Programmer un émulateur

D'après Wikipédia, en informatique, l'émulation consiste à substituer un élément de matériel informatique − tels un terminal informatique, un ordinateur ou une console de jeu − par un logiciel.
La définition du terme émuler est « chercher à imiter ». Il faut voir dans l'émulation une imitation du comportement physique d'un matériel par un logiciel, et ne pas la confondre avec la simulation.

Théoriquement, il est donc possible de créer un émulateur pour toutes les machines électroniques. Pour ce faire, il suffit juste de :

• connaître ses caractéristiques ;
• trouver un support au moins aussi puissant que la machine à émuler ;
• traduire les caractéristiques.

Vous verrez tout au long de ce tutoriel que programmer un émulateur n'a rien d'extraordinaire. Le plus difficile est de connaître le fonctionnement exact de la machine que l'on désire émuler.
Eh oui, les constructeurs n'ont aucun intérêt à publier les caractéristiques de leurs consoles et ce n'est pas aujourd'hui qu'ils le feront .
Pour trouver les informations qu'il leur faut, les programmeurs doivent donc avoir recours à diverses méthodes que l'on abordera dans le prochain chapitre.

Un émulateur fonctionne avec une facilité qui pourrait même faire pleurer.
Voyez par vous-mêmes :

while("Machine Fonctionne") 
{ 
    regarder_ce_qu_il_faut_faire(); 
    Le_faire(); 
}

Tous les émulateurs ont la même structure de base. Le principe consiste tout simplement à regarder l'opération qu'il faut effectuer, puis l'effectuer. Cette routine sera exécutée tant que la machine − la console de jeu − est en marche.

Littéralement, ROM signifie « Read Only Memory », ou en français « mémoire à lecture seule ». C'est un support qui ne permet que la lecture des données qu'il contient. C'est le cas pour presque tous les supports de jeux vidéo.
Il existe divers moyens de copier le contenu de ces supports sur votre ordinateur. Pour ce faire, on utilise des ROM Dumper. Les fichiers binaires ainsi obtenus sont communément appelés : ROM.
Les ROM sont donc aux émulateurs ce que les cartouches de jeu − CD, DVD, etc. − sont aux consoles de jeu.

Je vous ai dit plus haut que la première étape pour créer un émulateur est de regarder ce qu'il faut faire. C'est là que les ROM interviennent. Elles contiennent toutes les instructions à exécuter. C'est-à-dire que par « regarder ce qu'il faut faire », il faut comprendre « lire le contenu du fichier ROM »

Une console de jeu est un appareil électronique conçu pour permettre de lire, interpréter et afficher les informations contenues dans un support conçu à cet effet (les cartouches, CD ou DVD de jeu).
Il existe deux principaux types de consoles :

• les consoles de salon, qui se branchent sur un écran pour afficher le jeu, et auxquelles on connecte accessoirement des manettes ;
• les consoles portables, de petite taille, qui possèdent leur propre écran et sont de ce fait autonomes et facilement transportables.

Nos éventuelles victimes !

La définition importe peu (je sais que vous le saviez déjà), mais je veux attirer votre attention sur les caractéristiques des consoles.
Toutes les consoles de jeu sont basées sur le même principe. Elles sont constituées :

• d'un microprocesseur qui effectue les calculs ;
• de mémoire vive pour stocker les données ;
• d'une carte graphique pour afficher le rendu graphique ;
• de périphériques de contrôle et le plus souvent de manettes de jeu pour interagir avec la console.

Notre travail sera donc de remplacer tous ces éléments par ceux de notre ordinateur.

Ça y est, nous venons de faire le tour de l'émulation console. Vous êtes donc en mesure de programmer votre émulateur.

Avec cette petite présentation, nous venons de voir en gros le travail que nous aurons à faire pour réaliser notre émulateur.
Cette définition assez simpliste nous permet de mieux cerner la notion d'émulation.

C'est bizarre de savoir ce qu'on est censé chercher, mais c'est la vie. Imaginez-vous dans un supermarché et que vous ne savez pas ce que vous souhaitez acheter. C'est la même chose que de lancer son moteur de recherche sans savoir ce que vous cherchez.

Donc pour obtenir des résultats qui correspondent à vos attentes, il faut connaître un tout petit peu le jargon de l'émulation.

Si vous faites vos recherches, prenez le maximum d'informations possible : soyez « boulimiques ». Cela vous permettra de faire des comparaisons et de voir celles qui sont le plus utilisées. En outre, la plupart des documentations ne sont pas claires sur tous les points. Elles seront donc complémentaires, ce qui facilitera grandement l'implémentation de notre émulateur.

