探究NES遊戲中的ROM（Read Only Memory）

一、何為NES機？

NES全稱為Nintendo Entertainment System，是任天堂在1983年發布的一款遊戲機。它是首個將遊戲從家庭電腦院子里轉移到客廳的遊戲平台，也可以稱之為家用電腦。它的操作系統擁有冗餘性，並使用了所謂的ROM卡制式。

二、ROM的定義

ROM是只讀存儲器（Read Only Memory）的縮寫，指的是一組與操作系統緊密相關的硬體存儲和映射。它的特點是不同於RAM，ROM的內容一旦寫入則不可更改，是非易失性的存儲器。

三、NES ROM概述

對於NES遊戲機，ROM主要包含兩部分，一部分是遊戲ROM，另外一部分是NES的內置軟體（系統ROM）。這兩部分ROM位於不同的地址空間，且大小也不一樣。遊戲ROM的大小通常是從16KB到步進2倍遞增(32KB, 64KB, 128KB等)，而系統ROM大約為40KB左右。

; NES ROM（遊戲ROM）的地址空間
$0000-$7FFF： 遊戲ROM, 可變大小
$8000-$FFFF： 系統地址空間

四、NES ROM格式

NES遊戲ROM格式通常為iNES文件格式，該格式又被稱為NES 8-bit ROM格式。iNES文件包含了一些NES遊戲的許多信息，比如遊戲的作者、版本號、遊戲的映射方式等等。

; iNES文件格式
位元組     含義
------------------------------ 
0-3      常數 $4E $45 $53 $1A (「NES」後加一個 DOS 結束符)
4        大小為16KB的PRG ROM 塊數(代碼)
5        大小為8KB的CHR ROM 塊數 (圖形)
6        bit 0     1-垂直鏡像(水平捲軸) 0-水平鏡像(垂直捲軸)
         bit 1     1-有SRAM 0-無SRAM
         bit 2     1-有512位元組的Trainer 0-無Trainer
         bit 3-15  保留
7        bit 0     1-開啟512位元組的Trainer 0-不開啟Trainer
         bit 1-3   保留
         bit 4-7   Mapper編號
8        塊大小3，保留

五、Mapper

Mapper指的是一種將ROM緩存在主存中的軟體手段，由於NES的ROM是只讀存儲器，所以在存儲器空間不夠的時候就需要使用Mapper技術實現ROM在主內存中的動態緩存。搭配相應的硬體可以實現掛載大容量存儲以及實現一些硬體加速。

六、NES模擬器

PC上通常使用NES模擬器模擬來運行NES遊戲。模擬器負責將遊戲ROM載入到內存中，同時模擬NES的硬體器件。如果模擬器錯誤地實現了NES硬體，在運行某些ROMs時會出現不正常的問題。

; 一段簡單的NES模擬器核心 
class NESMachine {
    public:
        NESMachine() {
            // 初始化CPU, PPU, APU等硬體
            cpu.reset();
            ppu.reset();
            apu.reset();
            rom.reset();

            // 導入ROM文件到內存中
            // 初始化Mapper
            rom.loadFromFile("mario.rom");
            int mapper_number = rom.getMapperNumber();
            mapper.reset(new Mapper_000(mapper_number);
        }

        void runOneFrame() {
            // 運行CPU指令
            cpu.runOneFrame();
            // 更新PPU
            ppu.runOneFrame();
            // 更新APU
            apu.runOneFrame();
        }

    private:
        CPU cpu;
        PPU ppu;
        APU apu;
        ROM rom;
        unique_ptr mapper;
}