为现代 C++ 中的模拟器编写一个以 mhz 一致且有效地触发的时钟（循环）

Question

我目前正在为旧的 CPU（intel 8085）开发模拟器。表示CPU时钟是3.2mhz。我正在尝试尽可能准确，并尽可能跨平台

对我来说，这意味着我需要一个以 3.2mhz 频率调用的时钟。我不在乎它是否太准确，只要在 10% 以内就足够了。

简单的方法是

auto _PrevCycleTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
double _TimeBetweenClockCycles = 1.0 / 3200000;
while (1)
{
    auto now = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::chrono::duration<double> t = std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<double>>(now - _PrevCycleTime);
    
    if (t.count() >= _TimeBetweenClockCycles)
    {
        _PrevCycleTime = now;
        //Clock trigger
    }
}

这会产生每秒调用 240 万次的时钟。更大的问题是，我意识到即使运行一个 while(1) {} 也使用了我 CPU 的 50-60%。这样不行。

我的下一个方法是使用睡眠功能。

long long _TimeBetweenClockCyclesNS = 1000000000 / 3200000
double _TimeBetweenClockCycles = 1.0 / 3200000;
auto now = std::chrono::high_resolution_clock::now();

while (_Running)
{
    std::chrono::duration<double> t = std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<double>>(now - _PrevCycleTime);

    if (t.count() >= _TimeBetweenClockCycles)
    {
        _PrevCycleTime = now;
        //Clock trigger
    }
    else
    {            
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconds(_TimeBetweenClockCyclesNS));
    }
}

虽然这（有点）有效，但它根本不一致。我希望它“足够接近”，但上面的代码被调用：

100.000 次/秒 Visual Studio 调试模式（<3% cpu 使用率）
170 万次/秒，在 Visual Studio 调试模式下使用 1 纳秒休眠时间，但再次使用约 30% cpu 使用率。
100 次/秒（是的，只有 100，代码中没有其他更改）在 Visual Studio 发布模式（<1% cpu 使用率）
即使使用 std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconds(1)) 时钟每秒也只会触发 1200 次。

我很可能遗漏了一些明显的东西，而且我把它弄得太复杂了，但我相信一定有更好的方法，因为其他“更重”系统的模拟器似乎使用更少 CPU 同时需要更高的准确性。

在我的用例中，我最关心的是：

跨平台，但我不介意为不同的平台编写不同的代码OS
没有使用大量资源
我不关心它是否非常准确，只要它不会对 CPU 的时间有太大影响即可。（例如，如果一个“等待”程序应该等待 1 秒，我真的不介意它是 0.8 秒还是 1.2 秒）

我有哪些选择？

(注意： 在没有任何时钟限制逻辑的情况下，我的时钟每秒可以运行超过 3000 万次。同样，使用我的大约 50-60% CPU。所以它应该能够运行 300 万次，使用率要低得多 CPU)

（注意： 代码运行在单独的 std::thread 中，如果重要的话）

Answer 1

要认识到的重要一点是，如果某些事情发生在错误的时间，没有人会注意到。你有一个 CPU 与一些外围设备交谈。假设外围设备是 GPIO 引脚。只要 CPU 在正确的时间打开和关闭 GPIO 引脚，实际上没有人会注意到 CPU 在这些时间之间是否运行太快。如果它驱动显示输出，只要以正确的帧速率显示，没有人会注意到显示像素是否计算得太快。等等。

仿真器使用的一项技术是计算 CPU 指令使用的时钟周期数。如果您使用的是解释型设计，则可以在指令处理程序中写入 clockCycles += 5;。如果您使用的是 JIT 设计，则可以在每个基本块的末尾进行。如果你不是使用JIT设计，不知道什么是基本块，可以忽略上一句。

然后，当 CPU 确实做了一些重要的事情时，比如更改 GPIO 引脚，您可以睡觉以赶上进度。如果自上次休眠以来发生了 3,200,000 个时钟周期，但实际时间只有 0.1 秒，那么您可以在更新屏幕之前休眠 0.9 秒。

你拥有的“睡眠点”越少，你的时间就越不准确，你浪费在保持准确时间上的时间就越少。视频游戏模拟器通常会尽可能快地渲染整个帧。事实上，自 N64/PS1 时代以来，许多仿真器根本就懒得模拟 CPU 时序。这些系统的计时非常复杂，以至于每个游戏都已经知道它必须等待下一帧开始，所以模拟器只需要以正确的速率开始帧。

另一个想法是计算计时信息并将其发送到外设，而不实际计时。游戏确实依赖于精确显示时序的早期系统（例如 SNES）的模拟器可以全速运行 CPU 然后告诉显示代码“在时钟周期 12345 CPU 写入 0x6789注册12。”显示代码然后可以计算显示在该时钟周期内绘制的像素，并更改其绘制方式。仍然没有必要实际同步 CPU 和显示时间。

如果您想要精确计时而又不会严重拖慢程序速度，您可能需要使用 FPGA 而不是 CPU。

为现代 C++ 中的模拟器编写一个以 mhz 一致且有效地触发的时钟（循环）

Writing a clock(loop) that is triggered in the mhz consistently and effeciently for an emulator in modern C++

c++

cross-platform

emulation

c++20