【知乎用戶的回答(120票)】:

話題太大，不喜打字，簡單說點(diǎn)

要寫一個(gè)硬件模擬器，首先你得有那個(gè)硬件（逃，當(dāng)然，這么說其實(shí)沒啥意義，有一個(gè)spec就可以了，當(dāng)然也有只有硬件，幾乎或者根本沒有spec的時(shí)候。

一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要有這么幾塊要模擬：CPU，memory，IO，stor，gfx。

首先是CPU，看手冊(cè)，把CPU的各種模式，GPR，MSR等等都搞明白，每一條指令都模擬下來，中斷處理寫好，基本就能用了，MMU也別忘了，TLB一般可以省掉。CPU一般都是可以得到手冊(cè)的，所以寫這個(gè)模擬只是一個(gè)體力活。

然后是Memory，這個(gè)一般就是new一塊內(nèi)存，或者硬編碼一個(gè)數(shù)組（你應(yīng)該祈禱被模擬的硬件內(nèi)存不要太大，或者說memoryspace不要太大，否則處理起來很麻煩）。

IO模擬花樣繁多，這里就不細(xì)說了，舉個(gè)例子，有的游戲機(jī)是用mail slot reg來執(zhí)行IO的，這時(shí)候你的代碼只要在寫這個(gè)reg的時(shí)候，讀reg的值就知道該做什么了。當(dāng)然這里花樣多于是情況就要復(fù)雜得多，比如真實(shí)的硬件是需要時(shí)間才對(duì)的，你模擬一個(gè)光驅(qū)，如果沒模擬延遲，有時(shí)候就會(huì)一塌糊涂。

stor一般都屬于IO，如果要提高模擬的速度，就要特殊處理，這里不細(xì)表了。

gfx模擬比較有技巧，一種是完全比著spec自己擼一個(gè)gfx管線，這樣的效果就是模擬很精確，代價(jià)就是慢，無以倫比的慢。另一種就是做一個(gè)到現(xiàn)代API的map，比如把gfx指令翻譯成opengl，運(yùn)氣好的話，比如你要在pc做一個(gè)gles的模擬，那可就簡單多了。

ok，上面都是入門，下面說一點(diǎn)hardcore的

首先，沒有spec怎么辦。總所周知模擬游戲機(jī)，游戲機(jī)是不可能給你詳細(xì)的spec的，這就要用各種逆向的方法，首先你可以用搜索引擎找廠商的專利，這里面會(huì)有一些硬件spec的蛛絲馬跡。其次找SDK，SDK里面的手冊(cè)起碼會(huì)把執(zhí)行環(huán)境介紹一下。

然后就是最hardcore的工作了，最暴力的方法是用LA，也就是邏輯分析儀接到游戲機(jī)的或者什么玩意的pcb上，前提是你能找到你要的總線，或者猜測，然后分析各種信號(hào)時(shí)序，這樣很多外設(shè)的連接方式和總線協(xié)議就知道了，可以著手開始這類設(shè)備的模擬了。

其次是逆向SDK，把里面的lib之類的用IDA之類的反匯編，看看官方是怎么在最底層和硬件通信的，這個(gè)工作量相當(dāng)大，而且有時(shí)候靜態(tài)是看不出太多信息的，不過總比什么都沒有強(qiáng)。

再其次是用SDK寫一些spy code，在真實(shí)硬件上run，試一下reg的功能之類的，這需要極大的耐心。以上就是硬件逆向的基本工作，當(dāng)然還有別的懶得寫了。

還有最后一個(gè)，就是模擬的速度，上面說的一切都是暴力模擬，每一條cpu指令，每一個(gè)硬件功能都要用很多行c代碼，老慢了，慢到什么程度？可能只有真實(shí)硬件的幾十分之一甚至萬分之一。

這種情況就需要用一些高級(jí)的技巧，比如HLE，HLE就是high level emu，簡單的說有這么幾種：

函數(shù)級(jí)HLE，比如著名的N64模擬器Ultra64，做到了SDK級(jí)函數(shù)識(shí)別，模擬的時(shí)候遇到crt會(huì)用自己的函數(shù)換掉，這樣就飛快。硬件級(jí)HLE，比如模擬BIOS，你別管BIOS里面怎么工作的，你把BIOS的接口實(shí)現(xiàn)出來就行了，光驅(qū)神馬的同理。

另外一個(gè)最著名的就是處理器的JIT了，也就是把異質(zhì)架構(gòu)的處理器指令流翻譯成本地指令流執(zhí)行，可能會(huì)快10到幾百倍，這個(gè)過程比較復(fù)雜，說起來夠?qū)懸槐緯?，這里不廢話了，以后有機(jī)會(huì)再說。

【陳俊直的回答(3票)】:

看到“Arduino”，估計(jì)題主是不想做硬件而直接用計(jì)算機(jī)仿真一個(gè)硬件系統(tǒng)出來，然后寫軟件程序？

而我們做EE的在沒有硬件的情況下，會(huì)使用Protues、Multisim等專業(yè)的EDA仿真軟件來測試調(diào)試電路和MCU程序。如：

不過我現(xiàn)在已經(jīng)很少用仿真軟件了，都是直接焊實(shí)際電路。以前用過的軟件好像都沒有ARM系列的芯片，不知現(xiàn)在的新版是否有。

【XiangLian的回答(1票)】:

因?yàn)槟M有不同抽象層次之分，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度也有天壤之別。

行為級(jí)的模擬抽象層次比較高，實(shí)現(xiàn)起來簡單，只要黑箱模型實(shí)現(xiàn)即可。

函數(shù)級(jí)的模擬就要進(jìn)—步，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的內(nèi)部子流程。

