El Blog de Manu

Chipper: Las instrucciones de Chip-8 y Super Chip

A principios de este mes, mostré algo de información técnica y los orígenes de Chip-8, así como su primera extensión, llamada Super Chip o SCHIP. En este artículo, voy a comentar las instrucciones que tienen estas máquinas virtuales, para ver su funcionamiento de una manera sencilla de entender. He intentado agruparlas para que se vean de una manera más ordenada, aunque realmente esto es algo subjetivo, y no debería afectar al funcionamiento interno del emulador.

Aprovecho para recordar que todas tienen 16 bits de longitud, por lo que pongo su código máquina en hexadecimal para cada una de ellas, así como su nombre más o menos aceptado. Para ello, utilizo esta nomenclatura:

  • nnn: Una dirección de memoria de 12 bits
  • nn: Número de 8 bits (byte)
  • n: Número de 4 bits (nibble)
  • x, y: Registro

Instrucciones de carga

Carga

Este tipo de instrucciones son las más sencillas de implementar, porque se limitan a introducir un valor en un registro, o en la memoria. El Chip-8 dispone de varias instrucciones de este tipo:

6xnn – LD Vx, nn

Esta instrucción guarda el valor nn en el registro especificado por x. Hay que recordar que el Chip-8 dispone de 16 registros de propósito general.

8xy0 – LD Vx, Vy

Con esta instrucción podemos guardar el valor de un registro (Vy) en otro (Vx).

Fx07 – LD Vx, DT

Carga en Vx el valor del Delay Timer.

Fx15 – LD DT, Vx

Esta hace lo contrario, ya que guardamos en el Delay Timer el valor de Vx.

Fx18 – LD ST, Vx

Con esta cargamos el Sound Timer con el valor que tenga Vx. Hay que tener en cuenta que no hay una instrucción para leer el Sound Timer, ya que este registro simplemente hace que se reproduzca un sonido mientras que su valor sea distinto de cero, decrementándose en una unidad por cada interrupción.

Annn – LD I, nnn

Guarda en el registro I el valor de 12 bits nnn.

Fx29 – LD F, Vx

Esta instrucción es algo especial, y a la hora de implementarla hay que hacer algunas suposiciones. En la parte de memoria que va desde 0000h a 0200h, se supone que se guarda el intérprete de Chip-8, así como algunas variables y constantes internas. En concreto, 80 bytes se reservan para la representación de caracteres hexadecimales, ocupando 5 bytes cada uno.

Lo más sencillo a la hora de implementar el emulador, es guardarlos desde la posición 0000h, por lo que esta operación simplemente devuelve Vx*5.

Fx33 – LD B, Vx

Después de ejecutar esta instrucción, tenemos en I, I+1 y I+2 la representación BCD del valor que hay en Vx.

¿Qué es eso del BCD? Se trata de un sistema numérico que emplea 4 bits por cifra, y que es bastante útil a la hora de representar números en displays de 7 segmentos, o a la hora de trabajar con números decimales. En el caso del Chip-8, se suele utilizar para representar puntuaciones en pantalla, con la ayuda de la instrucción anterior. Por lo tanto, después de ejecutar esta instrucción, en I tendremos las centenas de Vx, en I+1 las decenas, y en I+2 las unidades.

Fx55 – LD [I], Vx

Aunque el Chip-8 tiene una pila, no hay operaciones específicas para meter y sacar datos en ella, y sólo se usa en las llamadas a subrutinas para guardar el contador de programa. Sin embargo, esta instrucción y la siguiente pueden servir para guardar el valor de cualquier registro. En concreto, esta guarda en memoria, a partir de I, los valores de los registros de V0 hasta Vx.

Fx65 – LD Vx, [I]

Como cabría esperar, esta instrucción recupera de memoria, a partir de I, los valores de los registros de V0 a Vx

Instrucciones aritmético-lógicas

Abaco

Como cabría esperar, la operaciones que podemos hacer con el Chip-8 no son demasiado complejas, pero son suficientes para hacer pequeños juegos. En concreto, podemos sumar y restar, hacer comparaciones lógicas, desplazar bits, e incluso generar valores aleatorios.

