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Übersetzen alter
Arcade-Spiele in
JavaScript
Norbert Kehrer
VCFe, München, 1. Mai 2015
Automatisches Übersetzen
klassischer Spiele ist spannend
 Ziel: Originalgetreue Umsetzung
klassischer Videospiele z.B. im Browser
 Der traditionelle Weg: Emulatoren
 Eine interessante Alternative: Statische
Binärcodeübersetzung (Static Binary
Translation, Static Recompilation)
 Beispiele: Asteroids (1979), Centipede
(1980), Astro Fighter (1980)
Was erwartet euch?
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compilerbautheorie
6502 in JavaScript übersetzen
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compilerbautheorie
Der Asteroids-Arcade-Automat
basiert auf dem 6502-Prozessor
Program ROM
6800–7fff
Work RAM
0000–02ff
Vector ROM
5000–57ff
Vector RAM
4000–47ff
6502 DVG
Spielelogik Videohardware
Klassisches Emulieren der
Hardware ...
Program ROM
6800–7fff
Work RAM
0000–02ff
Vector ROM
5000–57ff
Vector RAM
4000–47ff
6502 DVG
Emulator in
JavaScript
... oder das Spielprogramm in
JavaScript übersetzen, …
Program ROM
6800–7fff
Work RAM
0000–02ff
Vector ROM
5000–57ff
Vector RAM
4000–47ff
6502 DVG
JavaScript
Emulator in
JavaScript
… und so eine Stand-Alone-
Applikation schaffen
Program ROM
6800–7fff
Work RAM
0000–02ff
Vector ROM
5000–57ff
Vector RAM
4000–47ff
6502 DVG
JavaScript
Emulator in
JavaScript
6502 in JavaScript übersetzen
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compiler-Theorie
Der 6502 war in den 1980-ern
ein beliebter Mikroprozessor
Der 6502 ist einfach und hat
wenige Register
Akkumulator (A)
X-Register (X)
Y-Register (Y)
Programmzähler (PC)
Flags: NV-BDIZC
00000001 Stack-Pointer (S)
0000-00ff: Zero-Page
0100-01ff: Stack
0200-ffff: Programm
Register Speicher
Der 6502 hat 3 Befehlsformate
Op-Code
Op-Code
Wert o.
ZP-Adr.
Op-Code
Adresse
Low
Adresse
High
$a9 $03 … lda #3
$8d $07 $19 … sta $1907
$0a … asl
Einige Befehlsbeispiele
 lda #1 Lade Akku mit 1
 sta 1000 Speichere A. in 1000
 inx Erhöhe X-Reg. um 1
 adc #7 Addiere 7 zum Akku
 jmp 3000 Springe nach 3000
 beq 2000 Bedingter Sprung,
wenn Z-Flag == 1
6502 in JavaScript übersetzen
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compilerbautheorie
JavaScript ist ein C-Derivat
 Wichtigste Skriptsprache für Browser
 Fast die gleiche Syntax wie C und Java
 Variablen: var x;
 Arrays: var a = new
Array(100);
 Zuweisungen: n = a[19]; k = 7;
 Arithmetik: x = x + 5 * a[4];
Bedingte Anweisungen und
Auswahlanweisung wie in C
 if (bed) { anw1 } else { anw2 };
 switch (var) {
case a: anw1; break;
case b: anw2; break;
case c: anw3; break;
…
};
6502 in JavaScript übersetzen
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compilerbautheorie
Zuerst einen Disassembler
schreiben …
…
6834: A2 44 ldx #$44
6836: A9 02 lda #$02
6838: 85 02 sta $02
683A: 86 03 stx $03
…
…
A2 44
A9 02
85 02
86 03
…
Programm-ROM
(aus Asteroids)
Disassembler-Listing
… und daraus den Code-
Generator machen
…
… ldx #$44 x = 0x44;
… lda #$02 a = 2;
… sta $02 mem[2] = a;
… stx $03 mem[3] = x;
…
…
A2 44
A9 02
85 02
86 03
…
Programm-ROM
(aus Asteroids)
JavaScript-Code statt Disassembler-Listing
6502-Register und Speicher
werden zu Variablen und Arrays
Akkumulator
X-Register
Y-Register
C-Flag
N-Flag
…
Speicher
var a;
var x;
var y;
var c;
var n;
var mem = new
Array(65536);
„Normale“ Befehle sind einfach
übertragbar, ...
