DOS/Vマシン
それから月日が流れた1993年暮、それまで使っていた古いマシンを刷新することにした。長らくNEC PC-9801の天下であった国内市場にAT互換機と呼ばれる黒船が襲来しはじめた頃のことだ。訳あって当時の私には金銭的な余裕はなく、友人のお下がりの486SX(20MHz) CPUや各種拡張カードを元にAT互換機を1台組み立てることにした(当時はメーカー製の既製品よりパーツを買い集めて自分で組み立てるほうが安かった)。聞いたこともないような台湾製のM/Bや格安メモリーを購入し、さぁ帰って組み立てようかと帰路につく途中、友人宅に寄ることになった。
契機
その友人宅の互換機には、目を疑うような光景が映し出されていた。あのApple][の画面がそこには映し出されていたのだ。そのエミュレータは完璧に動いていた。あの独特の画面のにじみ、CALL -151 なんて打ち込むと、ちゃんとモニタに切り替わり簡易アセンブラまでしっかり動く。勿論、ゲームだってちゃんと動いて音まで再現されていた。無骨な互換機の箱型筐体を除けば、画面の中身はまるでApple][そのものなのだ。
これは衝撃だった。しばしの間、そのAppleに夢中なっていた、、、
帰宅すると早速、買ったばかりのパーツを組み立て、慣れない環境に戸惑いながらも使える状態に整えた。そのスペックは当時でも互換機としては貧弱な486SX-20（オーバークロックで25MHzで使用）、8MBメモリー、お下がりのCirrusLogic VGAカードにSoundBluster（16じゃなくて無印）というお粗末なしろもの。しかしPC-DOS(MS-DOS)で使うにはこの程度で十分だ。フロッピー１枚で起動ディスクが作れてしまう、今では考えられない程シンプルなものだったのだ。
ここで、ふと、自分でもエミュレーターを作ってみたいという衝動に突き動かされた。
本日天気晴朗ナレドモ波高シ
そしてターゲットに選んだのは、日本のマイコン時代の幕開けとともに一躍スターダムにのし上がった往年の名機、あの「PC-8001」だった。それは私自身の思い入れも強いマシンでもあったし、苦労して打ち込まれたプログラムのカセットテープを何とか復活、活用したいという思いもあった。
Apple][よりはいたって構造も単純なPC-8001なら、まともに動くエミュレータが作れるのではないかと思えた。使われているCPUも8bitではメジャーなZ80（正確にはuPD780というNEC製コンパチ）で、ほとんど割り込みも利用されていなかった。周りにもユーザの多かったこのマシンには当時の資料やソフトも残されていた。
それから創刊されて間もないDOS/Vマガジンや互換機に関する資料を集め、互換機の仕様、特にＶＧＡの機能の下調べをした結果、なんだか実現出来そうな感触がつかめた。
CGA、EGAから、VGAへと進歩した、互換機のテキスト／グラフィック表示を行うデバイスだが、今回はテキストモードを使おうと決めていた。PC-8001は、基本的にテキスト表示しか行えず、これに属性（アトリビュート）情報を付加してやることで文字の表示色や装飾の設定、それに簡易グラフィックを表示するようになっていた(これはTRS-80やMZ-80でも同様のものがあった)。テキストに属性という構造はVGAのテキストモードでも似たような構造になっていた。
VGAでのテキスト表示には、CGAエミュレーションモードというものが用意されていたが、これにはユーザ定義のフォントを表示させるという機能が備えられていた。即ち、半角カタカナやPC-8001独自の記号やグラフィック文字、それに簡易グラフィックスも表示できるということを意味していた。
何事も形から入るタイプなので、このエミュレーターの名前は「N80」にしようと、作る前から決めていた。
陸の孤島
さて、PC-8001のエミュレータを作ろうと決心したまではよかったが、ROMをどうやって抜き出そうか悩むことに。実機にはシリアルI/Fはなく、外部にインターフェースらしいきコネクタなんてない。ふと目に付いたのは、パラレル用のカードエッジコネクタだった。その形状はST-506（昔のHDD）によく似ていた。手持ちのジャンクを漁るとST-506のコネクタがあり、これなら口金が合いそうだ。このコネクタとパラレルポート用の口金を配線して半田付けし、これでPC互換機のパラレルとPC-8001を繋いでソフトによるハンドシェイクで吸い出すことにした。
