最近我发现很多模拟器都很慢，因为它们不仅要模拟 CPU，还要模拟被模拟设备的内存。当设备具有内存映射 I/O、虚拟内存或只是未使用的地址空间时，每个内存访问都必须在软件中模拟。

我觉得如果操作系统通过虚拟内存为我们做这件事可能会快很多。为简单起见，我将使用 Game Boy 仿真作为示例，但显然这种方法更适用于更新、功能更强大的机器。

Game Boy内存映射大致是:

• 0x0000 - 0x7FFF:映射到盒式 ROM
  • 大多数墨盒具有固定的 0x0000 - 0x3FFF 和 0x4000 - 0x7FFF 可通过写入 0x2000 进行库切换
• 0x8000 - 0x9FFF:视频 RAM(仅在当前未呈现时可访问)
• 0xA000 - 0xBFFF:映射到墨盒(通常是电池供电的 RAM)
• 0xC000 - 0xDFFF:内部 RAM(0xD000 - 0xDFFF 在 GB 颜色上切换)
• 0xE000 - 0xFDFF: 内部 RAM 的镜像
• 0xFE00 - 0xFE9F:对象属性内存(sprite RAM)
• 0xFEA0 - 0xFEFF:未映射(开放总线或其他，不确定)
• 0xFF00 - 0xFF7F:内存映射 I/O(音响系统、视频控制等)
• 0xFE80 - 0xFFFF:内部 RAM

所以传统的模拟器必须像这样翻译每个内存访问:

if(addr < 0x4000) return rom[addr];
else if(addr < 0x8000) return rom[(addr - 0x4000) + (0x4000 * cur_rom_bank)];
else if(addr < 0xA000) {
    if(vram_accessible) return vram[addr - 0x8000];
    else return 0xFF;
}
else if(addr < 0xC000) return saveram[addr - 0xA000];
else if(addr < 0xE000) return ram[addr - 0xC000];
else if(addr < 0xFE00) return ram[addr - 0xE000];
else if(addr < 0xFE9F) return oam[addr - 0xFE00];
else if(addr < 0xFF00) return 0xFF; //or whatever should be here
else if(addr < 0xFF80) return handle_io_read(addr);
else return hram[addr - 0xFF80];

显然，这可以通过使用开关或表进行优化，但仍然需要为每次内存访问运行大量代码。我们可以通过将一些页面映射到我们进程的内存映射中的那些地址来潜在地提高仿真速度:

• 0x0000 - 0x3FFF:R--(没有 Exec 标志，因为 native CPU 不执行它)
• 0x4000 - 0x7FFF: R--
• 0x8000 - 0x9FFF: ---
• 0xA000 - 0xBFFF:---
• 0xC000 - 0xDFFF: RW-
• 0xE000 - 0xFDFF:RW-(并映射到与 0xC000 - 0xDFFF 相同的物理页面)
• 0xFE00 - 0xFE9F:---
• 0xFEA0 - 0xFEFF: ---
• 0xFF00 - 0xFF7F: ---
• 0xFF80 - 0xFFFF: RW-

然后处理我们在访问这些页面时收到的 SIGSEGV(或将生成的任何信号)。所以从 ROM 读取或写入 RAM 可以直接执行，而写入 ROM 将引发我们可以处理的异常。我们可以将 VRAM (0x8000 - 0x9FFF) 的权限更改为 RW- 当它应该可以访问时和 --- 当它不应该访问时。理论上它可能会快得多，因为它不需要模拟器手动映射软件中的每个内存访问。

我知道我可以使用 mmap() 将页面映射到具有各种权限的固定地址。我不知道的是:

• 映射是否可以重叠，具有不同的权限？
• 我可以像这样将页面映射到任意地址，而不考虑系统的页面大小吗？我可以映射到地址 0 吗？
• 如何更改映射指向的内存？ (例如，当 ROM bank 改变时，我们可以只切换映射到 0x4000 - 0x7FFF 的内存，但我该怎么做呢？)
• 在仿真系统具有 32 位或 64 位 CPU 的真实情况下，我可以映射整个前 4GB 空间，或者可能映射整个内存空间吗？我如何避免与已映射的内容(例如库、我的堆栈、内核)发生冲突？
• 这真的会更快吗？还是抛出和捕获 SIGSEGV 会产生比传统方式更多的开销？
• 如果无法在用户空间执行此操作，Linux 是否可以提供一种方法来“接管”内核并在那里执行此操作？所以我至少可以创建一个“模拟器操作系统”，它可以裸机运行，同时仍然有一些 Linux 内核设施(例如视频和文件系统驱动程序)可用？

