add nes core system implementation with ppu 2c02 and apu 2a03
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@@ -0,0 +1,373 @@
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const std = @import("std");
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const contract = @import("contract");
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const _cpu = @import("cpu");
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const Bus = @import("bus.zig");
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const Cartridge = @import("cartridge.zig");
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const controller = @import("controller.zig");
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pub const Button = controller.Button;
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// Adjust this enum spelling to whatever your CPU package
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// currently exports for the Ricoh 2A03.
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const Cpu = _cpu.m6502.Cpu(
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Bus,
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.ricoh2a03,
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.cycle,
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);
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const Nes = @This();
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pub const spec = contract.SystemSpec{
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.name = "Nintendo Entertainment System",
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||||
.video_outputs = &.{
|
||||
.{
|
||||
.max_width = 256,
|
||||
.max_height = 240,
|
||||
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||||
.format = .rgb565,
|
||||
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||||
.aspect_ratio = .{
|
||||
.numerator = 4,
|
||||
.denominator = 3,
|
||||
},
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||||
.refresh_rate = .{
|
||||
.numerator = 60,
|
||||
.denominator = 1,
|
||||
},
|
||||
},
|
||||
},
|
||||
|
||||
.audio_outputs = &.{
|
||||
.{
|
||||
.sample_rate = 44_100,
|
||||
.channels = 1,
|
||||
.format = .i16,
|
||||
},
|
||||
},
|
||||
|
||||
.input_devices = &.{
|
||||
.{
|
||||
.button_count = 8,
|
||||
},
|
||||
.{
|
||||
.button_count = 8,
|
||||
},
|
||||
},
|
||||
|
||||
.storage_devices = &.{
|
||||
.{
|
||||
.name = "Battery PRG RAM",
|
||||
.min_size = 0,
|
||||
.max_size = 8192,
|
||||
.persistent = true,
|
||||
.removable = false,
|
||||
.writable = true,
|
||||
},
|
||||
},
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};
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bus: Bus = undefined,
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cpu: Cpu = undefined,
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/// Initialize in place.
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||||
///
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||||
/// `rom` must remain valid for the lifetime of this NES
|
||||
/// because Cartridge stores slices into it.
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pub fn init(
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||||
self: *Nes,
|
||||
rom: []const u8,
|
||||
) Cartridge.Error!void {
|
||||
self.bus =
|
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try Bus.init(rom);
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self.cpu =
|
||||
Cpu.init(&self.bus);
|
||||
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||||
self.reset();
|
||||
}
|
||||
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||||
pub fn reset(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
) void {
|
||||
self.bus.reset();
|
||||
self.cpu.reset();
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn step(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
) ?u8 {
|
||||
const cycles = self.cpu.step() orelse return null;
|
||||
self.serviceOamDma();
|
||||
return cycles;
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn runFrame(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
) void {
|
||||
self.bus.ppu.frame_ready = false;
|
||||
self.bus.apu.sample_count = 0;
|
||||
|
||||
while (!self.bus.ppu.frame_ready) {
|
||||
_ = self.step() orelse
|
||||
return;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub const conformance = @import("conformance.zig");
|
||||
|
||||
test {
|
||||
_ = conformance;
|
||||
}
|
||||
|
||||
comptime {
|
||||
contract.validateSystem(Nes);
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
pub fn videoFrame(
|
||||
self: *const Nes,
|
||||
output: usize,
|
||||
) contract.VideoFrame {
|
||||
std.debug.assert(output == 0);
|
||||
|
||||
return .{
|
||||
.data = std.mem.sliceAsBytes(
|
||||
self.bus.ppu.framebuffer[0..],
|
||||
),
|
||||
|
||||
.width = 256,
|
||||
.height = 240,
|
||||
|
||||
.pitch = 256 * @sizeOf(u16),
|
||||
|
||||
.format = .rgb565,
|
||||
|
||||
.frame_number = self.bus.ppu.frame_number,
|
||||
};
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn audioBuffer(
|
||||
self: *const Nes,
|
||||
output: usize,
|
||||
) contract.AudioBuffer {
|
||||
std.debug.assert(output == 0);
|
||||
|
||||
const samples = self.bus.apu.sample_buffer[0..self.bus.apu.sample_count];
|
||||
|
||||
return .{
|
||||
.data = std.mem.sliceAsBytes(samples),
|
||||
.frames = self.bus.apu.sample_count,
|
||||
|
||||
.sample_rate = 44_100,
|
||||
.channels = 1,
|
||||
.format = .i16,
|
||||
};
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn setInput(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
device: usize,
|
||||
input: contract.DeviceInput,
|
||||
) void {
|
||||
std.debug.assert(device < 2);
|
||||
|
||||
self.bus.controllers[device]
|
||||
.setButtons(
|
||||
@truncate(input.buttons),
|
||||
);
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn storageView(
|
||||
self: *const Nes,
|
||||
slot: usize,
|
||||
) contract.StorageView {
|
||||
std.debug.assert(slot == 0);
|
||||
return .{
|
||||
.data = &self.bus.cartridge.prg_ram,
|
||||
.generation = 1,
|
||||
};
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn loadStorage(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
slot: usize,
|
||||
data: []const u8,
|
||||
) contract.StorageLoadError!void {
|
||||
if (slot != 0) return error.InvalidSlot;
|
||||
if (data.len > self.bus.cartridge.prg_ram.len) return error.InvalidSize;
|
||||
@memcpy(self.bus.cartridge.prg_ram[0..data.len], data);
|
||||
}
|
||||
|
||||
fn serviceOamDma(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
) void {
|
||||
const page =
|
||||
self.bus.takeOamDmaPage() orelse return;
|
||||
|
||||
const odd_cycle =
|
||||
(self.cpu.cycles & 1) != 0;
|
||||
|
||||
// Mandatory DMA halt cycle.