PC-8801ならシリアル転送で楽が出来そうだが、当時はまだPC-8801のN-BASIC ROM（BASIC Ver も 1.2）でもエミュレータが作れるのかどうか謎だったので、安牌のPC-8001 ROMがどうしても必要だった。PC-8001と互換機に転送用プログラムを書いて（Z80のハンドアセンブルなんて何年ぶりだったろう）、何とか作業も無事完了した。何せMS-DOSと8bitマイコン間での作業なのでとにかく効率は悪かった。
Z80
これがないとコンピュータは動かない、そう肝心要のCPUだ。とにかくエミュレータのエンジン、心臓部とも言えるZ80エミュレータがないことには「N80」など実現できない。必然的にこのZ80から作ってみることにした。Z80エミュレータ単独でも動くよう、メモリアクセスとI/Oアクセスを外部関数にすることにした。
まずは、Z80と8086のインストラクション表を見比べて、最初はC言語で書き始めた。フラグの変化等、8086との差異に気を付けて、取り敢えずは8080系の命令や使用頻度の高そうなものだけを実装した。未実装命令に関しては、そこで警告を出すようにして、何とか必要最低限の命令セットを完成させた。簡単な実験を繰り返して動作確認し、テストプログラムは正常な結果を返しているようだった。
Cで書いたZ80エミュレータの実験を繰り返し、安定しできたところでアセンブラに切り替えた。とにかく486SX-20のCPUでは荷が重過ぎるのだ。ほんとに動くのかな？と確認の為に、DOSの標準入出力によるにわか作りのPC-8001テキスト表示(VRAM)部だけを実装してPC-8001のROMを走らせてみると、、、
NEC PC-8001 BASIC Ver 1.1
の文字列が表示された！これには身震いを覚えた。
それにしても、いくら構造が単純だとは言えVRAM部と簡単なKey入力実装だけで動いてしまったのには正直驚きだ。この時点で、PC-8001側の他のデバイスは一切実装されていないわけだし。いずれにせよ、これでエミュレーター製作の目処が付いた。こうして93年は暮れていった、、、
BASIC
それまで、一応テストプログラムでZ80エミュレータのチェックはしていたものの、短いプログラムをちょこちょこと走らせて結果を見ていただけだった。そもそもZ80の動きがこれで合ってるのかどうかも怪しいところ。やはり、ここはPC-8001のROMという、まともな素材でテストするのがベストに思えた。幸いにも先の標準入出力による簡易エミュレータがあるので、簡単なBASICのプログラムなどを走らせてみた。
思いの外、順調に動作しているようなので、実数演算も試してみた。ところが、
PRINT 1/3
と打ってみると、当然.33333と表示されるはずのところ、まったく意味不明の数値が表示されてしまう、、、
生来、不精者の私は、Z80エミュレータにデバッグモードとか、リアルタイムでニーモニックを表示する機能なんて付けていなかった(というか全画面で動作するMS-DOSでは無理があった)。デバッグと言えば、printfという面倒臭がりやなのだ。効率は悪いと分かってはいたが、加算、減算、シフト系の命令のソースを片っ端から見直していくことにした。粘ること数時間、確かに16bit ADD命令に不具合を発見！その他にも演算命令でのフラグの変化にバグを見つけ、修正して再実験に挑むことに。
結果は無事、正しい数値を表示するようになった。
PC-8001
目に見えた不具合は収まったようなので、ここはひとまずZ80エミュレータに一段落つけ、いよいよPC-8001のエミュレータ部分に本格的に取り掛かることにした。
Z80エミュレータからはメモリやI/Oのアクセスを外部関数で実装するようにしていたので、徐々にI/O周りを追加していくことにした。
μPD3301デバイス
やはり、優先順位の高いデバイスと言えば"表示"でしょう。
以前、VGAについて下調べした時に課題となった主な点は：
・画面モード