lda 1000
sta 1001
inc 1000
ldx #10
sta 2000,x
inx
a = mem[1000];
mem[1001] = a;
mem[1000] =
(mem[1000]+1)&0xff;
x = 10;
mem[2000+x] = a;
x = (x+1) & 0xff;
... but „GOTO Considered
Harmful“ is considered harmful
…
1000: ldx #0 ; x = 0
1002: inx ; x = x + 1
1003: stx $d021 ; x  Schirmfarbe
1006: jmp 1002 ; springe nach 1002
…
Aber JavaScript hat kein (richtiges) GOTO !
Ein alter „Fortran-to-C“-Trick
pc = 1000;
while (true) {
switch (pc) {
case 1000: x = 0; //ldx
case 1002: x = (x+1) & 0xff; //inx
case 1003: mem[0xd021] = x; //stx
case 1006: pc = 1002; break; //jmp
…
};
};
Case-Labels braucht man nur
für Sprungziele
pc = 1000;
while (true) {
switch (pc) {
case 1000: x = 0; //ldx
case 1002: x = (x+1) & 0xff; //inx
case 1003: mem[0xd021] = x; //stx
case 1006: pc = 1002; break; //jmp
…
};
};
Bedingte “Branches” werden zu
If-Anweisungen
…
if (z == 1) { // beq 3000
pc = 3000;
break;
};
…
case 3000:
…
Dr. Sheldon Cooper‘s „Fun with
Flags“
 Als Nebeneffekt vieler 6502-Befehle
werden Flags gesetzt
 Beispiel:
lda 1000 wenn null  Z=1 sonst Z=0
wenn neg.  N=1 sonst N=0
beq 4711
…
Viele Befehle brauchen daher
auch Flag-Berechnungscode
lda 1000
lda 1000
a = mem[1000];
a = mem[1000];
if (a==0) z=1; else z=0;
if (a<0) n=1; else n=0;
 Korrekte, aber sehr große Kompilate
6502 in JavaScript übersetzen
 Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel
„Asteroids“
 Die Quelle: der 6502
 Das Ziel: JavaScript
 „Naive“ Übersetzungsmuster
 Code-Optimierung und der aufregende
Weg bis tief in die Compilerbautheorie
Flag-Berechnungen sind sehr
oft überflüssig …
lda 1000 a = mem[1000];
if (a==0) z=1; else z=0;
if (a<0) n=1; else n=0;
ldx 1200 x = mem[1200];
if (x==0) z=1; else z=0;
if (x<0) n=1; else n=0;
beq 4711 if (z==1){
pc=4711; break; };
Flag-Berechnungen sind sehr
oft überflüssig …
lda 1000 a = mem[1000];
if (a==0) z=1; else z=0;
if (a<0) n=1; else n=0;
ldx 1200 x = mem[1200];
if (x==0) z=1; else z=0;
if (x<0) n=1; else n=0;
beq 4711 if (z==1) ){
pc=4711; break; };
?:
OK:
… aber nicht immer
lda 1000 a = mem[1000];
if (a==0) z=1; else z=0;
if (a<0) n=1; else n=0;
ldx 1200 x = mem[1200];
if (x==0) z=1; else z=0;
if (x<0) n=1; else n=0;
beq 4711 if (z==1) ){
pc=4711; break; };
Nur, wenn später gebraucht und
nicht bis dahin neu berechnet
 „Später“  Berechnung
des Kontrollflussgraphen
 Zyklen im Graphen
 Use-Def-Mengen
Dead-Code-Elimination ist
schwierig und interessant
 Liveness-Analysis-Problem
 Lösung über Fixpunktiteration oder
eleganter mit Datalog-Programmen
 Viele spannende Wege führen weiter:
Weitere Optimierungen
Erkennen von Strukturen (while, if, ...)
