Проектирование процессора

[Alikberov]

Как обладатель РЛК "Электроника КР-03", после освоения принципов программирования вообще и изучения схемы, как-то быстро вдруг родилось желание:

• Разработать компьютер на своей архитектуре
• Использовать процессор собственной архитектуры

Что превратилось в хобби на всю последующую жизнь.

Изучив много справочников по процессорным системам многих отечественных серий, к концу 90-х появились первые наброски эмуляторов собственных моделей процессоров. Однако, везде всплывали проблемы разного рода. То загрузка данных в регистры не была проработана, то ветвления не продуманы.
И все 20 лет просто не приносили никакого результата, хотя я и написал несколько рабочих эмуляторов РАДИО-86РК и эмулятор процессора i8086.
Из опытов с i8086 с его странным машинным кодом 00 как команда ADD, а не NOP, был выработан основной постулат, что:

• Как и с текстом, код 00 должен означать "терминацию" цепочки - HLT (Останов)

И вот в 2019 году удалось, наконец-то, сформировать некий концепт.
Глядя на шестнадцатеричный дамп с его чередованием цифр с буквами, была предпринята попытка разработать архитектуру такого процессора, система команд которого была бы ближе к восприятию человеком именно на уровне шестнадцатеричного кодирования. То есть, что человеческое восприятие при беглом просмотре успевает вырвать из контекста, то должен делать и дешифратор команд.

• Коды A0..A9 воспринимаются как "один из десяти Аккумуляторов" - пусть они будут командами активации одного из Аккумуляторов
• Коды B0..B9 воспринимаются как "одна из десяти Баз/Буферов" - пусть они будут командами активации одного из Буфера
• Коды C0..C9 воспринимаются как "один из десяти Счётчиков" - пусть они будут командами активации одного из Счётчиков
• Коды D0..D9 воспринимаются как "один из десяти Девайсов" - пусть они будут командами активации одного из Устройств Ввода-Вывода

Получается всего 30 Регистров Общего Назначения + 10 УВВ.

Для нормального функционирования АЛУ-операций требуется, как минимум, пара операндов. Здесь очень кстати подходят коды:

• AA/AB/AC/AD - как операнды (A,A) / (A,B) / (A,C) и (A,D)
• BA/BB/BC/BD - как операнды (B,A) / (B,B) / (B,C) и (B,D)
• CA/CB/CC/CD - как операнды (C,A) / (C,B) / (C,C) и (C,D)
• DA/DB/DC/DD - как операнды (D,A) / (D,B) / (D,C) и (D,D)

И здесь остаётся лишь найти группу кодов под АЛУ-Операции. В самой АЛУ-операции необходимо выбирать индекс правого операнда, так как левый - выбирается до АЛУ-операции как приёмник результата:

• 0A..9A - операция Add, где цифра - индекс правого операнда
• 0B..9B - операция suB, где цифра - индекс правого операнда
• 0C..9C - операция and(Conjunct), где цифра - индекс правого операнда
• 0D..9D - операция or(Disjunct), где цифра - индекс правого операнда
• 0E..9E - операция Eor(Xor), где цифра - индекс правого операнда
• 0F..9F - пересылка mov(For), где цифра - индекс правого операнда

Тем самым:

• код "CB C1 2A" означает "ADD C1,B2"
• код "BA B2 3E" означает "EOR B2,A3"

Легко вникнуть, легко освоиться, легко кодировать!

Вот полная таблица:

     +------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
     |  .0  |  .1  |  .2  |  .3  |  .4  |  .5  |  .6  |  .7  |  .8  |  .9  |  .A  |  .B  |  .C  |  .D  |  .E  |  .F  |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 0. | HLT  |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    |      | D0+1 | D0+2 | D0+3 | D0+4 | D0+5 | D0+6 | D0+7 | D0+8 | D0+9 | R,T0 | R,T0 | R,T0 | R,T0 | R,T0 | R,T0 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 1. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D1+0 | D1+1 | D1+2 | D1+3 | D1+4 | D1+5 | D1+6 | D1+7 | D1+8 | D1+9 | R,T1 | R,T1 | R,T1 | R,T1 | R,T1 | R,T1 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 2. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D2+0 | D2+1 | D2+2 | D2+3 | D2+4 | D2+5 | D2+6 | D2+7 | D2+8 | D2+9 | R,T2 | R,T2 | R,T2 | R,T2 | R,T2 | R,T2 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 3. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D3+0 | D3+1 | D3+2 | D3+3 | D3+4 | D3+5 | D3+6 | D3+7 | D3+8 | D3+9 | R,T3 | R,T3 | R,T3 | R,T3 | R,T3 | R,T3 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 4. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D4+0 | D4+1 | D4+2 | D4+3 | D4+4 | D4+5 | D4+6 | D4+7 | D4+8 | D4+9 | R,T4 | R,T4 | R,T4 | R,T4 | R,T4 | R,T4 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 5. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D5+0 | D5+1 | D5+2 | D5+3 | D5+4 | D5+5 | D5+6 | D5+7 | D5+8 | D5+9 | R,T5 | R,T5 | R,T5 | R,T5 | R,T5 | R,T5 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 6. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D6+0 | D6+1 | D6+2 | D6+3 | D6+4 | D6+5 | D6+6 | D6+7 | D6+8 | D6+9 | R,T6 | R,T6 | R,T6 | R,T6 | R,T6 | R,T6 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 7. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D7+0 | D7+1 | D7+2 | D7+3 | D7+4 | D7+5 | D7+6 | D7+7 | D7+8 | D7+9 | R,T7 | R,T7 | R,T7 | R,T7 | R,T7 | R,T7 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 8. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D8+0 | D8+1 | D8+2 | D8+3 | D8+4 | D8+5 | D8+6 | D8+7 | D8+8 | D8+9 | R,T8 | R,T8 | R,T8 | R,T8 | R,T8 | R,T8 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| 9. |      |      |      |      |      |      |      |      |      |      | ADD  | SUB  | AND  | OR   | EOR  | MOV  |
|    | D9+0 | D9+1 | D9+2 | D9+3 | D9+4 | D9+5 | D9+6 | D9+7 | D9+8 | D9+9 | R,T9 | R,T9 | R,T9 | R,T9 | R,T9 | R,T9 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| A. | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | ARG  | ARG  | ARG  | ARG  | CLR  | NOT  |
|    | A0   | A1   | A2   | A3   | A4   | A5   | A6   | A7   | A8   | A9   | A,A  | A,B  | A,C  | A,D  | AF   | AF   |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| B. | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | ARG  | ARG  | ARG  | ARG  | CLR  | NOT  |
|    | B0   | B1   | B2   | B3   | B4   | B5   | B6   | B7   | B8   | B9   | B,A  | B,B  | B,C  | B,D  | BF   | BF   |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| C. | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | ARG  | ARG  | ARG  | ARG  | CLR  | NOT  |
|    | C0   | C1   | C2   | C3   | C4   | C5   | C6   | C7   | C8   | C9   | C,A  | C,B  | C,C  | C,D  | CF   | CF   |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| D. | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | REG  | ARG  | ARG  | ARG  | ARG  | CLR  | NOT  |
|    | D0   | D1   | D2   | D3   | D4   | D5   | D6   | D7   | D8   | D9   | D,A  | D,B  | C,D  | D,D  | DF   | DF   |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| E. | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  |
|    | E000 | E100 | E200 | E300 | E400 | E500 | E600 | E700 | E800 | E900 | EA00 | EB00 | EC00 | ED00 | EE00 | EF00 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+
| F. | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  | INT  |
|    | F000 | F100 | F200 | F300 | F400 | F500 | F600 | F700 | F800 | F900 | FA00 | FB00 | FC00 | FD00 | FE00 | FF00 |
+----+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+------+

Где:

• коды E0..FF работают как программное прерывание на адреса E000..FF00, при этом в регистрах B0 и C0 сохраняется "адрес возврата"
• код CF буквально инвертирует "Флаг CF"

Регистр A0 выполняет функцию PSW для хранения флагов:

• AF - Арифметический Флаг (аналог SF)
• BF - Буферный Флаг (Арифметическое переполнение, аналог OF)
• CF - Флаг Переноса
• DF - Дифференциальный Флаг (аналог ZF, только наоборот - NZ)

Практически, это - весь набор команд.
Чтобы начать программировать, даже в таблицу заглядывать не стоит: Всё "на своих местах" в буквальном смысле.
Причём, коды BCD с 01 по 99 работают как префиксы адресации ячейки памяти, где D0-D9 - "Двойной регистр" / "Регистровая пара" B0:C0..B9:C9.

• код "CB C1 2A" означал "ADD C1,B2", а с префиксом "CB C1 54_2A" означает "ADD C1,[D5+4],B2"
• код "BA B2 3E" означал "EOR B2,A3", а с префиксом "BA B2 54_3E" означает "EOR B2,[D5+4],A3"
• код "CF" означал "NOT CF" (CMC), а с префиксом "54 CF" означает "JCF [D5+4]"
• код "C1" означал активацию регистра C1 как приёмника результата для АЛУ, а с префиксом "54_C1" означает "MOV [D5+4],C1"

Как можно заметить, префиксы вносят значительную гибкость, а флаговые операции становятся командами ветвления.

Для фанатов программирования машинного кода освоить кодирование под такой процессор будет как никогда легко!

Вот схема рабочего прототипа 2019 года:

А вот аккуратный эскиз процессора (отсутствуют блок регистрового файла и блок АЛУ).


JavaScript-эмулятор доступен здесь.
Эмулятор моего процессора под РАДИО-86РК - здесь.

Как можно видеть, этот процессор легко эмулируется даже на ВМ80.
(Концептуально, правда, эмуляторы устарели за прошедшие годы. Но для ознакомления - вполне подходят.)

P.S.: Далее перейду к более серьёзным работам - разработанным Verilog-моделям и "маргинальным указателям", с помощью которых появились команды LEA и XLAT.

[Advertiser]