・ユーザフォントの登録
・属性（アトリビュート）の扱い
以上の３点（いずれの問題にしても、基本的に私の知識、力不足に因るところが大きいのだが...）。属性については、そもそもCGAではハード的に上下線などの実現は難しく諦めることにした。画面モードについては、何故か画面の上半分だけに圧縮されて表示されてしまうという謎の症状が出た。未だに原因がわからないが、モードを２回切り替えると回避出切るのを発見し対処。ユーザフォントは、その手の記事を見たことがなかったので、VGAの解説本を頼りに手探りで何とか対処。そして、一番の悩みどころとなったのがPC-8001のアトリビュートを解釈し、VGAのアトリビュートに変換するアルゴリズムだ。
PC-8001では、テキストに色や装飾を指定したり、簡易グラフィックスを表示するためにVRAMに属性領域（アトリビュートエリア）を設けられている。しかし、一行辺り80桁の文字に対して20個の属性領域しか用意されていない。
この属性領域には、どの桁位置の文字に対して効果させるかという桁位置（範囲）情報も同時に記述するのだが、この桁位置情報がクセ者だった・・・、単純に昇順に桁位置（範囲）情報が記載されていれば簡単なのだが、これが必ずしもそうではないのだ。そうすると、思いも寄らぬ表示結果となってしまう。おまけに、このアトリビュートを司るCRTC μPD3301の仕様やデータシートなど持ちあわせていなかったし、チップの細かい動作までは把握していなかった。仕方ないので実機で実際に属性情報を実験しながらの手探りチューンで試行錯誤の上、今の形に落ち着いた（これは、かなり後になるまで行われた）。
それでも完璧なエミュレートとはいかなかった・・・
Beep
やはり、PC-8001と言えば、あのピーーッって鳴るビープ音だ。
当時のプログラマーは、この2400Hzの単純な正弦波（矩形波）をスイッチングのみで、ドレミの音階やゲームの効果音を作っていたものだ。しかも、タイマー割り込みなんてハードはないので、クロックとステート数からタイミングを計ってたのだから脱帽ものだ・・・幸い互換機でも単純なビープ機能があるので、周波数を合わせるパラメータをちょっと変更するだけで、実装は楽にできた。
割り切った実装
当時の開発マシンの貧弱さは既述の通りだが、DOS環境下でマルチスレッドなど高度なテクニックは難しい。どういうことかと言うと、FDDの8031をどうするかということだった。インテリジェント型FDU 8031は内部に独立したZ80を備え、8255を介してPC-8001/8801とのデータアクセスする仕組みになっていた。そしてFDD搭載の上位機種のPC-8801 mk2登場以降ですら、この仕組みは変わらなかった。MS-DOS上の貧弱なCPUでは2つのZ80をエミュレートさせるのがとても難しいのとFDCのエミュレートも面倒臭そうだった。そもそもPC-8001時代にはFDDなど持っていなかったし、初代PC-8801を手に入れた後もしばらくはテープだけで使っていた(後に中古の80S31を手に入れるまでは)ので思い切ってFDDは無視することにした。個人的にフロッピー版のゲームには余り思い入れがなかったのであっさり決断されたｗ
デバイス
まだOSという概念もあまりなく、起動するとBASICインタープリタが立ち上がるPC-8001ではハードのリソース管理というものも厳密に行われているわけではないので、少々デバイスを適当に実装してもエミュレータは動くようだった（そうでなくては、そもそもROMの起動実験など成功しなかった...）。
表示系も一応形になり、キーボード入力部も簡単にできたので、いよいよソフトの吸出しにとりかかることにする。残りのデバイス、Z80命令の実装や不具合の修正は同時進行となる。
しかしソフトの抜き出し方法まで考えてなかった...
ソフトの吸出し
ROMの吸出し時にも散々悩んだのだが、更に悩んだのがソフトの吸出しだった。
テープ中のソフトは、ロードという作業を経て始めてメモリに読み込まれる。そしてその時のロードされるアドレスや、ROMルーチンのワーク、マシンの状態も様々なわけだから、これをどうやってエミュレータに持って行けばよいのか...
