遊戲機模擬器的具體原理是什麼？

3DS的citra，PSP的ppsspp，Wii的dolphin，Wii U的cemu等。這些模擬器的運作原理是什麼？能夠系統的描述一下嗎？

「遊戲機模擬器」 注重的是 「嚴格模擬硬體」，要精確，可以對照 MAME代碼，所有問題都能在裡面找到對應答案：

1. 模擬 CPU：

MAME里實現了各種 68000， z80，mips, sparc, arm，pic16c5x，nec, alpha，等 100 多款你見過的或者沒見過的主從協處理器的模擬，雖然都是 switch case opcode，但是不像 lua虛擬機。MAME的 CPU模擬重點在 「精確實現硬體」，除了指令集實現外，還有各種軟硬終端/trap/異常處理/IO實現。舉個簡單例子，一個遊戲主機需要 4MHz 的 z80晶元，你就得給我真的按照 4Mhz來跑，每條指令計算周期，不能多也不能少，你要把 4Mhz跑成 8Mhz，遊戲玩起來節奏就不一樣了。比如以前老遊戲機上敵人一多，就會慢下來，你實現模擬器，也得把這種慢下來給實現了。另外很多街機是雙處理器，比如一塊 68000 + z80，你不能復原老主機的運行速度，一些寫的粗糙的遊戲 ROM可能會出錯。

模擬 CPU重點是 「精細」，比如浮點數誤差最好一致，比如中斷優先順序你得模擬出來，模擬器由於按照 interval 來運行，更容易產生同時多個硬體中斷被觸發，比如 「手柄按鍵」 ，多核通信之類各種東西加在一起，某個核滿負荷運行的情況下，優先順序低的可能永遠得不到處理，弄錯了可能遊戲就沒法玩了。

2. 模擬匯流排：

匯流排也有好多規格需要實現，不同基板的匯流排鏈接不同cpu 和外設的方式都不一樣，還是需要 「精確模擬」，比如 ROM /RAM / IO 地址映射，一些大容量遊戲需要 ROM 的 BANK 切換，還有一些遊戲會在卡帶上帶有擴展內存，除此之外還要正確模擬各種異常，比如某些 RAM，讀寫奇數地址會出錯，要給對應 CPU發送異常信號，某些老點的 RAM只能讀寫 16bit的 WORD，不能讀寫 DWORD或者 BYTE，否則都無效。這些你都得模擬到位了，有些有 BUG的遊戲，錯誤的寫了內存，在真實主機上，寫操作直接被硬體忽略掉了，沒有損傷，但軟體模擬不注意執行了那條指令結果就不一致了。

3. 外設模擬：

音頻晶元，I/O，圖形加速晶元，隨機數發生器，音視頻輸出，搖桿，時鐘等。有些外設是有bug的，你也要把這些歷史上的硬體bug給模擬進去，不然遊戲可能行為不一致。

4. 調試系統：

提供終端和介面可以內存 DUMP，反彙編，修改指令和數據，保存現場之類的。

有史以來出現過的遊戲機硬體數不勝數，但是他們用到的晶元或者硬體是有限的，比如z80和 68000這類流行的晶元，具體每台主機其實就是一份配置文件，包含使用那種匯流排，哪些cpu，分別按照什麼速度來運行，內存I/O布局，關聯哪些外設，BIOS和啟動載入等信息。

總之是個辛苦活，你需要一本硬體手冊，然後邊查邊弄。

如果你嫌 MAME太複雜龐大，再推薦一個 gens 的代碼，只針對世嘉16位機的 Windows實現，條理很清晰，很多比世嘉簡單的 FC模擬器寫的都沒有 gens那麼結構清晰，簡單易讀。它就不像MAME那麼大而全，很多步驟實現的很直接不需要配置那麼多，代碼量也不大。

現在新進的模擬器很多，沒機會逐一查看他們的實現細節，只記得有幾款比較新的模擬器都是直接裁剪 MAME的部分代碼來弄的，因為 MAME裡面幾乎實現了所有遊戲能用的晶元了，拿出來改改參數加點指令集就可以用，比如 MAME裡面模擬了 mips，我們裁剪出來實現 PSP模擬器，個別指令有些區別需要改一下，然後我們著重自己實現 PSP裡面 MAME沒有的硬體部分。

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不知題主對計算機系統了解程度如何，我就簡單說一下。一般我們使用的計算機是這樣，操作系統運行在計算機硬體基礎上，為應用程序抽象了一些功能介面，然後我們使用應用程序進行工作或娛樂。

---應用程序---
---操作系統---
---計算機硬體---

遊戲機模擬器是一個應用程序，運行在操作系統之上，而這個程序能夠載入運行相應的遊戲程序。就變成了：

----------------
---應用程序---
---操作系統---（如果有的話）
---模擬硬體---
----------------
---操作系統---
---計算機硬體---

其中應用程序、操作系統都是軟體，和真正遊戲機上運行的沒有區別。關鍵之處就在於模擬器用代碼實現了硬體的功能。

比如內存，功能是存儲代碼與數據，就可以簡單在程序里申請一個相應大小的全局數組，把要運行的二進位代碼載入這個數組裡，寄存器類似。

再比如CPU，功能是取指，解碼，執行。我們就可以在上面這個內存數組裡取出PC指針指向的一個位元組二進位代碼（opcode），分析它後執行相應的操作(內存里某個地址的值加一、PC指針跳轉到內存的某處等等)。

……

如果有興趣，可以去完成南京大的這個大作業，會知道很多細節上的東西。

如何閱讀《深入理解計算機系統》這本書？ - 回答作者: YangminZ http://zhihu.com/question/20402534/answer/124344760