7xnn – ADD Vx, nn

Esta instrucción es bastante sencilla, ya que suma el valor de Vx y nn, y lo guarda en Vx.

8xy4 – ADD Vx, Vy

Como cabría esperar, después de ejecutar este opcode, se suma Vx y Vy, y se guarda el resultado en Vx. La novedad, es que en VF -el registro que se suele reservar para los flags- se guarda en acarreo de la operación.

Fx1E – ADD I, Vx

Esta instrucción es útil para el direccionamiento indexado, ya que en I tenemos el resultado de sumar el propio registro más Vx.

8xy5 – SUB Vx, Vy

Ahora vamos con la resta. En concreto, en esta ocasión guardamos en Vx el resultado de substraer Vx y Vy. Lo curioso es que VF se pone a 1 si Vx es mayor o igual que Vy, es decir, si el resultado es positivo o cero.

8xy7 – SUBN Vx, Vy

A diferencia de la anterior, en esta ocasión guardamos en Vx la resta entre Vy y Vx. Ahora VF se pone a 1 si Vy>=Vx.

8xy1 – OR Vx, Vy

En esta instrucción, se hace el OR lógico bit a bit entre Vx y Vy, y se guarda en Vx.

8xy2 – AND Vx, Vy

Como cabría esperar, se realiza el AND lógico bit a bit entre Vx y Vy, y se guarda en Vx

8xy3 – XOR Vx, Vy

Esta es la última operación lógica, y es similar a las anteriores, salvo por el hecho de que se realiza el OR exclusivo.

8xy6 – SHR Vx {,Vy}

Esta es la primera operación de desplazamiento de bits. En concreto, esta coge Vx, y desplaza los bits hacia la derecha, guardándose en VF el valor del bit menos significativo previo al desplazamiento.

8xyE – SHL Vx {,Vy}

Esta es la instrucción hermana de la anterior, haciéndose en este caso el desplazamiento hacia la izquierda de Vx. Hay que tener en cuenta que VF coge el valor del bit más significativo previo al desplazamiento. Lo que todavía no tengo claro, es si alguna vez se tiene en cuenta el valor de Vy en estas dos operaciones…

Cxnn – RND Vx, nn

Esta instrucción carga un valor aleatorio en Vx entre 0 y 255, y después se hace un AND lógico con el valor de nn.

Instrucciones de salto y llamada

Saltos

Este tipo de instrucciones controlan el flujo del programa, implementan bucles,… por lo que son especialmente importantes.

0nnn – SYS addr

Esta instrucción es ignorada por los intérpretes modernos de Chip-8, ya que originalmente ejecutaba código nativo a partir de la dirección nnn.

1nnn – JP nnn

Este es el salto más básico, ya que el contador de programa (PC) se carga con el valor de nnn.

Bnnn – JP V0, nnn

Esta instrucción es similar a la anterior, pero la dirección de salto se calcula sumando nnn y V0.

3xnn – SE Vx, nn

Si Vx es igual a nn, se salta la siguiente instrucción, es decir, se incrementa en dos unidades el contador de programa.

4xnn – SNE Vx, nn

Con esta instrucción, se hace el salto si Vx no es igual a nn.

5xy0 – SE Vx, Vy

La condición para saltar la siguiente instrucción es que Vx sea igual a Vy.

9xy0 – SNE Vx, Vy

A diferencia de la anterior, se salta la siguiente instrucción si Vx no es igual a Vy.

2nnn – CALL nnn

Se hace una llamada a una subrutina localizada en nnn. Previamente, se guarda el valor del contador de programa en la dirección inferior que apunta el registro de la pila (SP). Es decir, se guarda en SP-1 la parte baja de PC, y en SP-2 la parte alta.

00EE- RET

Esta es la instrucción que hay que poner al final de una subrutina para volver. Para ello, se recupera el valor de PC -primero la parte alta y luego la baja-, y se incrementa el valor de SP.

Instrucciones de entrada

Teclado

En el caso del Chip-8, la entrada se limita a leer del teclado. Se dispone de tres instrucciones de carga y salto para ello:

Ex9E – SKP Vx

Se salta la siguiente instrucción si el valor que se lee de teclado es igual a Vx.

