Completar Opcodes Finales de la CPU

Resumen

Se implementó el opcode crítico LD SP, HL (0xF9) que faltaba en el set de instrucciones de la CPU. Este opcode es esencial para configurar stack frames y cambiar de contexto en rutinas complejas. También se verificó que los opcodes JP (HL) (0xE9) y RETI (0xD9) estaban correctamente implementados. El emulador había avanzado ejecutando Pokémon Red y chocó con el opcode 0xF9 no implementado, lo que indica que estamos muy cerca de completar el set de instrucciones. Se crearon 8 tests unitarios que validan el comportamiento correcto de estos tres opcodes críticos.

Concepto de Hardware

La CPU LR35902 proporciona tres instrucciones críticas para manipulación de pila y control de flujo:

• LD SP, HL (0xF9): Carga el valor del par de registros HL en el Stack Pointer (SP). Esta instrucción es útil para resetear la pila, cambiar de contexto (cambiar de stack frame) o configurar la pila al inicio de una rutina. Consume 2 M-Cycles y NO modifica flags. Es la operación inversa de LD HL, SP+r8 (0xF8), pero sin offset.
• JP (HL) (0xE9): Salto indirecto usando el valor del par de registros HL como dirección destino. Es equivalente a JP HL, pero la sintaxis oficial es JP (HL). Esta instrucción es útil para implementar tablas de saltos o llamadas a funciones mediante punteros. Consume 1 M-Cycle (solo lectura de registros, no memoria).
• RETI (0xD9): Retorna de una rutina de interrupción (ISR - Interrupt Service Routine). Es igual que RET pero además reactiva IME (Interrupt Master Enable). Cuando una interrupción se procesa, IME se desactiva automáticamente para evitar interrupciones anidadas. RETI reactiva IME para permitir que las interrupciones vuelvan a funcionar después de salir de la rutina. Consume 4 M-Cycles.

Uso en juegos: Estas instrucciones son fundamentales para:

• LD SP, HL: Configurar stack frames en rutinas complejas, especialmente en sistemas de menú o combate donde se necesita cambiar de contexto.
• JP (HL): Implementar tablas de saltos (jump tables) donde diferentes valores en HL apuntan a diferentes rutinas. También se usa para llamadas indirectas a funciones.
• RETI: Manejo correcto de interrupciones, especialmente V-Blank, que es crítico para el renderizado de gráficos.

Implementación

Se implementó el opcode 0xF9 (LD SP, HL) y se verificó que los opcodes 0xE9 y 0xD9 estaban correctamente implementados.

Opcode 0xF9: LD SP, HL

Implementado en _op_ld_sp_hl():

• Lee el valor de HL usando self.registers.get_hl().
• Establece SP al valor de HL usando self.registers.set_sp(hl_value).
• NO modifica flags (a diferencia de otras instrucciones LD).
• Consume 2 M-Cycles (fetch opcode + lectura de registros).

La implementación es simple pero crítica: permite que los juegos configuren la pila dinámicamente basándose en valores calculados en HL.

Verificación de Opcodes Existentes

Se verificó que los siguientes opcodes estaban correctamente implementados:

• 0xE9 (JP HL): Ya implementado en _op_jp_hl(). Salta a la dirección en HL sin leer de memoria.
• 0xD9 (RETI): Ya implementado en _op_reti(). Hace POP de la dirección de retorno y reactiva IME.

Decisiones de diseño

Simplicidad: La implementación de LD SP, HL es directa porque no requiere cálculos complejos ni modificación de flags. Se mantiene consistente con otras instrucciones LD de 16 bits como LD SP, d16 (0x31).

Tests exhaustivos: Se crearon tests para cubrir casos edge como wrap-around, valores cero, y verificación de que los flags no se modifican.

Archivos Afectados

• src/cpu/core.py - Añadido opcode 0xF9 a la tabla de despacho e implementada función _op_ld_sp_hl()
• tests/test_cpu_final_ops.py - Creado archivo nuevo con 8 tests unitarios para validar 0xF9, 0xE9 y 0xD9

Tests y Verificación

Se crearon 8 tests unitarios en tests/test_cpu_final_ops.py que validan el comportamiento correcto de los tres opcodes:

Tests para LD SP, HL (0xF9)

• test_ld_sp_hl_basic: Verifica carga básica de HL en SP y que consume 2 M-Cycles.
• test_ld_sp_hl_wraparound: Verifica manejo correcto de wrap-around con HL = 0xFFFF.
• test_ld_sp_hl_zero: Verifica funcionamiento con HL = 0x0000.
• test_ld_sp_hl_no_flags: Verifica que los flags NO se modifican (crítico).

Tests para JP (HL) (0xE9)

• test_jp_hl_basic: Verifica salto básico a dirección en HL y que consume 1 M-Cycle.
• test_jp_hl_jump_table: Verifica uso como tabla de saltos (usa valor del registro, no lee de memoria).

Tests para RETI (0xD9)

• test_reti_basic: Verifica retorno de interrupción, reactivación de IME y que consume 4 M-Cycles.
• test_reti_vs_ret: Verifica que RETI reactiva IME mientras que RET no lo hace.

Ejecución de Tests

Comando ejecutado: pytest tests/test_cpu_final_ops.py -v

Entorno: Windows 10, Python 3.13.5

Resultado: ✅ 8 passed en 0.06s

Qué valida:

• Que LD SP, HL carga correctamente el valor de HL en SP sin modificar flags.
• Que JP (HL) salta correctamente a la dirección en HL usando solo el valor del registro.
• Que RETI retorna correctamente de interrupciones y reactiva IME (diferencia clave con RET).

Código del Test (Fragmento Esencial)

def test_ld_sp_hl_basic(self):
    """Test: Verificar que LD SP, HL carga el valor de HL en SP."""
    mmu = MMU()
    cpu = CPU(mmu)
    
    cpu.registers.set_pc(0x0100)
    cpu.registers.set_hl(0x1234)
    cpu.registers.set_sp(0x0000)
    
    mmu.write_byte(0x0100, 0xF9)  # LD SP, HL
    
    cycles = cpu.step()
    
    assert cpu.registers.get_sp() == 0x1234, "SP debe ser 0x1234"
    assert cpu.registers.get_hl() == 0x1234, "HL no debe cambiar"
    assert cycles == 2, "LD SP, HL debe consumir 2 M-Cycles"

Por qué este test demuestra algo del hardware: El test verifica que la CPU puede transferir el valor de un par de registros (HL) directamente al Stack Pointer sin realizar cálculos ni modificar flags. Esto es esencial para configurar stack frames dinámicamente, una operación común en código de juegos complejos.

Fuentes Consultadas

• Pan Docs: CPU Instruction Set - Referencia para LD SP, HL (0xF9), JP (HL) (0xE9) y RETI (0xD9)

Nota: Implementación basada en documentación técnica oficial de la CPU LR35902. No se consultó código de otros emuladores.

Integridad Educativa

Próximos Pasos

• [ ] Ejecutar Pokémon Red/Blue para verificar que el emulador avanza más allá del opcode 0xF9
• [ ] Identificar cualquier otro opcode faltante que pueda aparecer durante la ejecución
• [ ] Validar que el emulador puede ejecutar código complejo como sistemas de menú o combate
• [ ] Continuar con mejoras de renderizado y sincronización si es necesario