267. CPU.step() возвращает такты

Заставить CPU.step() возвращать базовые такты инструкции.

Урок 267 из 356 · tests/chapter_04_ppu_timing_and_vblank/test_267_cpu_step_returns_cycles.py

Справочник

https://www.nesdev.org/wiki/Visual6502wiki/6502_all_256_Opcodes

Файлы для обновления

emulator/cpu/cpu.py

Зачем нужен этот шаг

В эмуляторе теперь есть отдельная таблица OPCODE_CYCLES. Следующий элемент синхронизации — возвращение CPU.step() базового числа тактов выполненного им опкода.

Это готовит будущий вид Console.step():

cpu_cycles = cpu.step()
ppu.step(cpu_cycles * 3)
console.consume_nmi_if_requested()

Что такое базовое число тактов инструкции? Базовое число тактов инструкции — это обычное число тактов CPU, которое занимает опкод до добавления динамических штрафов.

Минимальные примеры

NOP implied      opcode $EA -> 2 cycles
LDA immediate   opcode $A9 -> 2 cycles
JSR absolute    opcode $20 -> 6 cycles

Распространённое заблуждение

Такты — не то же самое, что считанные байты. JSR занимает 3 байта, но требует 6 тактов. Не считайте такты внутри fetch_byte().

Пример предлагаемой реализации

from emulator.cpu.opcodes import OPCODE_CYCLES, OPCODE_TABLE


class CPU:
    ...

    def step(self) -> int:
        opcode = self.fetch_byte()
        handler = OPCODE_TABLE.get(opcode)
        if handler is None:
            raise NotImplementedError(f"Opcode {opcode:02X} not implemented")

        handler(self)
        return OPCODE_CYCLES[opcode]

Почему это позволяет избежать большого рефакторинга

OPCODE_TABLE остаётся существующим отображением опкод -> обработчик. OPCODE_CYCLES — параллельная таблица метаданных. Старые тесты поведения инструкций должны продолжать проходить, потому что CPU.step() по-прежнему выполняет тот же обработчик.

Важное ограничение

Здесь возвращаются только базовые такты. Динамическая синхронизация намеренно выходит за рамки:

branch taken penalties
branch page-cross penalties
indexed load page-cross penalties

Они должны быть смоделированы позже отдельным шагом.

Выходит за рамки

переделка OPCODE_TABLE в записи dataclasses
добавление тактов в fetch_byte()
Console.step()
продвижение PPU на такты CPU * 3
динамические дополнительные такты

Запустить этот урок

uv run pytest tests/chapter_04_ppu_timing_and_vblank/test_267_cpu_step_returns_cycles.py -v

from emulator.cpu.opcodes import OPCODE_CYCLES, OPCODE_TABLE class CPU: ... def step(self) -> int: opcode = self.fetch_byte() handler = OPCODE_TABLE.get(opcode) if handler is None: raise NotImplementedError(f"Opcode {opcode:02X} not implemented") handler(self) return OPCODE_CYCLES[opcode]

import pytest from emulator.cpu.opcodes import OPCODE_CYCLES from tests.helpers import load_program, make_cpu_with_rom def test_cpu_step_returns_nop_base_cycles(): """ Objective: CPU.step() returns the base cycle count for the opcode it executes. Example: NOP implied is opcode $EA and takes 2 CPU cycles. """ cpu, _bus, rom = make_cpu_with_rom() load_program(rom, 0x8000, [0xEA]) cpu.pc = 0x8000 cycles = cpu.step() assert cycles == 2 assert cycles == OPCODE_CYCLES[0xEA] assert cpu.pc == 0x8001 def test_cpu_step_returns_cycles_and_still_executes_instruction_behavior(): """ Objective: Returning cycles must not replace instruction behavior. The opcode handler still runs exactly as before. Example: LDA #$42 is opcode sequence $A9 $42. It loads A with $42 and returns 2 cycles. """ cpu, _bus, rom = make_cpu_with_rom() load_program(rom, 0x8000, [0xA9, 0x42]) cpu.pc = 0x8000 cycles = cpu.step() assert cycles == 2 assert cycles == OPCODE_CYCLES[0xA9] assert cpu.a == 0x42 assert cpu.pc == 0x8002 def test_cpu_step_returns_different_cycles_for_different_opcodes(): """ Objective: CPU.step() should return opcode-specific timing, not a constant value. Example: JSR absolute is opcode $20 and takes 6 CPU cycles. """ cpu, _bus, rom = make_cpu_with_rom() load_program(rom, 0x8000, [0x20, 0x00, 0x90]) cpu.pc = 0x8000 cpu.s = 0xFD cycles = cpu.step() assert cycles == 6 assert cycles == OPCODE_CYCLES[0x20] assert cpu.pc == 0x9000 def test_cpu_step_still_raises_for_unknown_opcode(): """ Objective: Adding cycle returns must not make unsupported opcodes silently executable. Example: $02 is not implemented in the current OPCODE_TABLE. It should still raise NotImplementedError instead of returning OPCODE_CYCLES[$02]. """ cpu, _bus, rom = make_cpu_with_rom() load_program(rom, 0x8000, [0x02]) cpu.pc = 0x8000 with pytest.raises(NotImplementedError, match="Opcode 02 not implemented"): cpu.step() def test_cpu_step_does_not_use_fetch_count_as_cycle_count(): """ Objective: Guard the mental model: cycles come from opcode metadata, not from how many bytes were fetched. Example: JSR absolute fetches 3 instruction bytes but takes 6 CPU cycles. """ cpu, _bus, rom = make_cpu_with_rom() load_program(rom, 0x8000, [0x20, 0x00, 0x90]) cpu.pc = 0x8000 cpu.s = 0xFD cycles = cpu.step() assert cpu.pc == 0x9000 assert cycles == 6 assert cycles != 3