Ein von Grund auf in Rust entwickelter Emulator für den Nintendo Game Boy (DMG-01), einer der einflussreichsten tragbaren Spielkonsolen der Computergeschichte. Dieses Projekt konzentriert sich auf Genauigkeit, Verständlichkeit und saubere Architektur statt reiner Performance.
🎯 Kernziele
- Korrekte Hardware-Emulation: Detaillierte Abbildung der Game-Boy-CPU (LR35902)
- Lernorientiert: Jede Komponente ist verständlich und dokumentiert
- Nachvollziehbar: Keine „Magic Code" – alles ist transparent und testbar
- Modular: Klare Trennung von CPU, Speicher, PPU und Timer
🏗️ Architektur
Das Emulator-Design folgt der echten Hardware-Struktur:
┌──────────────────────────────────────┐
│ Main Emulator Loop │
│ • Input Processing (Joypad) │
│ • CPU Step │
│ • PPU Step (nach Zyklen) │
│ • Frame Rendering │
└──────────────────────────────────────┘
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┌─────────┬──────────┬──────────┐
│ CPU │ MMU │ PPU │
│ LR35902 │ Speicher │ Graphics │
└─────────┴──────────┴──────────┘
↓ ↓ ↓
[Register] [RAM] [Display]
CPU (LR35902)
pub struct Cpu {
pub program_counter: u16,
pub stack_pointer: u16,
pub registers: Registers, // A, F, B, C, D, E, H, L
pub ime: bool, // Interrupt Master Enable
pub halted: bool, // HALT-Status
}
Die CPU implementiert das komplette Game Boy Z80-Instruction Set:
- 256 Standard-Opcodes
- 256 CB-Prefixed Opcodes (Bit-Operationen)
- ALU-Operationen: ADD, ADC, SUB, SBC, AND, OR, XOR, CP
- Flag-Handling (Z, N, H, C)
- Interrupts & Halt-Zustände
Besonderheit: Das Opcode-Decoding ist vollständig optimiert mit expliziten Match-Armen für maximale Klarheit und bessere Compiler-Optimierungen.
Memory Management Unit (MMU)
pub struct Mmu {
rom: Vec<u8>, // 0x0000–0x7FFF (ROM)
wram: [u8; 0x2000], // 0xC000–0xDFFF (Working RAM)
hram: [u8; 0x80], // 0xFF80–0xFFFE (High RAM)
io_registers: [u8; 0x80], // Hardware-Register
}
Die MMU ist der ausschließliche Zugriffspunkt für die CPU auf den Speicher. Dies gewährleistet:
- Korrekte Speicher-Mapping
- Lazy Loading von ROM-Daten
- Hardware-Register-Emulation
- Interrupt-Flag-Verwaltung
PPU (Graphics Processor)
pub enum PpuMode {
OamScan, // 80 Zyklen – OAM-Scan
Drawing, // 172 Zyklen – Scanline zeichnen
HBlank, // 204 Zyklen – Horizontal Blanking
VBlank, // Vertikal Blanking (10 Scanlines)
}
Die PPU folgt der exakten Timing-Spezifikation des Game Boy:
- Mode-Abläufe nach CPU-Zyklen
- Scanline-Rendering mit Hintergrund- und Sprite-Layer
- Framebuffer-Ausgabe (160×144 Pixel)
- VBlank-Interrupt zur Bildaktualisierung
💻 Technische Highlights
1. Vollständiges Opcode-Decoding
// Beispiel: 8-Bit Addition mit Carry Flag
0x89 => { // ADD A, C
let val = self.registers.read8(&Reg8::C);
self.alu_add_u8(val);
4 // Zyklen
}
Über 500 Opcodes sind explizit definiert mit korrektem Cycle-Timing.