最佳答案

我预计生成 SIGSEGV、捕获它、处理它并恢复，会比原始硬件有更多的性能开销，因此安排它仅在实际存在可能很慢的错误时发生。

这是一种很好的内存保护/数组边界检查技术，当违规很少见时，如果它们很慢也没关系。稍微加快常见情况是一种胜利，即使它使异常情况慢得多，当正常模拟代码中没有发生异常情况时也是一种胜利。

我听说 Javascript 模拟器这样做是为了获得更便宜的数组边界检查:分配一个数组，使其在页面顶部结束，下一页未映射。

对此持保留态度:我没有在我编写的代码中使用过任何这些。我只是听说过它，并且认为我了解它的工作原理和一些含义。

希望这能让您开始查看将告诉您实际可以做什么的文档。

更新页表相当缓慢。尝试找到一个平衡点，您可以利用用户空间内存保护来进行某些检查，但在模拟代码执行的“常见情况”期间，您不会不断地从内存空间映射/取消映射页面。预测分支运行得非常快，尤其是。如果预测他们不会被带走。

我看过 Linux 内核的讨论/注释，表明在单个页面的 memcpy 上玩弄 mmap 是不值得的。对于更大的内存块，或更少地检查重复 访问，好处将超过设置开销。

您需要使用 mprotect(2) 更改页面(范围)的权限。不，映射不能重叠。请参阅 mmap(2) 中的 MAP_FIXED 选项:

If the memory region specified by addr and len overlaps pages of any existing mapping(s), then the overlapped part of the existing mapping(s) will be discarded.

IDK 如果您在访问模拟内存时可以使用 x86 段寄存器做任何有用的事情，则将访客地址 0 映射到进程虚拟地址空间中的某个其他地址。您可以映射虚拟地址 0，但默认情况下 Linux 禁用它，因此 NULL 指针取消引用不会静默工作!

您的软件的用户将不得不使用 sysctl(与 WINE 相同)来启用它:

# Ubuntu's /etc/sysctl.d/10-zeropage.conf
# Protect the zero page of memory from userspace mmap to prevent kernel
# NULL-dereference attacks against potential future kernel security
# vulnerabilities.  (Added in kernel 2.6.23.)
#
# While this default is built into the Ubuntu kernel, there is no way to
# restore the kernel default if the value is changed during runtime; for
# example via package removal (e.g. wine, dosemu).  Therefore, this value
# is reset to the secure default each time the sysctl values are loaded.
vm.mmap_min_addr = 65536

就像我说的，您可以在所有加载/存储到访客(模拟机)内存时使用段寄存器覆盖，以将其重新映射到更合理的页面。或者可能只使用 64kiB 的常量偏移量(或更多，可能将其放在仿真软件的文本/数据/bss(堆)之上。或者使用指向的指针的非常量偏移量mmapped guest-memory 区域的基础，所以一切都与全局变量有关。With gcc, this might be a good candidate for requesting that gcc keep that global in a register across all your functions. IDK，你必须看看这是否有助于性能。恒定的偏移量最终会使访问 guest 内存的每条指令都需要一个寻址模式下的32b位移域，而不是0或8b。

段寄存器，如果它按照我认为的方式工作(作为常量偏移量，您可以使用段覆盖前缀而不是 32b 位移修饰符来应用)将很难让编译器生成，AFAIK .如果它只是加载/存储，那将是一回事:您可以使用内联 asm 包装器来加载和存储 insn。但对于高效的 x86 代码，各种 ALU 指令都应使用内存操作数，以通过微融合减少前端瓶颈。

你可以定义一个全局的 char *const guest_mem = (void*)0x2000000; 或其他东西，然后使用 mmap 和 MAP_FIXED 在那里强制映射内存？然后 guest 内存访问可以编译为更高效的单寄存器寻址模式。

关于Linux:在我的进程中管理虚拟内存映射以进行快速仿真，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/34521811/