F# 기반 Game Boy 에뮬레이터 구현을 통한 하드웨어 추상화 및 성능 최적화

I built a Game Boy emulator in F#

2026년 4월 30일27분intermediate

AI 요약

Context

하드웨어 동작 원리 이해를 목적으로 Game Boy의 Sharp LR35902 CPU 및 주변 장치를 소프트웨어로 모사한 프로젝트. 단일 스레드 환경에서 병렬로 동작하는 하드웨어 컴포넌트 간의 동기화 및 60 FPS 프레임 유지가 핵심 과제.

Frontend-Core 간 결합도 최소화를 위해 Framebuffer(160x144) 및 Audiobuffer(32768Hz) 기반의 단순 인터페이스 설계
Functional Domain Modeling을 적용하여 CPU Instruction을 Load/Arithmetic 등의 Discriminated Unions로 구조화
Memory Map을 중심으로 CPU, IO Controller, PPU 간의 데이터 버스 및 VRAM/OAM 공유 참조 구조 구축
하드웨어의 Parallel 동작을 Single-threaded 순차 실행으로 변환하는 Stepper 함수 기반의 동기화 로직 구현
16kB 이상의 메모리 복사 비용을 제거하기 위해 순수 함수형 패러다임 대신 Mutability를 적극적으로 채택한 성능 최적화
CPU Cycle 기반의 타이머 및 PPU 업데이트 로직을 정교화하여 하드웨어 실행 속도와의 정밀한 일치 구현

실천 포인트

1. 고성능 데이터 처리가 필요한 구간에서 불변 객체 생성 비용이 성능 저하를 유발하는지 검토

2. 복잡한 명령어 집합 설계 시 Type System의 DU(Discriminated Unions)를 활용해 도메인 모델의 명확성 확보

3. 서로 다른 클럭 속도를 가진 컴포넌트 동기화 시, 기준이 되는 Master Cycle 기반의 Stepper 구조 설계 고려

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