2. Präzises Flag-Handling
Alle CPU-Flags werden korrekt nach jeder Operation gesetzt:
- Z-Flag: Gesetzt, wenn Ergebnis = 0
- N-Flag: Gesetzt bei Subtraktion
- H-Flag: Gesetzt bei Half-Carry (Bit 3→4)
- C-Flag: Gesetzt bei Carry/Borrow
fn alu_add_u8(&mut self, value: u8) {
let result = self.registers.a.wrapping_add(value);
self.registers.flags.z = result == 0;
self.registers.flags.n = false;
self.registers.flags.h = (self.registers.a & 0xF) + (value & 0xF) > 0xF;
self.registers.flags.c = (self.registers.a as u16) + (value as u16) > 0xFF;
self.registers.a = result;
}
3. Hardware-akkurate Timing
Jeder Opcode hat sein korrektes Cycle-Timing:
- NOP: 4 Zyklen
- Speicherzugriffe: 8 oder 16 Zyklen
- Bedingte Sprünge: 12/8 Zyklen (je nach Bedingung)
Dies ermöglicht korrektes Zusammenspiel mit PPU und Timer.
4. Modulare Input-Verarbeitung
pub enum Key {
Right, Left, Up, Down,
Start, Select, B, A,
}
// Real-time Input Processing
match key {
Key::A => self.mmu.key_down(key),
Key::B => self.mmu.key_down(key),
_ => {}
}
Das Joypad ist direkt in die MMU integriert und triggert Interrupts bei Tastendrücken.
🎮 Unterstützte ROM-Games
✅ Pokemon Red
✅ Tetris
✅ Mooneye Test Suite (für Korrektheit validiert)
📊 Code-Struktur
src/
├── main.rs # Event Loop & Fenster-Management
├── gameboy.rs # Hauptemulator-Struktur
├── rom.rs # ROM-Laden und -Parsing
└── gameboy/
├── cpu.rs # CPU-Logik
├── mmu.rs # Memory Management Unit
├── ppu.rs # Graphics Processor
├── timer.rs # Timer-Emulation
├── joypad.rs # Input-Handling
└── screen/
├── window.rs # GUI (minifb)
└── framebuffer.rs # Pixel-Buffer
🚀 Performance & Optimierungen
- Rust Memory Safety: Keine Segmentation Faults dank Borrow Checker
- Zero-Cost Abstractions: Hohe Performanz trotz klarer Struktur
- Inlining: Häufig aufgerufene Funktionen werden inline optimiert
- Direct Memory Access: Schnelle RAM-Zugriffe ohne Indirection
Messungen:
- ✅ Echtzeitausführung für die meisten ROMs
- ✅ CPU läuft stabil bei 4,194 MHz
📚 Referenzen & Datenquellen
Dieses Projekt basiert auf den maßgeblichsten Game-Boy-Dokumentationen:
- Pandocs – Game Boy Technical Reference
- Game Boy Opcode Tables
- RGBDS CPU Manual
🔧 Build & Run
# ROM-Datei ausführen
cargo run --release -- --rom_path roms/games/Pokemon_Red.gb
# Mit Debugging
cargo run -- --rom_path roms/games/Tetris.gb
Dependencies:
minifb: Cross-platform window handling & rendering
📈 Gelernte Konzepte
✅ Low-Level Emulation: Hardware-Timing, Instruction Decoding
✅ Rust Systems Programming: Memory Safety in kritischen Systemen
✅ CPU Architektur: Register, Flags, Interrupts, Stack
✅ Grafik-Pipelines: Scanline-Rendering, Mode-Timing
✅ Timing-Kritische Systeme: Cycle-accurate Emulation
🔮 Zukünftige Erweiterungen
- Sound (APU) – Audio-Chip-Emulation
- MBC1/MBC3/MBC5 – Cartridge-Support
- Speicher-Persistierung (Save States)
- Debugger mit Breakpoints
- Performance-Profiling
💡 Warum dieses Projekt?
Gameboy-Emulation ist ein Klassiker der Emulator-Entwicklung – es bietet die perfekte Balance zwischen:
- Komplexität: Echte CPU, Memory Management, Timing
- Lernpotential: Hardware-Details sind zugänglich und gut dokumentiert
- Erfolgserlebnis: Funktionsfähige Games laufen
- Rust-Anwendung: Perfekter Use-Case für Systems Programming
Dieses Projekt zeigt sowohl technisches Verständnis als auch saubere Software-Architektur in einer Sprache, die Sicherheit und Performance vereint.