LLVM
logische Programmierung, …
Zusammenfassung: Von
Asteroids zur Liveness-Analysis
 Browser-„Asteroids“ als Beispiel
 6502-Prozessor
 JavaScript
 Übersetzung von 6502 in JavaScript
 Optimierung: Dead-Code-Elimination
Danke !
http://members.aon.at/nkehrer/

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Übersetzen alter Arcade-Spiele in JavaScript

  • 1. Übersetzen alter Arcade-Spiele in JavaScript Norbert Kehrer VCFe, München, 1. Mai 2015
  • 2. Automatisches Übersetzen klassischer Spiele ist spannend  Ziel: Originalgetreue Umsetzung klassischer Videospiele z.B. im Browser  Der traditionelle Weg: Emulatoren  Eine interessante Alternative: Statische Binärcodeübersetzung (Static Binary Translation, Static Recompilation)  Beispiele: Asteroids (1979), Centipede (1980), Astro Fighter (1980)
  • 3. Was erwartet euch?  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compilerbautheorie
  • 4. 6502 in JavaScript übersetzen  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compilerbautheorie
  • 5. Der Asteroids-Arcade-Automat basiert auf dem 6502-Prozessor Program ROM 6800–7fff Work RAM 0000–02ff Vector ROM 5000–57ff Vector RAM 4000–47ff 6502 DVG Spielelogik Videohardware
  • 6. Klassisches Emulieren der Hardware ... Program ROM 6800–7fff Work RAM 0000–02ff Vector ROM 5000–57ff Vector RAM 4000–47ff 6502 DVG Emulator in JavaScript
  • 7. ... oder das Spielprogramm in JavaScript übersetzen, … Program ROM 6800–7fff Work RAM 0000–02ff Vector ROM 5000–57ff Vector RAM 4000–47ff 6502 DVG JavaScript Emulator in JavaScript
  • 8. … und so eine Stand-Alone- Applikation schaffen Program ROM 6800–7fff Work RAM 0000–02ff Vector ROM 5000–57ff Vector RAM 4000–47ff 6502 DVG JavaScript Emulator in JavaScript
  • 9. 6502 in JavaScript übersetzen  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compiler-Theorie
  • 10. Der 6502 war in den 1980-ern ein beliebter Mikroprozessor
  • 11. Der 6502 ist einfach und hat wenige Register Akkumulator (A) X-Register (X) Y-Register (Y) Programmzähler (PC) Flags: NV-BDIZC 00000001 Stack-Pointer (S) 0000-00ff: Zero-Page 0100-01ff: Stack 0200-ffff: Programm Register Speicher
  • 12. Der 6502 hat 3 Befehlsformate Op-Code Op-Code Wert o. ZP-Adr. Op-Code Adresse Low Adresse High $a9 $03 … lda #3 $8d $07 $19 … sta $1907 $0a … asl
  • 13. Einige Befehlsbeispiele  lda #1 Lade Akku mit 1  sta 1000 Speichere A. in 1000  inx Erhöhe X-Reg. um 1  adc #7 Addiere 7 zum Akku  jmp 3000 Springe nach 3000  beq 2000 Bedingter Sprung, wenn Z-Flag == 1
  • 14. 6502 in JavaScript übersetzen  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compilerbautheorie
  • 15. JavaScript ist ein C-Derivat  Wichtigste Skriptsprache für Browser  Fast die gleiche Syntax wie C und Java  Variablen: var x;  Arrays: var a = new Array(100);  Zuweisungen: n = a[19]; k = 7;  Arithmetik: x = x + 5 * a[4];
  • 16. Bedingte Anweisungen und Auswahlanweisung wie in C  if (bed) { anw1 } else { anw2 };  switch (var) { case a: anw1; break; case b: anw2; break; case c: anw3; break; … };
  • 17. 6502 in JavaScript übersetzen  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compilerbautheorie
  • 18. Zuerst einen Disassembler schreiben … … 6834: A2 44 ldx #$44 6836: A9 02 lda #$02 6838: 85 02 sta $02 683A: 86 03 stx $03 … … A2 44 A9 02 85 02 86 03 … Programm-ROM (aus Asteroids) Disassembler-Listing
  • 19. … und daraus den Code- Generator machen … … ldx #$44 x = 0x44; … lda #$02 a = 2; … sta $02 mem[2] = a; … stx $03 mem[3] = x; … … A2 44 A9 02 85 02 86 03 … Programm-ROM (aus Asteroids) JavaScript-Code statt Disassembler-Listing
  • 20. 6502-Register und Speicher werden zu Variablen und Arrays Akkumulator X-Register Y-Register C-Flag N-Flag … Speicher var a; var x; var y; var c; var n; var mem = new Array(65536);
  • 21. „Normale“ Befehle sind einfach übertragbar, ... lda 1000 sta 1001 inc 1000 ldx #10 sta 2000,x inx a = mem[1000]; mem[1001] = a; mem[1000] = (mem[1000]+1)&0xff; x = 10; mem[2000+x] = a; x = (x+1) & 0xff;
  • 22. ... but „GOTO Considered Harmful“ is considered harmful … 1000: ldx #0 ; x = 0 1002: inx ; x = x + 1 1003: stx $d021 ; x  Schirmfarbe 1006: jmp 1002 ; springe nach 1002 … Aber JavaScript hat kein (richtiges) GOTO !