|
||||
self.cpu.tick();
|
||||
|
||||
// Alignment cycle when necessary.
|
||||
if (odd_cycle)
|
||||
self.cpu.tick();
|
||||
|
||||
const base =
|
||||
@as(u16, page) << 8;
|
||||
|
||||
for (0..256) |i| {
|
||||
// DMA read cycle.
|
||||
const value =
|
||||
self.cpu.readCycle(
|
||||
base |
|
||||
@as(u16, @intCast(i)),
|
||||
);
|
||||
|
||||
// DMA write cycle.
|
||||
self.bus.ppu.writeOamDma(value);
|
||||
self.cpu.tick();
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn saveState(
|
||||
self: *const Nes,
|
||||
buffer: []u8,
|
||||
) error{BufferTooSmall}!usize {
|
||||
var offset: usize = 0;
|
||||
|
||||
if (buffer.len < 8) return error.BufferTooSmall;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..8], "6SOZNES1");
|
||||
offset += 8;
|
||||
|
||||
// CPU
|
||||
if (offset + 15 > buffer.len) return error.BufferTooSmall;
|
||||
std.mem.writeInt(u16, buffer[offset..][0..2], self.cpu.registers.pc, .little); offset += 2;
|
||||
buffer[offset] = self.cpu.registers.a; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.cpu.registers.x; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.cpu.registers.y; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.cpu.registers.sp; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = @bitCast(self.cpu.registers.status); offset += 1;
|
||||
std.mem.writeInt(u64, buffer[offset..][0..8], self.cpu.cycles, .little); offset += 8;
|
||||
|
||||
// Bus RAM & PRG RAM
|
||||
if (offset + self.bus.ram.len + self.bus.cartridge.prg_ram.len > buffer.len) return error.BufferTooSmall;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..self.bus.ram.len], &self.bus.ram); offset += self.bus.ram.len;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..self.bus.cartridge.prg_ram.len], &self.bus.cartridge.prg_ram); offset += self.bus.cartridge.prg_ram.len;
|
||||
|
||||
if (self.bus.cartridge.chr_is_ram) {
|
||||
if (offset + self.bus.cartridge.chr_ram.len > buffer.len) return error.BufferTooSmall;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..self.bus.cartridge.chr_ram.len], &self.bus.cartridge.chr_ram); offset += self.bus.cartridge.chr_ram.len;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// PPU State
|
||||
const ppu_size = 1 + 1 + 1 + 1 + 2 + 2 + 1 + 1 + 2 + 2 + 4096 + 32 + 256;
|
||||
if (offset + ppu_size > buffer.len) return error.BufferTooSmall;
|
||||
|
||||
buffer[offset] = self.bus.ppu.ctrl; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.bus.ppu.mask; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.bus.ppu.status; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = self.bus.ppu.oam_addr; offset += 1;
|
||||
std.mem.writeInt(u16, buffer[offset..][0..2], self.bus.ppu.vram_addr, .little); offset += 2;
|
||||
std.mem.writeInt(u16, buffer[offset..][0..2], self.bus.ppu.temp_addr, .little); offset += 2;
|
||||
buffer[offset] = self.bus.ppu.fine_x; offset += 1;
|
||||
buffer[offset] = if (self.bus.ppu.write_latch) 1 else 0; offset += 1;
|
||||
std.mem.writeInt(u16, buffer[offset..][0..2], self.bus.ppu.dot, .little); offset += 2;
|
||||
std.mem.writeInt(u16, buffer[offset..][0..2], self.bus.ppu.scanline, .little); offset += 2;
|
||||
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..4096], &self.bus.ppu.nametable); offset += 4096;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..32], &self.bus.ppu.palette); offset += 32;
|
||||
@memcpy(buffer[offset..][0..256], &self.bus.ppu.oam); offset += 256;
|
||||
|
||||
return offset;
|
||||
}
|
||||
|
||||
pub fn loadState(
|
||||
self: *Nes,
|
||||
buffer: []const u8,
|
||||
) error{ InvalidState, BufferTooShort }!void {
|
||||
var offset: usize = 0;
|
||||
|
||||
if (buffer.len < 8) return error.BufferTooShort;
|
||||
if (!std.mem.eql(u8, buffer[0..8], "6SOZNES1")) return error.InvalidState;
|
||||
offset += 8;
|
||||
|
||||
// CPU
|
||||