Jetons maintenant un coup d'œil sur quelques mots clefs pour trouver notre bonheur :

• opcode ;
• CPU.

L'opcode définit en quelque sorte toute action que peut effectuer une console du point de vue calcul et rendu graphique.
Si vous regardez par exemple les opcodes de la Chip 8, vous en verrez 35. La Chip 8 ne peut donc effectuer que 35 opérations, et c'est tout. Ce sera au programmeur de voir comment faire son jeu avec 35 opérations. Il va de soi qu'une console récente aura des centaines d'opcodes ! Eh oui, plus c'est récent, plus cela sera difficile d'élaborer un émulateur.

Selon la console qu'on émule, les opcodes ne sont pas de la même taille (en bits), mais le principe d'interprétation reste le même.

Comme son nom l'indique, le CPU gère le fonctionnement de votre console de jeu. Il effectue les différentes opérations définies par les opcodes.
Cette exécution se fait toujours à une vitesse donnée : on parle de cadencement de la console. C'est une valeur qui est donnée en hertz (Hz). Par exemple, mon PC est cadencé à 2.0 GHz, soit kitxmlcodeinlinelatexdvp2 \times 10^9finkitxmlcodeinlinelatexdvp cycles d'horloge par seconde.

Si vous désirez des informations portant sur la vitesse d'interprétation des opcodes, jetez un coup d'œil sur le CPU.
Si vous avez déjà testé des émulateurs et qu'ils vont trop vite ou trop lentement, le problème vient du fait que le CPU est mal implémenté (à moins que votre PC ne soit du dixième siècle).

Il faudra toujours axer ses recherches autour de ces mots. J'utilise en priorité « opcode » parce que les résultats sont le plus souvent très fructueux. Mais « CPU » donne aussi des informations très complètes.

Preuves à l'appui, recherchez :

• « Gameboy caractéristiques » ;
• puis « Gameboy opcode » ;
• et enfin « Gameboy CPU ».

Vous verrez par vous-mêmes qu'il n'y a aucune comparaison à faire. Si vous trouvez des documents avec des choses peu courantes, n'ayez pas peur, vous serez en mesure de tout déchiffrer à la fin de ce tutoriel.

Un gros obstacle à la programmation d'émulateurs reste le manque d'informations concernant la machine à émuler. En effet, pour bien développer son programme, il faut réunir un maximum d'informations avant de débuter. Pour ce faire, il existe des moyens comme la rétro-ingénierie (reverse engineering) que l'on ne va pas aborder ici. Je ne la maîtrise d'ailleurs pas. En gros, la rétro-ingénierie permet de retrouver les caractéristiques d'une machine en effectuant divers tests sur celle-ci.
Pour les machines anciennes, vous trouverez votre bonheur sur le Net, étant donné que d'autres auront déjà fait les investigations à votre place. Cependant, vous pourrez trouver des caractéristiques différentes pour une même machine, chaque auteur pouvant avoir une compréhension différente de son fonctionnement. Malgré ces divergences, les principales caractéristiques restent le plus souvent les mêmes dans la plupart des documentations disponibles.

Maintenant, pour les machines récentes, le problème est tout autre. Vous pourrez obtenir des résultats, mais il n'y aura sûrement pas assez d'informations pour créer votre émulateur. Des séances de tâtonnement ne seront pas à exclure, ce qui rendra le travail particulièrement difficile. À moins que vous ne fassiez le reverse engineering vous-mêmes.

Mis à part la récupération des informations essentielles, il existe un plus gros obstacle devant vous : l'évolution des consoles.
Faisons une petite comparaison :

Ces chiffres parlent d'eux-mêmes : les nouvelles consoles sont de plus en plus puissantes. Donc, pour que votre émulateur ne tourne pas à deux à l'heure, il faudra une machine très, très puissante. Je doute même que l'émulation puisse suivre l'évolution fulgurante des consoles de jeu (avis personnel) : la XBOX 360 et la PS3 sont déjà cadencées à 3,2 GHz (plus que mon ordinateur à 2 GHz).

En plus de cela, l'organisation de ces consoles est tellement complexe qu'il est très difficile de tout implémenter en solo. Mais avec tout ce qu'il existe comme consoles à émuler, je vous assure qu'une vie entière ne suffirait pas. Jetez un coup d'œil ici pour en avoir le cœur net.

Voilà, nous savons maintenant ce qu'il faudra rechercher comme documentation autour des consoles de jeu pour les émuler toutes, une par une.