PythonによるNESエミュレータ開発2

実は既に結構挫折気味。

やっぱりPythonではちょっと厳しいかもしれない。

とりあえず一番ややこしいPPU周りの情報を調べて、ちょろちょろ書き始めたあたりでいったんCPU部分のパフォーマンスを調べてみました。

かなり厳しいものがあります。CPU部分のコードはPython的な書き方で書いてたんですが、これじゃ話にならない。まず、アクセサなんてものはつかっちゃいけないのだ。

以下環境はOS:WinXP,CPU:Athlon64 3000+,Memory:1G,Python2.4です。

CPUのレジスタ関連の実装

NESのCPUである6502のレジスタはPCは16bit、それ以外は8bit。8bitの値なんてものはCならunsigned charで一発なんだけど、Pythonにはそんなものない。足し算したらどんどん大きくなるし、引き算したらどんどん小さくなる。ので

1class Py6502(object):
2  def __init__(self):
3    self.A = 0
4    self.X = 0
5    self.Y = 0
6    self.PC = 0
7    #  .
8    #  .
9    #  .

見たいなクラスにするとして、足し算するときなどは必ず self.A = (self.A + x) & 0xff みたいにして8bitに収めないといけない。ここで

 1def _create_n_bit_property(name, mask):
 2  rname = "_"+name
 3  result = {
 4    name:property(lambda self: getattr(self, rname),
 5                  lambda self,v : setattr(self, rname, v & mask),
 6                  )
 7  }
 8  return result
 9
10class ForceNbitType(type):
11  def __new__(cls, class_name, class_bases, classdict):
12    names = classdict.get("__16bit__")
13    for name in names:
14      classdict.update(_create_n_bit_property(name, 0xffff))
15    names = classdict.get("__8bit__")
16    for name in names:
17      classdict.update(_create_n_bit_property(name, 0xff))
18    cls = type.__new__(cls, class_name, class_bases, classdict)
19    return cls

のようなmetaclassをつくって

 1class Py6502(object):
 2  __metaclass__ = ForceNbitType
 3  __8bit__ : "A", "X", "Y"
 4  __16bit__ : "PC",
 5  def __init__(self):
 6    self._A = 0
 7    self._X = 0
 8    self._Y = 0
 9    self._PC = 0
10    #  .
11    #  .
12    #  .

とすれば self.A += 10 とかしてもちゃんと8bitに収まる。

非常に上手くかけるんですが、こんなのやってらんない。遅すぎる。1Frame分(28000サイクル程度)の実行に0.5秒（笑

getattr

getattr は遅い。 getattrの真価は第3引数でdefault値が指定できること（だと思う）。今回のように確実に属性が存在することが分かっているならself.__getattribute__(name)を使うと結構違ってくる。ちなみにPythonのソースではこんな感じ。

 1static PyObject *
 2slot_tp_getattro(PyObject *self, PyObject *name)
 3{
 4    static PyObject *getattribute_str = NULL;
 5    return call_method(self, "__getattribute__", &getattribute_str,
 6                       "(O)", name);
 7}
 8
 9static PyObject *
10slot_tp_getattr_hook(PyObject *self, PyObject *name)
11{
12    PyTypeObject *tp = self->ob_type;
13    PyObject *getattr, *getattribute, *res;
14    static PyObject *getattribute_str = NULL;
15    static PyObject *getattr_str = NULL;
16
17    if (getattr_str == NULL) {
18            getattr_str = PyString_InternFromString("__getattr__");
19            if (getattr_str == NULL)
20                    return NULL;
21    }
22    if (getattribute_str == NULL) {
23            getattribute_str =
24                    PyString_InternFromString("__getattribute__");
25            if (getattribute_str == NULL)
26                    return NULL;
27    }
28    getattr = _PyType_Lookup(tp, getattr_str);
29    if (getattr == NULL) {
30            /* No __getattr__ hook: use a simpler dispatcher */
31            tp->tp_getattro = slot_tp_getattro;
32            return slot_tp_getattro(self, name);
33    }
34    getattribute = _PyType_Lookup(tp, getattribute_str);
35    if (getattribute == NULL ||
36        (getattribute->ob_type == &PyWrapperDescr_Type &&
37         ((PyWrapperDescrObject *)getattribute)->d_wrapped ==
38         (void *)PyObject_GenericGetAttr))
39            res = PyObject_GenericGetAttr(self, name);
40    else
41            res = PyObject_CallFunction(getattribute, "OO", self, name);
42    if (res == NULL && PyErr_ExceptionMatches(PyExc_AttributeError)) {
43            PyErr_Clear();
44            res = PyObject_CallFunction(getattr, "OO", self, name);
45    }
46    return res;
47}

上が __getattribute__ 、下が getattr 。ま、こんなことやったって関数呼び出しのオーバーヘッドが一番ツライのでgetterは使わず、setterは必要があるときだけ使うように。これで結構はやくなる。

実行ループ

CPUのエミュレータなんてのはだいたい同じようなパターンで割り込みを除いて簡単に書くと

1def step_execute(self, clocks):
2  while (self.passed_clocks < clocks):
3    opecode = read()# opecodeを取得
4    # 実行
5    count = CLOCK[opecode] # 実行に必要なクロック数を取得
6    self.passed_clocks += count
7  self.passed_clocks -= clocks

なんてのになるわけで、ここが激しくループするわけで。ここはガリガリにちょっとでも節約できるものは節約。

 1def step_execute(self, clocks):
 2  read = self.memory.read
 3  get_method_by_opecode = self.get_method_by_opecode
 4  while (self.passed_clocks < clocks):
 5    old = self._PC; self._PC += 1; self._PC &= 0xffff
 6    opecode = read(old)
 7    method = get_method_by_opecode(opecode)
 8    count = method()
 9    count = count != None and count or CYCLES[opecode]
10    self.passed_clocks += count
11  self.passed_clocks -= clocks

javascriptで . (ドット)演算が遅いとかいうのは最近（？）よく言われていることで、それはPythonにも当然当てはまる。なのでループ前にだせるものはローカルに出しておく。（これが簡単にできるのがRubyよりもPythonがいい部分だよなあ）

あと、実行の部分。ここはCなら関数テーブルかswitch(コンパイラによるけど大差ないと思う）になるんだけど、あいにくPythonにはswitchがないので関数テーブル的なものか if opecode == 0x01: ... elif opecode == 0x02:... elif... かになる。

関数テーブル的なものは

1def ope_0x01(self):
2  #code
3def ope_0x02(self):
4  #code
5
6self.__getattribute__("ope_"+hex(opecode))()

となる。両方やってみたところ、大差はなかったので、関数テーブル的なほうに。

結局

そんな感じでいじってみてかつpsycoを入れて1Frame:0.15程度（PPUやAPUは中身がないので、最後までつくったらもっと遅くなる）。ほかにもいじれそうなところはあって、そこをいじれば0.1は切れそうな感じがしてます。

けど、そこまでやるとPythonである意味がないのも確か。ぶっちゃけ、エミュレータは確実にCが向いている。Javaで書かれているエミュレータもレジスタの値をセットするたびに A & 0xff みたいなことをやっていて、どーもめんどくさい。

じゃぁLLでエミュレーターを書く意味ってなんだ、というと・・・うーん（笑　自己満足以外なにもないでしょうねえ。というわけで自己満足のために、今後もヒマができれば、ちょっとづつ書き進めてみようかなあ。

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