  • 23. Ein alter „Fortran-to-C“-Trick pc = 1000; while (true) { switch (pc) { case 1000: x = 0; //ldx case 1002: x = (x+1) & 0xff; //inx case 1003: mem[0xd021] = x; //stx case 1006: pc = 1002; break; //jmp … }; };
  • 24. Case-Labels braucht man nur für Sprungziele pc = 1000; while (true) { switch (pc) { case 1000: x = 0; //ldx case 1002: x = (x+1) & 0xff; //inx case 1003: mem[0xd021] = x; //stx case 1006: pc = 1002; break; //jmp … }; };
  • 25. Bedingte “Branches” werden zu If-Anweisungen … if (z == 1) { // beq 3000 pc = 3000; break; }; … case 3000: …
  • 26. Dr. Sheldon Cooper‘s „Fun with Flags“  Als Nebeneffekt vieler 6502-Befehle werden Flags gesetzt  Beispiel: lda 1000 wenn null  Z=1 sonst Z=0 wenn neg.  N=1 sonst N=0 beq 4711 …
  • 27. Viele Befehle brauchen daher auch Flag-Berechnungscode lda 1000 lda 1000 a = mem[1000]; a = mem[1000]; if (a==0) z=1; else z=0; if (a<0) n=1; else n=0;  Korrekte, aber sehr große Kompilate
  • 28. 6502 in JavaScript übersetzen  Emulieren vs. Rekompilieren am Beispiel „Asteroids“  Die Quelle: der 6502  Das Ziel: JavaScript  „Naive“ Übersetzungsmuster  Code-Optimierung und der aufregende Weg bis tief in die Compilerbautheorie
  • 29. Flag-Berechnungen sind sehr oft überflüssig … lda 1000 a = mem[1000]; if (a==0) z=1; else z=0; if (a<0) n=1; else n=0; ldx 1200 x = mem[1200]; if (x==0) z=1; else z=0; if (x<0) n=1; else n=0; beq 4711 if (z==1){ pc=4711; break; };
  • 30. Flag-Berechnungen sind sehr oft überflüssig … lda 1000 a = mem[1000]; if (a==0) z=1; else z=0; if (a<0) n=1; else n=0; ldx 1200 x = mem[1200]; if (x==0) z=1; else z=0; if (x<0) n=1; else n=0; beq 4711 if (z==1) ){ pc=4711; break; };
  • 31. ?: OK: … aber nicht immer lda 1000 a = mem[1000]; if (a==0) z=1; else z=0; if (a<0) n=1; else n=0; ldx 1200 x = mem[1200]; if (x==0) z=1; else z=0; if (x<0) n=1; else n=0; beq 4711 if (z==1) ){ pc=4711; break; };
  • 32. Nur, wenn später gebraucht und nicht bis dahin neu berechnet  „Später“  Berechnung des Kontrollflussgraphen  Zyklen im Graphen  Use-Def-Mengen
  • 33. Dead-Code-Elimination ist schwierig und interessant  Liveness-Analysis-Problem  Lösung über Fixpunktiteration oder eleganter mit Datalog-Programmen  Viele spannende Wege führen weiter: Weitere Optimierungen Erkennen von Strukturen (while, if, ...) LLVM logische Programmierung, …
  • 34. Zusammenfassung: Von Asteroids zur Liveness-Analysis  Browser-„Asteroids“ als Beispiel  6502-Prozessor  JavaScript  Übersetzung von 6502 in JavaScript  Optimierung: Dead-Code-Elimination