テープ中のバイナリイメージを、そのまま取り出してエミュレータにテープ読み出しデバイスを実装すればよさそうなものだが、まだ必要最低限のデバイスしか実装していないし、実機側でもZ80のプログラムを組んでテープの吸出しプログラムを書かなくてはいけなくなる。ましてやROM内ルーチンの使い方やテープの読み出し方法なんてとっくに失われた（忘れた？）テクノロジーだっし、そもそも手間がかかってしようがない。
ROMの吸出し時に、実機から互換機への転送ルーチンは作ったので、それだけで何とか済ませたかった。
思案した結果、ある瞬間の実機の状態をそのまま保存（転送）し、その続きからエミュレータで再現するという方法を採ることにした。
これなら先の転送ルーチンだけで済みそうだし、何と言っても手間もかからない。幸いメモリの上位にROM（や多分ゲームでも）が使っていない領域があるので、そこに短い転送ルーチンを置いて、ゲームのBASICやマシン語を普通にロードした後（この時、決して誘惑に負けてゲームをRUNさせずに！）、モニタに移行し先の転送ルーチンを実行してRAM領域のほぼ全部を互換機に転送してしまおうということだ。
そして、まさに実機が転送ルーチンの実行からモニタへ戻るその瞬間からをエミュレータ側では再現させるという段取りだ。
この方法では、Z80レジスタも全てが保存されてないし、マシンの状態も保存されてないわけだが、後者に関しては、実機でのロード及び転送作業は電源ON直後に行うことで余計なメモリ書き換えやデバイスの状態変更が加わらないうちに済ませ、エミュレータ側も必ずリセット直後にメモリイメージファイルを読み込むという、かなり大雑把なルールのもとに運用するということにした。前者は、どうせZ80の事だから、ROM内ルーチンも必要なデータはメモリのワークに保存して必要に応じてそれを読み出しているだろうという勝手な前提のもとに、転送されるメモリのイメージにSPレジスタの値だけ記録させることにして、その他のレジスタ破壊は気にしないことにした。
吸い出してみる
まず最初に吸い出す実験には、I/O誌に載っていたパックマンを選んだ。
単に好きだったゲームということと、Beep音もコミカルだったので、まだ見ぬエミュレータ上でのゲーム実行にはもってこいのサンプルだと思われた。作業も順調に進み、いざファイルを読み込んでエミュレータで実行してみるがフリーズ...さすがに一発では動作しなかった。
しかし気を取り直して、エミュレータに手を加え、試行錯誤すること丸一日。何と動くようになった！（どこをどう修正したかはスッカリ忘れてしまったけど...）とにかく、あのパックマンが互換機上のVGA画面で動作しているのだ！この事実だけでも、これまでの苦労は消し飛んだ。
さすがに我ながら信じられないことだったが、あんなイイ加減な作戦は一応成功したのだ！
こうしてステキなBeepメロディーとともに見事パックマンが復活を遂げたのだった、そして、これがN80形式ファイルの始まりだった。
そうこうして、仲間内で集まってエミュレータのお披露目実演を行うことにした。また手間のかかるゲーム吸出し作業（とにかく600ボーのテープ速度だし）も我が家にて分担して行うことになった。各々、復活させたい思い入れのあるゲームが違うので、あれでもない、これでもないと喧喧諤諤、賑やかな内に作業は進行した。
多かれ少なかれ各人に影響し、当時の懐かしいゲーム達に再会し、またそれを堪能したのだった。
まだまだ全てのゲームが完全に動作したわけではないが、とにかくこのエミュレータでイケそうだという確信も得られたし、不具合はこれから徐々に修正、改善していけばよいのだから。
強力な助っ人
友人の元同僚で、このエミュレータの話を聞きつけ面白そうなんで是非見てみたいと一緒に我が家にやってきた人物がいた。彼自身もPC-8801のユーザで興味があったらしい。ともかく、これまでの成果であるN80で遊んでみてもらい、作業にも加わってもらうこととなった。そして、ASCII誌に掲載されていたFEEDORAというゲームを吸出し、エミュレータで走らせようとした時、彼の真価が発揮された。