if (offset + 15 > buffer.len) return error.BufferTooShort;
|
||||
self.cpu.registers.pc = std.mem.readInt(u16, buffer[offset..][0..2], .little); offset += 2;
|
||||
self.cpu.registers.a = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.cpu.registers.x = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.cpu.registers.y = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.cpu.registers.sp = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.cpu.registers.status = @bitCast(buffer[offset]); offset += 1;
|
||||
self.cpu.cycles = std.mem.readInt(u64, buffer[offset..][0..8], .little); offset += 8;
|
||||
|
||||
// Bus RAM & PRG RAM
|
||||
if (offset + self.bus.ram.len + self.bus.cartridge.prg_ram.len > buffer.len) return error.BufferTooShort;
|
||||
@memcpy(&self.bus.ram, buffer[offset..][0..self.bus.ram.len]); offset += self.bus.ram.len;
|
||||
@memcpy(&self.bus.cartridge.prg_ram, buffer[offset..][0..self.bus.cartridge.prg_ram.len]); offset += self.bus.cartridge.prg_ram.len;
|
||||
|
||||
if (self.bus.cartridge.chr_is_ram) {
|
||||
if (offset + self.bus.cartridge.chr_ram.len > buffer.len) return error.BufferTooShort;
|
||||
@memcpy(&self.bus.cartridge.chr_ram, buffer[offset..][0..self.bus.cartridge.chr_ram.len]); offset += self.bus.cartridge.chr_ram.len;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// PPU State
|
||||
const ppu_size = 1 + 1 + 1 + 1 + 2 + 2 + 1 + 1 + 2 + 2 + 4096 + 32 + 256;
|
||||
if (offset + ppu_size > buffer.len) return error.BufferTooShort;
|
||||
|
||||
self.bus.ppu.ctrl = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.mask = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.status = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.oam_addr = buffer[offset]; offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.vram_addr = std.mem.readInt(u16, buffer[offset..][0..2], .little); offset += 2;
|
||||
self.bus.ppu.temp_addr = std.mem.readInt(u16, buffer[offset..][0..2], .little); offset += 2;
|
||||
self.bus.ppu.fine_x = @truncate(buffer[offset]); offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.write_latch = buffer[offset] != 0; offset += 1;
|
||||
self.bus.ppu.dot = std.mem.readInt(u16, buffer[offset..][0..2], .little); offset += 2;
|
||||
self.bus.ppu.scanline = std.mem.readInt(u16, buffer[offset..][0..2], .little); offset += 2;
|
||||
|
||||
@memcpy(&self.bus.ppu.nametable, buffer[offset..][0..4096]); offset += 4096;
|
||||
@memcpy(&self.bus.ppu.palette, buffer[offset..][0..32]); offset += 32;
|
||||
@memcpy(&self.bus.ppu.oam, buffer[offset..][0..256]); offset += 256;
|
||||
}
|
||||
|
||||
test "NES System - Save State Serialization Roundtrip" {
|
||||
// Construct dummy iNES NROM header + 16K PRG + 8K CHR
|
||||
var rom: [16 + 0x4000 + 0x2000]u8 = [_]u8{0} ** (16 + 0x4000 + 0x2000);
|
||||
@memcpy(rom[0..4], "NES\x1a");
|
||||
rom[4] = 1; // 16K PRG
|
||||
rom[5] = 1; // 8K CHR
|
||||
|
||||
var nes: Nes = undefined;
|
||||
try nes.init(&rom);
|
||||
|
||||
// Mutate state
|
||||
nes.cpu.registers.pc = 0x1234;
|
||||
nes.cpu.registers.a = 0x42;
|
||||
nes.bus.ram[0x05] = 0xAA;
|
||||
nes.bus.ppu.vram_addr = 0x2050;
|
||||
|
||||
var save_buf: [32768]u8 = undefined;
|
||||
const bytes_written = try nes.saveState(&save_buf);
|
||||
|
||||
// Reset nes
|
||||
nes.reset();
|
||||
try std.testing.expect(nes.cpu.registers.pc != 0x1234);
|
||||
|
||||
// Load state
|
||||
try nes.loadState(save_buf[0..bytes_written]);
|
||||
try std.testing.expectEqual(@as(u16, 0x1234), nes.cpu.registers.pc);
|
||||
try std.testing.expectEqual(@as(u8, 0x42), nes.cpu.registers.a);
|
||||
try std.testing.expectEqual(@as(u8, 0xAA), nes.bus.ram[0x05]);
|
||||
try std.testing.expectEqual(@as(u16, 0x2050), nes.bus.ppu.vram_addr);
|
||||
}
|
||||
|
||||
comptime {
|
||||
contract.validateSystem(Nes);
|
||||
}
|
||||
|
||||
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