOM = Byte Order Mark = ビッグエンディアンかリトルエンディアンか

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ストリームの非ブロックモード public function __construct(Core $core) { $this->core = $core; exec('stty -icanon -echo'); $this->file = fopen('php://stdin', 'r'); stream_set_blocking($this->file, false); } public function check() { $key = fread($this->file, 1); if (!empty($key)) { $this->keyDown($key); } elseif (!empty($this->keyPressing)) { $this->keyUp($this->keyPressing); } $this->keyPressing = $key; } Non-blocking mode on a stream

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リンク • http://marc.rawer.de/Gameboy/Docs/GBCPUman.pdf • https://en.wikipedia.org/wiki/Game_Boy • http://www.pastraiser.com/cpu/gameboy/gameboy_opcodes.html • http://gbdev.gg8.se/wiki/articles/The_Cartridge_Header • http://gameboy.mongenel.com/dmg/asmmemmap.html • http://www.z80.info/z80inst.txt Resources