N80は、まだまだ未完の部分が多く残されていた、ゲームを走らせながら足りない機能を追加し修正していったのだ。それは、Z80部分も同様で未実装の命令もまだまだ多かった。しかし、この時ばかりは様子が違った。N80では、未実装の命令に出くわすと、そのアドレスを表示して終了するようになっている、そしてそのアドレスに示されたコードを見て命令を追加していくのだが、今回そこに示されたコードは普通の命令セットには載っていないものだったのだ。
その見慣れぬ命令の16進コードを見て、彼は未定義命令じゃないかな？以前Z80の仕事の時にやったことあるから、今度メールでコード表送るよ という話になった。お恥ずかしい話だが、それまで私はZ80に未定義（いわゆる隠し）命令セットがあるなんてことは知らなかった。そして、後日送られてきたコード表の通り実装してみると確かにFEEDORAは動き出したのだった。
実は、その日の帰り際に、彼はN80のソースと簡単なロジック図を持ち帰っていった。それから数日後、彼はソースを解析してN80をPC-9801上に移植してしまったのだ！勿論、互換機とのハードの仕様の違いにより実装できない機能や仕様変更もあったのだが、確かにPC-9801でN80が動作している。これには正直驚いた、こんな短期間によくぞそこまでで・・・
HAL研究所
改良も重ねられ、動作するソフトも増えて安定してきたので、次のステップに取り掛かることにする。
簡易グラフィックス表示ができるとはいえ、160×100という低解像度のPC-8001では、やはりゲームには無理があった。そこでHAL研究所からPCG-8100というプログラマブル・キャラクタ・ジェネレーターが販売されていた。これはROMのフォントパターンをユーザ定義のパターンに置き換えることを可能にするハードウェアだ。文字単位でしかキャラクター移動ができないが、やはり精巧なドットのキャラクタには魅力がある。
本体の蓋を開け、フォントのROMを引っこ抜き、そこにケーブルでPCG本体と接続するという、今の常識から考えると恐ろしい設置方法だったが、結構メジャーな機械で、これに対応したゲームも数々発表されていた。また、PCG機能だけでなく、Beep音も周波数を自由に設定できる独立したスピーカーが付いているので、ゲーマーにはたまらない装置だった。
VGAのユーザ定義フォントを動的に変更することで、PCGのエミュレートを行うことにした。
通常の文字表示でも、PC-8001フォントや簡易グラフィックスフォントでは同じ方法で実現されているので若干の変更で実装できた。手動でPCGのON/OFFを切り替える（[F11]キーがトグルスイッチになっている）のが実用面で手間だが、まぁ仕方がない。
PCGサウンドの周波数は、内蔵されているi8253のカウンター値で設定するようになっているのだが、これは互換機のBeepでも同様だ。後は4MHz CLKを互換機の1.11938MHzに補正してしてやるだけで済むので楽だった。
それよりも、実機では独立しているPCGサウンドを、一つしかないPCスピーカーで共有して出して音は大丈夫なのかな？という懸念が先立った。Beep音＞PCGサウンドという優先順位を付けて、交互に音を鳴らすようにして実装してみる・・・これも割とうまく鳴っているようなので一安心。
そして芸夢狂人氏のLUNA CITY SOS!!がPCGモードで動き出したのだった。
オートスタート
かなりのゲームを吸い出し、コレクションも増えていったのだが、まだ完全とは言えなかった。
いわゆる、オートスタート型のゲームは従来の方法ではうまく吸い出せないか、もしくは手動でバイナリを変更して転送する手間がかかるのだ。そこで、メモリイメージ（N80ファイル）以外にゲームをエミュレータに持っていく手段を考えることにした。そうして考えたのが、カセットテープの内容をそのままファイル（CMTファイル）に落とし、N80でcloadやモニタのＬコマンドで読み込ませる方法だ。これならオートスタートのゲームでも問題なく実行できるし、何よりも純なデータとしてゲームを保存することができる（始めからこうすればよかったのかもしれないけど・・・）。
作業には実機側のマシンとしてRS-232Cの付いたPC-8801をN-MODEで使うことにした。それに空いているテキストRAMをバッファとして使うことも可能だ。
後はテープのフォーマットを調べる必要があった...