硬件級(jí)的模擬更需要了解信號(hào)傳播的時(shí)間特性。

具體來說，如果要實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)，只到函數(shù)級(jí)，把虛擬機(jī)讀入的每條指令以函數(shù)形式實(shí)現(xiàn)即可；如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中處理器的時(shí)序模擬，最笨的辦法是把處理器內(nèi)每個(gè)子部件的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間特性都模擬出來;往往也可以簡化到函數(shù)級(jí)，只要把每條機(jī)器指令的執(zhí)行時(shí)間和數(shù)據(jù)在內(nèi)外總線的傳遞時(shí)間模擬出來就足夠了。

【書旭Lee的回答(1票)】:

首先硬件模擬器按照精確度來說分為以下幾類：

1. 功能級(jí)模擬器，這個(gè)應(yīng)該是題主所說的硬件模擬器。

此類模擬器實(shí)現(xiàn)硬件的功能，能夠像真實(shí)硬件一樣運(yùn)行上層的軟件。例如在PC上開發(fā)安卓就需要arm的模擬器，在x86上運(yùn)行arm程序，當(dāng)前安卓模擬器是基于開源模擬器QEMU實(shí)現(xiàn)的。

2. 時(shí)序精確級(jí)模擬器，此類模擬器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬件的功能，還能夠模擬硬件內(nèi)部的時(shí)序。在進(jìn)行芯片和SOC架構(gòu)探索的時(shí)候需要用到此類模擬器，用于評(píng)估、分析硬件架構(gòu)的性能。設(shè)計(jì)階段之所需使用模擬器是因?yàn)橐环矫嫘酒牧髌芷诤荛L、成本高昂（百萬級(jí)），

另一方面在真實(shí)芯片上缺少調(diào)測定位的手段。

猜測題主所說的模擬器應(yīng)該指的是功能級(jí)模擬器，這里對(duì)功能機(jī)模擬器做大概的介紹：

實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能機(jī)模擬器主要包含以下幾大塊：

1.處理器模擬

模擬處理器其實(shí)主要做的就是使用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的指令。處理器的模擬其實(shí)跟芯片內(nèi)部的大概流程很類似。以ARM的模擬器為例，經(jīng)過ARM的編譯器編譯出來一個(gè)ARM程序，需要在我們的模擬器上運(yùn)行：

首先要按照ARM可執(zhí)行程序的格式（linux下同意為ELF格式文件）解析可執(zhí)行文件-->從ELF文件中讀取指令-->按照ARM的指令集說明對(duì)讀取的二進(jìn)制指令進(jìn)行解碼-->執(zhí)行解析出的指令-->獲取下一條指令-->循環(huán)

這里的主要工作就是要對(duì)ARM的每條指令進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，例如add加法指令、load/store內(nèi)存操作指令、乘法指令等。。。

2.內(nèi)存模擬

處理器運(yùn)行時(shí)需要不停對(duì)外部IO進(jìn)行操作，最多就是load/store仿寸，我們必須模擬處理器的內(nèi)存。對(duì)于功能機(jī)仿真器來說只需要malloc一塊內(nèi)存，映射給處理器即可。當(dāng)然，如果硬件設(shè)計(jì)有MMU時(shí)還需要對(duì)實(shí)現(xiàn)MMU功能。Cache一般不需要進(jìn)行模擬。

3. 外設(shè)模擬

如果要整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來，還需要對(duì)外設(shè)進(jìn)行模擬，例如ARM程序用到了DMA，那么我們就需要對(duì)DMA部件進(jìn)行模擬，硬件規(guī)格會(huì)定義出DMA寄存器的行為，我們需要對(duì)這些行為進(jìn)行模擬。

4. 總線的模擬

OK，假設(shè)處理器，內(nèi)存，外設(shè)我們都模擬好了，接下來我們還需要將這些部件進(jìn)行互聯(lián)。系統(tǒng)會(huì)對(duì)每個(gè)部件在系統(tǒng)中的地址進(jìn)行定義，我們需要正確的進(jìn)行地址映射，如此一個(gè)store指令我們才能根據(jù)地址說這條指令是訪問了內(nèi)存還是DMA。

其次需要對(duì)中斷進(jìn)行互聯(lián)，例如DMA完成了，需要通過中斷告訴CPU，我們就需要通過句柄等是DMA能夠更新CPU的狀態(tài)（中斷寄存器）。

此時(shí)，我們純手工版的模擬器就OK了，開發(fā)工作兩肯定不小。

未完待續(xù)。。。

【徐釀泉的回答(0票)】:

去看看半加器，擼一個(gè)出來。

【cinwell的回答(0票)】:

第一步也是最最重要的一步應(yīng)該是對(duì)模擬對(duì)象有徹底的了解，完全清楚實(shí)際邏輯流程。其次，需要用事件驅(qū)動(dòng)來模擬實(shí)際流程。然后，需要對(duì)模擬器進(jìn)行反復(fù)的validation。再之后，就是各種bug的修改，版本的改進(jìn)了。精確又易用的模擬器實(shí)現(xiàn)真不是容易的事，知名的cpu模擬器像marssx86，gem5都是很多研究組/公司經(jīng)過幾代積累完成的，內(nèi)存模擬器DRAMSim看起來要比CPU簡單的多，但依然耗費(fèi)了20 student-year。

【SuperNG6的回答(0票)】:

現(xiàn)在網(wǎng)上流傳的PS3是不是也是假的，模擬CELL難度應(yīng)該非常的大

【TaterLi的回答(0票)】:

EDA級(jí)別仿真很多,真要寫仿真器估計(jì)挺難.

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