[Перевод] Я создал эмулятор Game Boy на F#

• framebuffer — массив оттенков 160x144 (белый, светлый, тёмный, чёрный);
  
• audiobuffer — кольцевой аудиобуфер с частотой дискретизации 32768 Гц с головками чтения и записи;
  
• stepEmulator() — функция, которая выполняет одну инструкцию ЦП и возвращает количество циклов;
  
• getJoypadState(state) — это функция обратного вызова для фронтенда, которая передает эмулятору состояние геймпада, обычно один раз за кадр. Я попытался смоделировать Game Boy аналогично реальному аппаратному обеспечению.

let stepper () =
    // Execute a single instruction
    // Each instruction uses a different amount of cycles
    let mCycles = stepCpu cpu io
    for _ in 1..mCycles do
        stepTimers timer io
        stepSerial serial io
        // The APU technically runs at 4x CPU-cycles, but can be batched
        stepApu apu
    let tCycles = mCycles * 4
    // The PPU operates at 4x CPU-cycles. The APU should be here too
    for _ in 1..tCycles do
        stepPpu ppu
    // Return cycles taken so the frontend runs the emulator at the right speed
    mCycles

type LoadInstr =
    | Load8Immediate of uint8
    | Load8Direct of Register
    | Load8Indirect
    // ... other load instructions
type ArithmeticInstr =
    | IncrementDirect of uint8
    | IncrementIndirect of Register
    // ... other arithmetic instructions

• чтение байтового значения непосредственно после инструкции в памяти (immediate),
  
• чтение/запись в регистр ЦП (direct),
  
• чтение/запись в ячейку памяти, указанную регистром HL ЦП (indirect).

type To =
    | Direct of Register
    | Indirect
type From =
    | Immediate of uint8
    | Direct of Register
    | Indirect
type LoadInstr =
    | Load of From * To // These form a tuple, like Load in C#
    // ... other instructions

module Flags =
    let inline setZ (v: bool) (f: uint8) =
        if v then f ||| ZMask else f &&& ~~~ZMask
    let inline setH (v: bool) (f: uint8) =
        // ... the other flag functions and definitions
// Other files
cpu.Flags <-
    cpu.Flags
    |> setH false
    |> setZ (a = 0uy)

match opcode with
| 0x00 -> Nop
| _ -> failwith "Unimplemented opcode"

• поддерживать синхронизацию аудио фронтенда и эмулятора, периодически пропуская кадры;
  
• поддерживать синхронизацию видео фронтенда и кадров эмулятора, периодически пропуская аудио.

let mutable cycles = 0
while (runEmulator) do
    cycles <- cycles + targetCyclesPerMs * lastFrameTime
    while cycles > 0 do
        let cyclesTaken = stepEmulator ()
        cycles <- cycles - cyclesTaken
    draw ppu.framebuffer

let tryQueueAudio apu stepEmulator =
    if frontend.audioBuffer.hasSpace () then
        while apu.writeHead - apu.readHead < samplesNeeded do
            stepEmulator ()
        frontend.audioBuffer.fill apu.audioBuffer
while (runEmulator) do
    tryQueueAudio apu stepEmulator
    draw ppu.framebuffer

type MemoryRegion =
    | RomBase of offset: int
    // ... others
let mapAddress (addr: int) : MemoryRegion =
        match addr with
        | a when a < 0x4000 -> RomBase a
        // ... others
type DmgMemory(arr: uint8 array) =
    // Arrays for romBase etc
    member this.read address =
        match mapAddress address with
        | RomBase i -> romBase
        // ... others
    member this.write address value =
        match mapAddress address with
        | RomBase _ -> ()
        // ... others

• Flag — короткий цикл без звука;
  
• Roboto — продолжительная (>1 мин) демо-версия, использующая множество визуальных эффектов и имеющая звук;
  
• Merken — похожа на Roboto, но использует ROM с выделенной памятью для тестирования памяти.

let stepEmulator () =
    let cyclesTaken = stepCpu cpu
    // Before
    stepTimers timer memory // only once per instruction
    // The fix
    for _ in 1..cyclesTaken do // cpuCycles can vary between 1 and 6
        stepTimers timer memory