こんな時に役立つのは、結局当時に出版された解析本の類だった。
幸いにも、私自身が所有していたものや、友人から譲り受けたもの等で、かなり内部の情報とかも得られた。ほとんどROM解読に近い内容なのだが、おかげでカセットテープのデータ形式もマシン語、BASICともに知ることができた。
早速、PC-8801用に独自のテープリードプログラムを書き、ゲームのプログラムをそのまま吸い出す作業に取り掛かる。すっかり忘れていたBASICの文法やマシン語ルーチンの呼び出しも、先の資料に助けられ何とか仕上げることができた。
後は、N80にテープ読み出し機能（シリアルデバイス）を実装するだけだ...
PC-8001のテープ読み込みは、シリアルによるポーリング方式で行われている。
N80への実装は、シリアルの受信データ用のI/Oポートにリードに行ったときに、単純にカセットイメージファイル（CMTファイル）のデータを１バイトずつ渡してやればいいだろうと思ったのだが甘かった...
どうしても読み取りにデータの欠損が発生してしまうのだ。これは困ったとROMのカセット読み込みルーチン部分を調べてみると、シリアルチップ（i8251）をリセットすると直後に受信バッファを空にする為（だと思うけど）にリードさせていることが判明。そこでリセットをかけられたら直後のリードに対してはダミーのデータを渡すことで対処にした。
これでcloadやＬコマンドによるテープの読み込みは成功したのだが・・・この仕様では独自にROMルーチンを使わずに読みに行くプログラムでは不具合が出かねないのだ。まぁそんなゲームはまだお目にかかってないので、そのままにしてある。
スピート調整
前述のように、当時の私の互換機は中古で買った486SX-20という貧弱なものだった。いくらプアなマシンでも快適に走るMS-DOS上とはいえ、これはきつかった。そこで、N80のプログラムの大半はアセンブラで記述されている。決して腕のいいプログラマーでもない私が取れる唯一の手段なのだ。その甲斐あってかエミュレーションの速度もSX-20で実機と同等くらいになっていた。
ところが、N80で遊んでいた友人からクレームが来た、
「スクランブルの速度なんとかなんないの？ ゲームにならないよ・・・」
はて？ 結構、カリカリにコーディングしてるんだけどなぁ、とよくよく話を聞いてみると486DX2-66の彼のマシンでは速すぎて遊べないってことだった・・・要するにウェイトを入れて速度を落とせるようにしろと。当時のDX2-66は９万円もしたのだ、到底、私に手が出せるわけもなかった。
この話の教訓は、「開発者にはプアなマシンを与えておけ」だ
ファイル選択
私は細かいところまで凝ったことをするのが面倒な人間だ。不精者と言ってしまえばそれまでなのだが...
DOS版のN80では、実行中に[F9]キーを押すことでN80イメージファイルやCMTファイルを選択する画面に移行するわけだが、最初に作った画面はただ、ズラズラとディレクトリ内のファイル一覧が表示されるという身内で酷評を受けた使いにくいものだった
しかし、実用上は問題ないので私自身はこれでイイかと思っていたのだが、やっぱり許してもらえなかった・・・。泣く泣く現在のブルーのバックに、簡単な操作メニューを表示しながらのファイル選択操作画面へと改善したのだが、それでも私の汚名は拭えそうにもなかった・・・
DOS版完成
1994年、こうして改良と機能追加を繰り返し、DOS版のN80は一通りの実装を行い、当初の目的であったカセットテープの復活と活用も達成された。これにてN80の完成とすることにした。しかし、N80の性質上、このプログラムは仲間内だけで遊ばれ、外部に公開されることはなかった。