ExA1 – SKNP Vx

Esta es a la inversa: se salta la siguiente instrucción si el valor que se lee de teclado no es igual a Vx.

Fx0A – LD Vx, K

Se para la ejecución del programa hasta que se pulsa una tecla, y luego se carga su valor en Vx.

Instrucciones gráficas

Invaders

Sólo se dispone de un par de instrucciones para dibujar en pantalla, pero el manejo de sprites permite hacer prácticamente cualquier cosa que nos imaginemos… en 1 bit 😉

00E0 – CLS

Si alguna vez hemos usado el lenguaje BASIC, sabremos inmediatamente que esta instrucción borra la pantalla.

Dxyn – DRW Vx, Vy, n

Esta instrucción pinta en las coordenadas (Vx, Vy), el sprite definido por los siguientes n bytes en la posición indexada por I. Hay que recordar que se pinta por XOR, cambiando el estado de los pixels. Si en algún momento se detecta una “colisión”, es decir, si se va a dibujar un pixel y ya estaba a uno, VF se pone a 1.

En mi opinión, esta es la instrucción más compleja de implementar, y puede dar lugar a algún dolor de cabeza hasta que se hace correctamente.

Instrucciones de SCHIP

HP Calculator

Para soportar las características extendidas de SCHIP, se añadieron algunas instrucciones, y se cambió la última que hemos visto, para hacerla un poco más potente.

00FD – EXIT

Esta instrucción hace que se salga del intérprete, bastante útil para devolver el control del dispositivo en las calculadoras, una vez terminado el juego.

00FE – LOW

Deshabilita el modo de pantalla extendido, volviéndose a una resolución de 64×32 píxeles.

00FF – HIGH

Se dice al intérprete que la resolución es de 128×64 píxeles.

Fx75 – LD R, Vx

Se guardan los valores de V0 a Vx en los registros de usuario de la calculadora HP-48. No se suele implementar en los emuladores.

Fx85 – LD Vx, R

Esta instrucción recupera los valores de los registros de usuario de la HP-48, y tampoco se implementa.

00Cn – SCD n

Se hace un scroll de n líneas en la pantalla hacia abajo. Las primeras n líneas de la pantalla se ponen a 0.

00FB – SCR

Esta vez el scroll es de 4 píxeles hacia la derecha. Las 4 primeras columnas de píxeles se pierden.

00FC – SCL

Igual que la anterior, pero con scroll hacia la izquierda.

Fx30 – LD HF, Vx

Esta instrucción es similar a LD F, Vx, pero ahora los sprites son de 10 bytes de altura, y sólo están representados los números, no las letras de la A a la F.

Dxy0 – DRW Vx, Vy, n

Se añade la particularidad de que si n es igual a 0, se dibuja un sprite de 16×16 píxeles.

¿Y ahora?

La verdad es que este artículo es un poco rollete si no se hace algo práctico, así que en el próximo vamos a ver algunos de los posibles lenguajes en los que se puede programar el emulador, y voy a mostrar los principales entornos de desarrollo para ver cuál se ajusta mejor a nuestras necesidades.

Comentarios

digipure

Wow, genial!
Me encanta el el lenguaje ensamblador y las máquinas virtuales ^o^ He disfrutado mucho con este artículo y con el anterior de chip-8

Manu

Me alegra enormemente leer eso 😉

ElRoSSo

Como ya te comenté, también estoy bastante interesado en éstos artículos y me gusta documentarme al respecto de los menesteres de la emulación para ver si tarde o temprano me arranco con algún proyectillo, aunque no soy tan amigo de los lenguajes en bajo nivel… Respecto a la máquina, tiene que ser una leche el tema de pintar sprites con XOR, madre mía la cantidad de redibujar cosas que habrá que pegarse.

Por lo demás me ha parecido un didáctico e interesante artículo que una vez completada la saga de éstos podrían reunirse en un manual en pdf o algo así. Bravo Manu.

Yen_lo

Me recuerda a cuando estudiaba y tenia que trabajar con el programa MANOTAS. Lo siento pero para mi era un rollo.

Saludos

Pedja

Muy bien profesor, esperamos la siguiente lección. Espero que los exámenes no sean muy chungos xD

Fran

Esperamos impacientes el siguiente artículo xD

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